陈 桂 强

(河北北方学院 信息科学与工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着教育数字化推广应用，线上学习具有可以随时获取资源的优点，成为大学生自主学习的主要学习方式，尤其是在新冠疫情期间，成为大学生自主学习的主阵地。然而，对各大在线学习平台的课程学习情况进行统计发现未能达到预期效果，学生利用在线学习平台开展自主学习，但是效果并不理想。以电子信息类专业的核心课程嵌入式系统原理及应用为例，实践了自主学习目标下导引式教学资源建设，对电子信息类专业其它课程教学做一教学改革、示范。

1 课程教学需要分析

1.1 专业背景与工程需求

随着数字制造信息时代的快速发展，电子信息的软硬件设计开发需求越来越大，技术精度要求也越来越高。高校电子信息类专业学生在扎实基础理论知识的同时，动手和实际操作能力显得格外重要，尤其是对工程设计中电路设计需要一个强化训练的过程。而现在电子信息类专业学生的培养计划中课程学习学时数有限，学生在课堂教学中没有足够时间消化知识、实践理论，对于开发创新能力的提高就更加困难。

嵌入式系统原理及应用的核心课程内容为以STM32F103系列微处理器为核心阐述嵌入式系统设计的原理及应用，理论深、实践强和应用广是这一课程的特点。特别是在实践教学中要求学生充分理解掌握在32位RAM微处理器原理的基础上，对实际工程应用问题进行需求分析，给出满足各因素的可行的解决方案，并进行总体规划和详细设计，进而选择最合适的开发工具完成电路设计和软件仿真，最后在实体开发板上进行测试、调试才得以完成整个工程应用。

1.2 教学现状与资源紧缺

嵌入式系统原理及应用课程具有知识点繁多、操作复杂和设计灵活等特点，在实际教学中，许多知识理论、分析设计和工程操作学生在课堂上来不及消化吸收，课下得不到及时解决，导致没有掌握的学习内容堆积越来越多，严重影响后续课程的学习及毕业设计和实习实训。

现有的传统教学资源内容单一，只能满足学生基础简单的理论知识学习，学生的实际操作能力很难在自学的基础上达到有效的提升，获得的知识并不能全方位的拓展与应用，很难把学习的知识运用到实际的电子信息类专业工程中，难以激发学生开发工程的创新意识。嵌入式系统原理及应用课程的相关参考书籍种类繁多，但专用于STM32F103系列。内容深入浅出、知识结构明确、适合本科学生使用的教学资源并不多见，成体系的、引导学生自主学习的资源更少。

2 自主学习目标下导引式教学模式

根据嵌入式原理及应用课程的特点，提出“自主学习目标下知识图谱导引式”教学模式，即强调线下教师通过案例导引学生互动的知识图谱导引下自主地学，又能利用线上交流平台进行充分讨论，利用数字资源及时解决学生在学习和实践过程中遇到的问题。教学过程分为课上及课下两部分，课上主要以教师导引、学生参与讨论分析的形式展开；课下学生在知识图谱的导引下自主学习为主，教师与学生通过线上交流平台进行课程的交流和讨论，整个课程教学过程采用完全互动方式进行，如图1所示。

2.1 知识图谱导引，案例驱动，数字资源支撑

根据课程特点及内涵，结合工程需求与技术发展，将课程内容划分为不同的知识点，将这些知识点根据其层次难易度编辑成知识图谱，以知识图谱为导引线，案例驱动、逐层扩展、逐步衔接。以案例为主线将授课内容进行分解并展开学习和讨论。课上通过案例的概况说明布置下一次课的任务，并指定相关的数字资源使学生在知识图谱导引下自主学习。根据教学内容及时间条件对数字资源进行筛选，筛选后的数字资源数量以3～4个为宜，类型可以是知识点PPT、实际操作视频、电子书、技术文档等，数字资源的学习时间控制在学生可接受范围内。

2.2 自主学习，团队协作导引，交流讨论

教师在学习通上建好知识点PPT、知识图谱、试题库、视频库、资料库等数字资源，并通过知识图谱进行链接，教师根据课上对综合案例分解导引出的知识点在学习通的交流平台上发布任务，学生在规定时间内完成该任务在知识图谱上相关链接的数字资源自主学习，对学习中发现的问题在学习平台展示，教师引导学生解决问题，提升学生分析问题与解决问题的能力。整个学习过程以小组为单位，要求学生在组长的带领下进行合理分工，小组成员相互配合解决问题，提升学生的团队合作能力。

2.3 课上讨论，逐层扩展导引，仿真练习

学生经过前期的自主学习，对综合案例内容已有一定的了解，课上通过逐层扩展引导，逐步对综合案例进行分析讨论，明确其总体结构及软件和硬件的技术内涵，从而引出知识点，结合综合案例及数字资源，依据应用、技术、原理3个层面进行讲解，横向上与C51单片机进行对比，分析其优缺点及适用性；纵向上利用综合案例对各知识点之间的关系和作用进行直观的关联对比。在对案例讨论学习的基础上进一步扩展，通过相关引例加深巩固知识点内容，引例的选择方式与案例类似。同时留设仿真练习，学生在课下可以通过课上学习的方法及数字资源在知识图谱的导引下完成此部分内容。

3 导引式教学资源建设

《中国教育现代化2035》指出，应“加强优质教育资源开发与应用，建立开放灵活的教育资源共享服务平台，打造人人皆学，处处能学，时时可学的教育资源”，打破传统知识的结构，将知识点重新整合建构合理的知识图谱结构，建设适合自主学习目标下导引式学习的多层次、多方位、多角度的数字化资源[1]。

3.1 设计可视化知识图谱

总结多年教学经验，整理嵌入式系统原理及应用课程体系，适合工程问题的解决，打破原有的章节，运用可视化知识图谱对所有知识点进行关联、导引。同时设计11个教学模块、50多个知识点，以课件和图片的形式展示，各个知识点的内容尽量详细、直观，学生可以通过线上资源多次重复自主学习。

3.2 制作导引式操作视频

对于一些课堂上的实用案例和实践操作，学生通过课件和线下的理论学习无法直观获得，通过制作实际操作视频展现给学生，视频内容详实操作步骤紧凑，会使学生更加愿意观看学习并跟随视频进行操作练习，不会增加学生的学习负担，相反可以提升学生的学习兴趣[2]。学生可以通过手机等设备反复观看和练习。做到手把手自主学习STM32开发。嵌入式系统原理及应用课程视频知识点分布见表1。

表1 视频知识点分布 单位：个

3.3 样板综合性工程案例

嵌入式系统原理及应用课程除了要求学生学会理论知识，最主要的是对知识的整合与综合应用能力。在创建数字化资源时将所有知识进行梳理，建立适合学生仿真操作的综合案例：红外自动输液系统如图2所示。该系统基本上包括了按键、LED灯、蜂鸣器、DS18B20、电机、滑动电阻、LCD等，用按键输入代替红外检测得到的每分钟输液的滴数，当小于下限阈值电机正转来加大滴数，当大于上限阈值电机反转来减小滴数；滑动电阻的位置代表输液瓶中液体的液位，当液位小于下限阈值时蜂鸣器报警，LED灯的闪烁表示正在输入；LCD屏上显示当前的液位和下限值，以及当前输液的滴数及环境温度。将这个综合案例分解成STM32最小系统案例、LED灯控制案例、按键输入案例、蜂鸣器控制案例、电机驱动案例、ADC模数转换案例、LCD液晶屏显示案例及单总线I2C温度传感器案例。通过这些案例导引出知识点，学生通过知识图谱的导引进行自主学习，完成单一功能的案例仿真。最后通过这个综合案例的分析和设计，使学生对基于STM32的嵌入式系统原理及应用有了更好的掌握理解，更全面了解了嵌入式系统分析设计与实现的过程，加强了综合应用技术的能力，提升学生解决工程问题的能力。

图2 红外自动输液系统仿真

3.4 建立无纸化自测系统

有的时候学生对于自己的学习是否达到该有的效果无法确定，教师建立数字化资源应考虑到学生学习过程中的自我评价，建立适合学生自测的试题库，在每个知识点学习完成后学生可以进行线上自测，学生通过自测可以了解自己的学习情况，对自己短板的环节进行线上重复学习，真正实现导引式自主学习。通过对知识点的梳理和总结，题库共制作试题233道，包含单选题、填空题、简答题、程序阅读题和程序设计题，其中主观题分值占比为80%，分别为嵌入式系统概述、ARM Cortex-M3微处理器、STM32F103系列芯片、GPIO控制、定时器、中断控制、串行通信、DMA控制、存储器系统和ADC模块，重点考核学生对STM32F103开发技术的掌握情况和实际动手操作能力。各种类型试题在各知识点中的分布情况见表2。

表2 各种类型试题在各知识点中的分布情况 单位：道

3.5 建立可下载的资料库

学生在学习过程中需要安装相应的软件支持实际操作的学习，在实际操作的时候需要查阅各种使用手册，同时需要实际工程中使用的仿真函数以及程序的源代码，如果学生自己上网下载会浪费大量时间，而且学生在网上下载的软件可能会存在偏差，并不适合学生学习该课程的使用。数字化资源库中建立了方便学生下载所需软件安装包及注册机、各种使用手册的资料库。该资料库中的安装软件包含MDK5软件安装包及注册机、Proteus8.12安装包及注册机、STM32CubeMX安装包、CH340串口驱动安装包、串口调试助手软件、STM32F103ZET6开发板仿真器驱动程序、STM32F10x系列标准固件库；可用于操作的使用手册包含STM32固件库使用手册、STM32F1开发指南-库函数版、STM32中文参考手册、RAM Cortex-M3权威指南；参考实例有实验标准例程-库函数版、案例的电路仿真和程序源码等。

数字化教学资源通过这几年的建设，已有10个班388名学生参与学习，数字化资源包含96个碎片知识点、可视化知识图谱，25个实验和仿真视频、可下载的资料48份，233道题的试题库，发布216次自测作业，考试6次，课堂活动104次，讨论话题33个等。

4 结 语

嵌入式系统原理及应用课程数字化资源在学习通平台基本建设完成，数字化资源中的可视化知识图谱实现了学生可以直观了解学习各知识点间的关联，实验和仿真视频实现了学生多次观摩实际操作的过程，资料库中的软件安装包和使用手册实现了学生方便快捷安装学习软件。线上资源配合线下教学，真正实现了直观、多次、方便的学习嵌入式系统的相关知识[3-4]。同时，自主学习目标下导引式模式的教学形式可以激发学生学习热情和创新能力，学生成为学习的主体，采用自主学习目标下导引式的模式学习，学生解决工程实际问题和终身学习的能力已经初见成效。但是进一步建设和完善数字化资源是一项系统工程，特别是对电子信息类专业的其它课程需要分批次、分步骤的建设和开发。