南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院 張 浩

“嵌入式系統(tǒng)”項目驅(qū)動教學(xué)模式的研究

南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院 張 浩

針對高校嵌入式教學(xué)所遇到的問題，探討一種項目驅(qū)動式的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式。選擇合適的嵌入式項目，分解為多個模塊，層層遞進講解各模塊知識點，要求學(xué)生分組逐步完成各個模塊功能，然后聯(lián)調(diào)整合成一個完整項目。在項目驅(qū)動下，使學(xué)生掌握嵌入式原理，理解嵌入式系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，同時鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。

項目教學(xué)法；嵌入式系統(tǒng)

1 引言

與一般工學(xué)課程不同，“嵌入式系統(tǒng)”課程是一門以應(yīng)用為目的的實踐課[1]。目前，“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)大多采用傳統(tǒng)專業(yè)課程的教學(xué)方法，強調(diào)嵌入式系統(tǒng)知識的完整性和系統(tǒng)性、重點放在講授嵌入式系統(tǒng)知識的科學(xué)原理和抽象應(yīng)用，其教學(xué)模式更適合于研究生教學(xué)[2,3]。對于普通高等院校辦學(xué)，執(zhí)行的是厚基礎(chǔ)、寬口徑的人才培養(yǎng)模式，本科專業(yè)課的學(xué)時一再壓縮，如何在有限的時間內(nèi)最大的提升教學(xué)質(zhì)量，是本文的主要關(guān)注點[4]。

筆者結(jié)合本專業(yè)的實際情況，經(jīng)過長期實踐摸索，總結(jié)出一套項目驅(qū)動式的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)模式，設(shè)計一個難易適中、實際可行的柔性數(shù)據(jù)測量儀課題，基于已有的硬件平臺進行操作，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐同步進行, 提高學(xué)生的綜合工程能力。

2 “嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)特點

“嵌入式系統(tǒng)”的教學(xué)體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、綜合性和實踐性的特點，是理論與實踐相結(jié)合的課程。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要軟件、硬件設(shè)計的結(jié)合，開發(fā)基礎(chǔ)要求高，涉及計算機、電子、通信和自動控制等學(xué)科，內(nèi)容綜合性強。更重要的是，該課程本身的實用性決定，單純的課堂講授根本達不到要求的教學(xué)效果，只有付諸實踐，才能使學(xué)生真正掌握嵌入系統(tǒng)復(fù)雜的開發(fā)流程和軟硬件操作[5,6]。

3 項目驅(qū)動式教學(xué)法

教學(xué)模式以項目為主線展，主要包括項目設(shè)計和教學(xué)實施兩方面內(nèi)容。

3.1 項目設(shè)計

項目設(shè)計包括項目任務(wù)設(shè)計和項目分解。

（1）項目任務(wù)設(shè)計

項目教學(xué)法的關(guān)鍵之一就是選擇一個合適的項目應(yīng)用于課程教學(xué)。項目選擇的要求是：第一，項目來源要實時、實際。實時實際的項目才能保證技術(shù)的先進性和實用性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；第二，項目要滿足課程知識構(gòu)建的需要，涵蓋嵌入式系統(tǒng)各個知識點，并與教學(xué)大綱吻合；第三，項目的結(jié)構(gòu)要難易適中并具有擴展性，可適應(yīng)規(guī)定的課時，同時保留創(chuàng)新空間[7]。

在實際教學(xué)中，選擇了柔性數(shù)據(jù)測量儀作為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)項目[1]。對于多數(shù)靜態(tài)測量對象，測量儀器通常具備以下幾個部分：傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示單元。針對不同的傳感器，配套專用信號調(diào)理電路，將被測量轉(zhuǎn)換為直流電壓或電流量，然后通過ADC采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終利用處理器進行基本的數(shù)據(jù)處理、顯示和儲存。以上功能皆可基于嵌入式系統(tǒng)及實驗平臺實現(xiàn)。整個課題面向?qū)嶋H應(yīng)用，結(jié)構(gòu)清晰，知識點基本涵蓋教學(xué)大綱，便于分類分組教學(xué)使用。在總體框架確定后，各部分內(nèi)容可以根據(jù)教學(xué)要求任意調(diào)整，為學(xué)生思維擴展和創(chuàng)新留有空間。

（2）項目分解

對于本科生而言，一個完整項目內(nèi)容難度過大，所以要將項目分解成若干個模塊，并將重要知識點融入到各個模塊之中[1]。一般來說，柔性測量儀可包含A/D轉(zhuǎn)換，按鍵設(shè)置、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲，計算機接口等功能模塊。每一個模塊可以單獨開發(fā)。教師引導(dǎo)學(xué)生對系統(tǒng)進行需求分析，了解各個功能模塊的要素和設(shè)計的步驟，重點點明各個功能模塊開發(fā)的難點。對應(yīng)模塊的難點分別為：A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動與濾波技術(shù)、矩陣鍵盤驅(qū)動和去抖、液晶驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲分類與查詢和計算機接口協(xié)議與校驗方式。

3.2 教學(xué)實施

教學(xué)實施包括知識學(xué)習(xí)和教學(xué)條件。

（1）知識學(xué)習(xí)。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)特點要求學(xué)生具有一定的知識儲備，即基礎(chǔ)性。對于“嵌入式系統(tǒng)”這門課程來說，這些相關(guān)知識主要是硬件基礎(chǔ)、STM32F103寄存器功能，固件函數(shù)庫，μcosII系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作等知識。這些內(nèi)容極其繁雜，有些知識點需要理解記憶，有些則只需要用時查表，因此在講授這些內(nèi)容時應(yīng)本著從簡單到復(fù)雜，以點帶面的原則。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)綜合性特點。圍繞各個模塊所需的知識點，將已經(jīng)完成的有關(guān)項目和模塊的硬件與源程序展示給學(xué)生，層層遞進引導(dǎo)同學(xué)了解各個知識點，從基礎(chǔ)到綜合。同時輔以實驗操作訓(xùn)練，實現(xiàn)預(yù)定功能。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)實踐性體現(xiàn)。第三個階段則是模塊聯(lián)調(diào)階段，將前面所有功能模塊整合起來，完成柔性數(shù)據(jù)測量儀項目。

（2）將課堂轉(zhuǎn)移到實驗室，實施教師邊教、學(xué)生邊練，克服傳統(tǒng)課堂講授教學(xué)的枯燥乏味等諸多弊端[7]。項目實施過程中采用小班授課。一般不超過20人，以組為單位，每組人員2-3人為宜。柔性測量儀主要有多個個功能模塊，難度逐漸加大，各組逐步完成以上模塊。在項目實施過程中，學(xué)生主要是在已有的實驗平臺上實現(xiàn)軟件功能。程序采用μcosII嵌入式系統(tǒng)，并使用STM32的固件函數(shù)庫在RealViewMDK環(huán)境下編寫。

4.學(xué)生考核評價

學(xué)生學(xué)習(xí)的效果直接由完成工程項目的情況來衡量，但評價要求多元化。根據(jù)學(xué)校課程考核要求，課程成績主要分為考試成績60%，平時成績40%。作為考試考核部分，本課程建議開卷考試，主要考核內(nèi)容為基本概念和基本的軟硬件知識。一般情況下，開卷考試的成績區(qū)分度不大。平時成績，則采取多元化要求，評價不僅注重結(jié)果，還要體現(xiàn)項目實施過程。評價指標(biāo)體現(xiàn)在各個模塊的完成度、完成質(zhì)量和創(chuàng)新情況等，項目報告等環(huán)節(jié)也可在平時成績中占據(jù)一定比例。

5.討論

作為一門實踐性強、側(cè)重應(yīng)用和技術(shù)更新快的“嵌入式系統(tǒng)”課程，需要不斷完善教學(xué)和實踐內(nèi)容，不斷探索更加靈活、有效的教學(xué)方法。項目驅(qū)動式教學(xué)法是通過選取“項目”來創(chuàng)建“情景”，通過“協(xié)作學(xué)習(xí)”的方式開展研究，通過完成“項目”來達到對科技知識的掌握。作為一個完整的教學(xué)過程，它從簡單到復(fù)雜，從模仿到創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、由點到面完成項目，實現(xiàn)理論教學(xué)與軟件開發(fā)實踐的有機結(jié)合，最終完成真正意義上的知識建構(gòu)。

[1]張浩,陳勇,程玉柱.項目驅(qū)動式案例教學(xué)法在“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)中應(yīng)用[J].中國電子教育,2012(4):48-58.

[2]朱華生.改進型項目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報,2011(2):103-107.

[3]何友國,閆明.“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育,2011(19):76-77.

[4]董毅.新建地方本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案的設(shè)計[J].高教探索, 2010(3):74-77.

[5]劉國梅.淺談普通院校的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[J].中國科技信息, 2008(20):257-259.

[6]李巖,王小玉,孫永春.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2006(3):45-47.

[7]張其亮,王愛春,陳永生.能力遞進式項目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)課程中的實踐[J].2014(8):185-189.

張浩（1979—），男，齊齊哈爾人，副教授，現(xiàn)供職于南京林業(yè)大學(xué)機電學(xué)院。

本文系“2016年南京林業(yè)大學(xué)教學(xué)質(zhì)量提升工程”（項目編號：00644-03-00957）的研究成果。