張志勇，于繁華

(長春師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032)

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基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)改革探析

張志勇，于繁華

(長春師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032)

[摘要]目前，高等學(xué)校計算機及相關(guān)專業(yè)大多已將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程引入教學(xué)中，但由于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程較難理解，學(xué)生不易快速掌握。本文以長春師范大學(xué)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程為例，引入CDIO工程教育改革方式，通過對嵌入式開發(fā)項目的確定，對理論與實驗教學(xué)進行改革，并及時總結(jié)教學(xué)改革成果。

[關(guān)鍵詞]CDIO；教學(xué)改革；嵌入式開發(fā)

近幾年，以CDIO工程教育為代表的教學(xué)改革備受關(guān)注。CDIO的核心是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標[1]。但是，基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)改革在國內(nèi)高校中開展得很少。本文主要對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程理論、實驗及實訓(xùn)教學(xué)改革進行研究與分析。

1基于CDIO嵌入式開發(fā)項目的確定

隨著社會對嵌入式人才需求的不斷增長，許多高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程[1]。主要以傳統(tǒng)的相關(guān)教材作為理論課程，使用相關(guān)的實驗箱作為實驗課程，這種教學(xué)方式使學(xué)生難以理解。長春師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程引入了CDIO教學(xué)改革理念，對理念課程、實驗課程及實訓(xùn)課程進行了大膽的改革。本門課程的課程組成員首先對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的課程實訓(xùn)項目進行規(guī)劃和設(shè)計，主流處理器如圖1所示。

圖1　主流處理器

目前，AVR、AT89C51處理器、STC89C52處理器和ARM915處理器是目前教學(xué)用的主流嵌入式微處理器。課程組教師經(jīng)過討論，決定使用ARM15處理器，設(shè)計“定時智能開關(guān)”項目作為最后實訓(xùn)的一級項目[2]。

“定時智能開關(guān)”項目作為實訓(xùn)的一級項目，其中又細分四個二級項目分別為：蜂鳴器模塊；繼電器及外圍電路模塊；按鈕及外部中斷模塊；數(shù)碼管及LED顯示模塊。

在每個二級子項目下設(shè)置三級項目，如下所示。

(1)數(shù)碼管及LED顯示模塊中的三級項目(6個)。三級項目21301閃爍的LED廣告燈；三級項目21302流水的LED廣告燈；三級項目21303左右跑馬的LED廣告燈；三級項目21304二進制加法實驗LED燈；三級項目21305分立式數(shù)碼管循環(huán)顯示0～9；三級項目21306集成式數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。

(2)按鈕及外部中斷模塊中的三級項目(6個)。三級項目22307用按鍵實現(xiàn)計數(shù)加減；三級項目22308用外部中斷實現(xiàn)計數(shù)加減；三級項目22309 TO，方式1，計時設(shè)計一個發(fā)光二極管閃爍，0.05S開關(guān)一次；

三級項目22310 T0、方式1實現(xiàn)1秒中斷；三級項目22311 T0、方式1實現(xiàn)四位數(shù)碼管分秒計時器；三級項目22312 T0、方式1實現(xiàn)四位數(shù)碼管分秒計時器且可通過外部中斷0，1設(shè)置分秒。

(3)蜂鳴器模塊中的三級項目(3個)。三級項目22313設(shè)計一個固定聲音頻率；三級項目22314聲音由高到低；三級項目22315電子門鈴。

(4)繼電器及外圍電路模塊中的三級項目(3個)。三級項目22316使用P0.0口控制繼電器實現(xiàn)對220V照明燈的控制；三級項目22317數(shù)碼顯示4X4鍵盤矩陣創(chuàng)新套件；三級項目22318LED模擬交通燈創(chuàng)新套件。

通過研究，計劃分為18個三級項目，并將這些項目按教學(xué)進度分配到相應(yīng)的教學(xué)周。每一個教學(xué)周完成不同的內(nèi)容，之后階段驗收二級項目，最后完成“定時智能開關(guān)”一級項目[3]。

2基于CDIO嵌入式開發(fā)理論內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)課程理論內(nèi)容以教師講為主，但目前國內(nèi)并沒有適合本科專業(yè)所使用的教材，所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難。本課程組教師依據(jù)CDIO工程教育理念，對理論課程的內(nèi)容進行了大膽的改革[4]。

根據(jù)所選擇的一級項目至三級項目，有針對性地對三級項目中涉及的理論知識點進行論述和講解，即在實驗中用到什么內(nèi)容就結(jié)合實際情況講授什么內(nèi)容。

課程組成員用近兩年時間，編寫出符合實際教學(xué)的講座如下：

第0講——導(dǎo)引課程(2學(xué)時)。

主要針對本學(xué)期的設(shè)計目標，為學(xué)生講解清楚，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便可以清晰地了解這學(xué)期的設(shè)計目標。導(dǎo)引課程的安排非常重要，可以說上好導(dǎo)引課程就已完成本門課程50%的目標。學(xué)生以往只是聽教師講，很少主動地參與到課堂中去。因此，在導(dǎo)引課程中，教師可以告訴學(xué)生這學(xué)期要做什么、怎樣做、如何做，最后達到什么目標。

第1講——PROTEUS基本操作(2學(xué)時)。

第2講——元器件屬性及編號設(shè)置(2學(xué)時)。

PROTEUS軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)工具軟件，它集成了高級原理圖布圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)設(shè)計以及布線，可以實現(xiàn)一個從概念產(chǎn)品到設(shè)計成的完整的電子設(shè)計。在第1講和第2講中，教師主要對這款仿真軟件使用方法加以介紹，以便學(xué)生自己以后學(xué)習(xí)使用。

第3講——嵌入式處理器程序編寫和編譯(4學(xué)時)。

第4講——節(jié)點、總線連接技術(shù)(4學(xué)時)。

keilKeil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上具有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用。在第3講和第4講中，教師主要對這款I(lǐng)DE開發(fā)軟件使用方法加以介紹，提高學(xué)生獨立開發(fā)程序和創(chuàng)新的能力。

第5講——一位數(shù)碼管計數(shù)器(6學(xué)時)。

第6講——四位數(shù)碼管計時器(6學(xué)時)。

數(shù)碼管是生活中經(jīng)常用到的電子器件，一般可以分為1位、2位、3位和4位數(shù)碼管。可定時供電插座項目設(shè)計中用到的是4位數(shù)碼管，因此在第5講和第6講中，教師主要講解數(shù)碼管的使用方法。

第7講——蜂鳴器(2學(xué)時)。

蜂鳴器可以用來設(shè)計電子琴、警報器等產(chǎn)品，其在定時供電插座項目中的主要作用是提醒用戶，定時時間到就發(fā)出提示音。

第8講——繼電器(2學(xué)時)。

定時供電插座是通過弱電控制強電，這就需要用到繼電器。繼電器常用的有5腳和6腳的DVC5V繼電器，通過5V電壓控制繼電器的開關(guān)，可以控制220V插座的供電。

第9講——定時供電插座設(shè)計(4學(xué)時)。

這一講是綜合設(shè)計型實驗[5]。通過本項目的制作可以驗收學(xué)生本學(xué)期的學(xué)習(xí)效果。通過對前四個二級項目的回顧和講解，引出本項目，使得學(xué)生能夠利用所學(xué)習(xí)的內(nèi)容來設(shè)計與制作產(chǎn)品，最終提高學(xué)生的創(chuàng)新和獨立解決問題的能力。

3基于CDIO嵌入式開發(fā)實驗內(nèi)容改革

實驗教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新與改革主要是通過一級項目“定時智能開關(guān)”的制作，確定最終的設(shè)計目標。為達到這個目標，需要進行相應(yīng)實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置。主要進度與內(nèi)容如表1所示。

表1　實驗教學(xué)安排

根據(jù)已經(jīng)確定好的實驗項目，課程組教師經(jīng)過2～3年時間的努力，最終編寫了相應(yīng)教材，并于2014年7月出版《嵌入式系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書》，此書為普通高等學(xué)校十二五規(guī)劃教材；制作并完成三級項目18個(仿真、實物均已經(jīng)完成)、二級項目4個(仿真、實物均已經(jīng)完成)、一級項目1個(仿真、實物均已經(jīng)完成)。

4基于CDIO嵌入式開發(fā)課程教改革成果

CDIO嵌入式開發(fā)課程教改革已在2013級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)(本)、2012級計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)(專)嵌入式實驗教學(xué)中開展，取得了良好的教學(xué)效果。本實驗仿真平臺共6大類、18個實驗。其中包括18個驗證性實驗和1個綜合性實驗[6]。

在2012級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)(本)實驗教學(xué)中，學(xué)生共計102人，未使用CDIO教學(xué)改革時，完成驗證性實驗79人，驗證性實驗完成率為77.5%；完成綜合性實驗67人，綜合性實驗完成率為65.7%。

在2013級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)(本)實驗教學(xué)中，學(xué)生共計98人，使用CDIO教學(xué)改革時，完成驗證性實驗88人，驗證性實驗完成率為89.7%；完成綜合性實驗79人，綜合性實驗完成率為80.6%。

可見，使用CDIO教學(xué)改革以后，驗證性實驗完成率提高了12.2%；綜合性實驗完成率提高了14.9%。使得嵌入式開發(fā)實驗教學(xué)質(zhì)量有了很大的提高。

[參考文獻]

[1]張志勇,李曉寧.基于F2AP網(wǎng)絡(luò)安全策略模型研究[J].情報科學(xué),2014(2):35-38，42.

[2]張志勇,唐永林,邢國春,等.基于O2O模式的嵌入式智能生態(tài)系統(tǒng)模型研究[J].情報科學(xué),2016(2):96-99.

[3]袁靜.《小型網(wǎng)絡(luò)組建》精品課程移動終端app的開發(fā)[J].現(xiàn)代計算機:專業(yè)版,2014(12):61-67.

[4]王新榮,張霞,李小海,等.高等理工科課程教學(xué)方法及教學(xué)手段改革研究[J].中國電力教育,2013(1):110-111.

[5]尹利,曹衛(wèi)剛,王曉歡.淺談CMOS集成電路的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技,2012(7):183.

[6]楊明珊,譚鳳杰,李志中,等.電磁場與電磁波實驗仿真系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版,2013(2):64-67.

[中圖分類號]G710

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)04-0119-04

[通訊作者]于繁華(1970- )，男，教授，從事人工智能與計算機網(wǎng)絡(luò)研究。

[作者簡介]張志勇(1972- )，男，副教授，從事嵌入式與計算機網(wǎng)絡(luò)研究。

[基金項目]吉林省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項目基于“嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程智能化實驗仿真系統(tǒng)的研究”(GH150554)；吉林省高等教育學(xué)會規(guī)劃重點項目“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程虛擬仿真實驗平臺建設(shè)研究”(JGJX2015C55)。

[收稿日期]2016-03-01