胡仕剛，曹會祎，吳笑峰，席在芳，唐志軍

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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階梯式項(xiàng)目驅(qū)動法在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

胡仕剛，曹會祎，吳笑峰，席在芳，唐志軍

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

“嵌入式系統(tǒng)”是一門工程性、技術(shù)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的電子信息類專業(yè)必修課，傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式已不適應(yīng)社會對嵌入式開發(fā)人才的需求，更不利于應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。針對目前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中存在的普遍問題，提出了一種階梯式項(xiàng)目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)法，以項(xiàng)目為中心，階梯式地開展相關(guān)知識與技能的學(xué)習(xí)，并通過基于STM32F4的教學(xué)來說明這種授課方法相比傳統(tǒng)授課方法的優(yōu)越性及其科學(xué)可行性。

階梯式；項(xiàng)目驅(qū)動；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)方法

近些年來，隨著電子信息行業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了生活、軍事、航天等多個領(lǐng)域[1]，作為一門工程性、實(shí)踐性和創(chuàng)造性很強(qiáng)的精尖技術(shù)，由于其復(fù)雜、難學(xué)、需要所學(xué)者具備綜合知識和扎實(shí)的基本功等特點(diǎn)，因此我國精通嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的人才并不多，出現(xiàn)了供不應(yīng)求的狀態(tài)。面對這樣一種狀態(tài)，我國大部分的本科以及一些?？茖W(xué)校的電子信息類相關(guān)專業(yè)陸續(xù)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程[2]。我院自動化、電子信息工程和通信工程專業(yè)也開設(shè)了此課程，一是為了滿足市場的需要，為市場、社會提供這方面的技術(shù)人才，二是教授這門技術(shù)可以更好地解決學(xué)生就業(yè)問題[3]。所以，如何更好地開展這門課程的教學(xué)顯得十分重要，探索一種真正科學(xué)可行的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式具有重要意義。

1　傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)更加注重工程性、應(yīng)用性，強(qiáng)調(diào)的是動手能力。而現(xiàn)今大多數(shù)高校在教學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程時仍然是“填鴨式”教學(xué)模式，教師一味的單向灌輸書本知識，學(xué)生一味的接收書本知識，只有很少的實(shí)驗(yàn)課，教學(xué)效果不佳，缺少啟發(fā)性和創(chuàng)造性。

此外，很多高校的很多專業(yè)都增設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，然而學(xué)校在給這些專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)定位時，采取了“一把抓”的錯誤定位方式，開一樣的課，設(shè)一樣多的學(xué)時，一套培養(yǎng)計(jì)劃。不同的專業(yè)在學(xué)習(xí)這門課程時應(yīng)該有不同的定位，比如，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時，應(yīng)側(cè)重于軟件設(shè)計(jì)，而自動化、電子信息工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時，應(yīng)側(cè)重于硬件電路設(shè)計(jì)[4]。

2　項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法的重要性

傳統(tǒng)的授課方式是重理論、輕實(shí)踐，老師與學(xué)生之間缺少有效交流，致使學(xué)生從一開始就對該課程產(chǎn)生反感，失去興趣，甚至放棄學(xué)習(xí)[5]。而項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法是一種全新的教學(xué)模式[6-7]，該教學(xué)方式是以理論知識為基礎(chǔ)、項(xiàng)目為中心、學(xué)生為主導(dǎo)、老師為輔導(dǎo)的一種模式。該模式是將課程的內(nèi)容知識點(diǎn)融合到若干小項(xiàng)目中，通過以學(xué)生為主、教師為輔的方式共同完成這些項(xiàng)目，在項(xiàng)目中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中鍛煉動手能力和克服困難的能力，將知識直接轉(zhuǎn)化為技能，達(dá)到更好地學(xué)習(xí)和掌握課程知識的目的。

3　基于階梯式項(xiàng)目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)

3.1選擇嵌入式開發(fā)平臺

學(xué)習(xí)ARM處理器最好是市場主流的、應(yīng)用廣泛的處理器，不宜太過時，要與時俱進(jìn)，使畢業(yè)生出去就能上崗開發(fā)產(chǎn)品，無需二次培訓(xùn)。

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，選擇基于STM32F407ZGT6為核心處理器的開發(fā)板作為學(xué)習(xí)開發(fā)平臺，與同系列的STM32F1，STM32F2芯片比較，該芯片在數(shù)字信號控制方面具有如下優(yōu)勢[8]：高性能和低成本，例如STM32F407主頻達(dá)到168MHz，內(nèi)含196KB SRAM；提供先進(jìn)的外圍設(shè)備，例如包括SDIO接口、靜態(tài)存儲器控制(FSMC)接口、以太網(wǎng)接口；提供完善的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫、DSP函數(shù)庫以及大量的官方實(shí)例；兼容性強(qiáng)。

3.2精心設(shè)置項(xiàng)目實(shí)施教學(xué)

階梯式項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則是由淺入深、由易到難，項(xiàng)目必須與課本理論知識結(jié)合，不能脫離課本知識，理論知識是基礎(chǔ)。

在課程的教學(xué)過程中，可以有針對性地設(shè)計(jì)多個小項(xiàng)目，將班上同學(xué)分成2人一組，一是鍛煉其團(tuán)結(jié)合作能力，二是為了提高設(shè)計(jì)開發(fā)速度。初始階段不宜采取綜合性很強(qiáng)的項(xiàng)目，即使將綜合性很強(qiáng)的項(xiàng)目模塊化，但由于這些模塊化的項(xiàng)目不具有階梯形、漸進(jìn)性，對剛?cè)腴T的學(xué)生來說還是太難，容易打擊到學(xué)生的自信心，不利于后續(xù)的學(xué)習(xí)。

具體的階梯式項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考如下：1)為了使學(xué)生更快地入門STM32，了解最基本的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)平臺的使用，了解直接操作寄存器與用庫函數(shù)寫驅(qū)動程序的異同，可以選“花式跑馬燈設(shè)計(jì)”作為第一個項(xiàng)目。其原理主要是通過配置GPIO口輸出電壓的變化，實(shí)現(xiàn)LED的亮滅，實(shí)現(xiàn)花式效果。通過這個簡單的項(xiàng)目可以使學(xué)生快速入門嵌入式STM32，學(xué)會最基礎(chǔ)的編譯環(huán)境的搭建、新建項(xiàng)目的流程等。2)為了學(xué)習(xí)STM32的RCC及時鐘配置、NVIC及中斷的管理、SysTick定時器、EXTI外部中斷和連續(xù)按鍵與非連續(xù)按鍵的異同，第二個項(xiàng)目設(shè)計(jì)為“按鍵實(shí)驗(yàn)”。其原理主要是把按鍵作為外部中斷的觸發(fā)源，觸發(fā)之后通過定時器來控制LED、蜂鳴器的動作時間，設(shè)計(jì)多個中斷，便需要設(shè)置中斷優(yōu)先級。3)為了學(xué)習(xí)如何利用STM32自帶的FSMC接口驅(qū)動TFTLCD屏，學(xué)習(xí)RTC實(shí)時時鐘及日歷功能，字符、漢字的顯示，第三個項(xiàng)目設(shè)計(jì)為“基于TFTLCD的萬年歷設(shè)計(jì)”。其原理主要是利用FSMC接口驅(qū)動LCD屏，通過配置RTC外設(shè)模塊，把時間、日期顯示在LCD屏上。4)為了學(xué)習(xí)STM32F4的PWM，輸入捕獲功能，第四個項(xiàng)目可以設(shè)計(jì)為“呼吸燈設(shè)計(jì)”。其原理主要是利用脈沖寬度調(diào)制功能控制LCD燈兩端的輸出電壓,使輸出電壓成線性變化，這樣便出現(xiàn)了“呼吸燈”的效果。5)為了學(xué)習(xí)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，第五個項(xiàng)目可以設(shè)計(jì)為“簡易測溫系統(tǒng)”。其原理主要是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度傳感器采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，繼而將數(shù)字信號進(jìn)行處理再顯示在LCD屏上。6)為了有效學(xué)習(xí)USART串口、IIC總線、SPI接口、CAN通訊協(xié)議方面的知識，第六個項(xiàng)目可以設(shè)計(jì)為“CAN通訊——實(shí)現(xiàn)兩個開發(fā)板的通訊”。其原理主要是通過配置CAN控制器的寄存器，在總線接口協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)半雙工，通過串口來進(jìn)行兩個開發(fā)平臺的簡易通訊。7)在前面的基礎(chǔ)上，為了學(xué)習(xí)觸摸屏的控制、GUI、I2S、UCOSII，第七個設(shè)計(jì)為比較綜合的項(xiàng)目“基于觸摸屏的音樂播放器的設(shè)計(jì)”。該項(xiàng)目有效地結(jié)合了前面所學(xué)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和知識，是一個具有一定綜合性的項(xiàng)目。

這種階梯式、從易到難的項(xiàng)目設(shè)置，符合大多數(shù)學(xué)生的習(xí)慣，更能讓學(xué)生接受，從而有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的積極性。通過這樣循序漸進(jìn)的項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)，學(xué)生將更好地掌握嵌入式系統(tǒng)的知識與基于嵌入式系統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，有效地實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。

3.3建立師生交互平臺

利用湖南科技大學(xué)數(shù)字化交互式教學(xué)資源平臺建立一個師生共用交互平臺，也是項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法非常重要的一部分。該平臺應(yīng)該包含如下幾個功能，一是包含各種形式的教學(xué)資料，包括視頻、音頻、文檔等形式的資料，以滿足學(xué)生對學(xué)習(xí)資料的需求；二是設(shè)置考核功能，要求學(xué)生定期將自己的項(xiàng)目情況錄入該平臺，包括硬件的照片、功能實(shí)現(xiàn)程度等，讓老師能夠更好地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，為下次授課有針對性地講解做準(zhǔn)備，同時也允許學(xué)生將完成的設(shè)計(jì)項(xiàng)目上傳與展示，供學(xué)生學(xué)習(xí)和借鑒，激發(fā)學(xué)生利用嵌入式系統(tǒng)知識開發(fā)具體項(xiàng)目的熱情；三是增設(shè)一個具有交互聊天功能的軟件，主要用于學(xué)生在線提問，老師在線答疑，學(xué)生之間相互交流學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、分享學(xué)習(xí)心得，以提高學(xué)習(xí)效率。

3.4改革課程考核模式

傳統(tǒng)的課程考核分?jǐn)?shù)的組成為：卷面分?jǐn)?shù)占總考核分?jǐn)?shù)的80%左右，平時考勤成績占20%左右；也有不少學(xué)校開設(shè)了實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課成績占總考核成績的10%左右。對于一般的理論課程，這樣的分?jǐn)?shù)組成是比較科學(xué)的，但是對于嵌入式系統(tǒng)這樣一門工程性和應(yīng)用型為主的課程，這樣的考核方式不是很合理，不能客觀地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和教師的教學(xué)水平。由于實(shí)驗(yàn)課成績占總考核成績的比偏低，為了提高成績，學(xué)生只得花更多的時間在基礎(chǔ)理論上，從而忽視了實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生動手能力不強(qiáng)，學(xué)不能致用。對于嵌入式系統(tǒng)這門課，課程考核成績的組成可以適當(dāng)調(diào)整，把平時項(xiàng)目成績調(diào)至占總考核成績的40%左右，理論成績占40%左右，平時考勤占20%左右，只有調(diào)高項(xiàng)目成績所占的比值，重視實(shí)踐成績，才能提高學(xué)生的動手能力，這也是教好這門課程的關(guān)鍵所在。

4　結(jié)語

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，本文分析了傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出了一種階梯式項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法。采用項(xiàng)目驅(qū)動、學(xué)生參與的新模式，為教師教學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程、學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式課程給出了明確方向。需要強(qiáng)調(diào)的是，不同的高校有著不同的師資力量和不同的學(xué)生資源，在采用這種項(xiàng)目驅(qū)動模式教學(xué)時，切忌照搬照抄，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

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(責(zé)任編校謝宜辰)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.09.022

20160322

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(湘教通[2014]247號，序號282；湘教通[2015]291號，序號254)

胡仕剛(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究與教學(xué)。

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1674-5884(2016)09-0068-03