竇亞玲 劉金平

摘要：新工科建設(shè)推動(dòng)新一輪教學(xué)改革，嵌入式系統(tǒng)課程的高實(shí)踐性要求教學(xué)過(guò)程應(yīng)將理論與實(shí)踐有機(jī)融合。 采用以問(wèn)題為導(dǎo)向的PBL模式，圍繞項(xiàng)目展開(kāi)，把嵌入式系統(tǒng)中斷機(jī)制的教學(xué)內(nèi)容組織成一系列相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，理論知識(shí)分化融入項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生在這些問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)求解獲取知識(shí)，形成了學(xué)生樂(lè)學(xué)教師樂(lè)教的“做中學(xué)”教學(xué)常態(tài)，學(xué)生的工程能力得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}導(dǎo)向模式;中斷機(jī)制;嵌入式系統(tǒng);教學(xué)案例;能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)： TP368? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）33-0170-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Teaching case of Interrupt Mechanism of Embedded System Based on PBL Mode

DOU Ya-ling， LIU Jin-ping*

（College of Information Science and Engineering， Hunan Normal University， Changsha 410000， China）

Abstract： The construction of new engineering disciplines promotes a new round of teaching reform，and the high practicality of embedded system courses requires the organic integration of theory and practice in the teaching process.Adopting the problem-oriented PBL model， focusing on the project， organizing the teaching content of the interruption mechanism of the embedded system into a series of related problems， and integrating theoretical knowledge into all aspects of project implementation. Driven by these problems， students take the initiative to solve and acquire knowledge， forming the normal teaching pattern of "learning by doing" where students enjoy learning and teachers enjoy teaching， and students' engineering abilities are cultivated.

Key words： problem-based learning model; interrupt mechanism; embedded system; teaching case; ability training

1 引言

PBL（problem-based learning）[1]是一種比較新的教學(xué)模式：學(xué)生作為主體，以問(wèn)題為導(dǎo)向，教師激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性完成項(xiàng)目任務(wù)，并通過(guò)反思和評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)完成知識(shí)的建構(gòu)。 嵌入式系統(tǒng)的核心是軟件和硬件相結(jié)合[2]。嵌入式教學(xué)系統(tǒng)屬于綜合性課程體系[3]，理論課程涉及的知識(shí)門類龐多，包括電子、計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)等。嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐程度要求很高的工科專業(yè)課程，理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，實(shí)踐知行合一[4]。嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)貫穿的是以“學(xué)生為主體”、學(xué)生在“做中學(xué)”，這一宗旨使得 PBL 教學(xué)模式作為一種合適的學(xué)習(xí)形態(tài)[5]在嵌入式系統(tǒng)課程教改中展開(kāi)。越來(lái)越多的嵌入式教學(xué)改革認(rèn)同通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)[6-7]推進(jìn)教學(xué)過(guò)程。

作者在近7年的嵌入式系統(tǒng)課程一線教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合技術(shù)發(fā)展與學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容進(jìn)行了不斷調(diào)整，形成了可持續(xù)發(fā)展的培養(yǎng)工程能力的課程體系[8]。2019年起采用ARM Cortex M4系列STM32F407Tx芯片的便攜式開(kāi)發(fā)板，將課程內(nèi)容劃分為10個(gè)主題項(xiàng)目模塊，根據(jù)各模塊的不同特點(diǎn)選擇合適的教學(xué)模式。

中斷機(jī)制是嵌入式系統(tǒng)課程的核心知識(shí)點(diǎn)之一，涉及面廣，理解難度大，先導(dǎo)課程比如操作系統(tǒng)原理多是從理論到實(shí)例，沒(méi)有過(guò)渡到實(shí)操層面。圍繞課程內(nèi)容設(shè)置的“基于STM32F4外部中斷實(shí)現(xiàn)”的項(xiàng)目，采用PBL教學(xué)模式，以問(wèn)題為導(dǎo)向，一環(huán)套一環(huán)，逐步引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，完成教學(xué)任務(wù)。

2 基于PBL模式的中斷機(jī)制教學(xué)過(guò)程

以信息科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程兩個(gè)專業(yè)為例，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)設(shè)時(shí)間為大學(xué)第三學(xué)年第二學(xué)期，學(xué)生共同修完的相關(guān)課程有：C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)或計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)等，其中計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)修完數(shù)電模電、單片機(jī)課程。課程打破理論和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的界限，總學(xué)時(shí)64，以4學(xué)時(shí)為基本教學(xué)單元。其中，中斷機(jī)制分配4學(xué)時(shí)即1個(gè)集中教學(xué)單元。

2.1 課程硬軟件資源

授課地點(diǎn)是獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)機(jī)房，容納60+人次同時(shí)上課，網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

課程硬件資源：便攜式筆記本（學(xué)生自備）、STM32F407T芯片開(kāi)發(fā)板、J-Link仿真器、連接線兩根。

課程軟件資源：開(kāi)發(fā)編譯軟件Keil、STM32F4xx官方固件庫(kù)、代碼編輯軟件Source Insight、VNC屏幕分享軟件、課堂筆記軟件NotePad++以及驅(qū)動(dòng)工具等。

學(xué)生預(yù)先安裝好相關(guān)軟件，中斷機(jī)制的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)是基于STM32F4xx固件庫(kù)工程，編程語(yǔ)言C，關(guān)聯(lián)知識(shí)ARM匯編語(yǔ)言。

2.2 傳統(tǒng)教學(xué)模式與PBL教學(xué)模式

傳統(tǒng)“填鴨式”的教學(xué)方式下，關(guān)于中斷的教學(xué)過(guò)程如圖1所示。學(xué)生會(huì)在原理階段注意力開(kāi)始分散，在代碼實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)的環(huán)節(jié)出現(xiàn)“掉鏈子”，最后在編碼階段大部分同學(xué)都會(huì)出現(xiàn)“茫然”癥狀，教學(xué)效果就只會(huì)大打折扣。這個(gè)模式關(guān)鍵問(wèn)題在于兩點(diǎn)：一是“知”與“行”在時(shí)空上被分隔了，形式上原理的講解是為了編碼實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上兩者沒(méi)有被有機(jī)結(jié)合在一起，更談不上融合。二是，教師和學(xué)生各自為政，教師是教授的主體，而非引導(dǎo)者，推動(dòng)者;學(xué)生則一直處于被動(dòng)被灌注知識(shí)點(diǎn)的狀態(tài)，在聽(tīng)的階段大腦活動(dòng)是惰性的，學(xué)生對(duì)于這個(gè)原理有何用途為何而用是沒(méi)有概念和意識(shí)的，也就談不上主觀能動(dòng)性被調(diào)動(dòng)，進(jìn)入主動(dòng)去求知的狀態(tài)了。

2.3 PBL模式下的中斷機(jī)制教學(xué)過(guò)程

“中斷”作為教學(xué)的核心內(nèi)容之一被劃分到課程體系的第4個(gè)項(xiàng)目“STM32F4_中斷機(jī)制”中，目的是基于STM32固件庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)按鍵中斷控制LED燈。下面是相應(yīng)的PBL模式下的中斷機(jī)制教學(xué)過(guò)程案例。案例中涉及的主要角色包括：引導(dǎo)者教師（簡(jiǎn)稱T），主體方學(xué)生（簡(jiǎn)稱S）。

初始階段：

T給出“問(wèn)題”代碼。

uint8_t value = GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）;

if（！value）? led_loop（）;

S回應(yīng)，可能的問(wèn)題是程序，系統(tǒng)一直在詢問(wèn)value，這會(huì)浪費(fèi)系統(tǒng)資源。

T補(bǔ)充說(shuō)明：這種編程方式會(huì)一直占用CPU、BUS等資源，還存在時(shí)間差，導(dǎo)致響應(yīng)不及時(shí)。

S 接受這個(gè)知識(shí)點(diǎn)：輪詢方式不合適。

T 拋出問(wèn)題：更好的方式是什么？

S 因?yàn)橄葘?dǎo)課程中有中斷的概念，會(huì)很直接說(shuō)“中斷”，但是通常只會(huì)背記中斷概念，不知道能做什么。

第一階段：

T 給出項(xiàng)目任務(wù)：用更好的方式“中斷機(jī)制”來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵點(diǎn)燈，具體要求按下K2，LED0就亮了，再按下LED0就滅了。給出任務(wù)之后，只是追問(wèn)S怎么做，而“回避”講解知識(shí)。

S 主動(dòng)翻看原理圖，記下K2、LED0對(duì)應(yīng)的GPIO引腳;翻看數(shù)據(jù)手冊(cè)。

T 提示ARM Cortex M4中斷機(jī)制：中斷控制器的角色是“通知”MCU，有“事”（中斷事件）啦，MCU會(huì)停止正在做的程序事件，轉(zhuǎn)而中斷處理。再次提問(wèn)：MCU怎么知道處理什么事件？

S 知道“中斷向量表”但不知道對(duì)應(yīng)工程中的向量表在哪里。

T 引導(dǎo)學(xué)生在startup_stm32f40xx.s代碼中找到如下代碼

_Vectors? ? ? ? DCD? ? ?__initial_sp

DCD? ? ?Reset_Handler

DCD? ? ?EXTI0_IRQHandler

S 記下中斷響應(yīng)函數(shù)名，不知道如何寫中斷響應(yīng)函數(shù)。

T 簡(jiǎn)要介紹中斷響應(yīng)函數(shù)的特點(diǎn)，特別說(shuō)明與普通函數(shù)的區(qū)別。并重點(diǎn)提示編碼階段：中斷響應(yīng)函數(shù)不用申明，被動(dòng)調(diào)用。

第二階段：

T按鍵中斷是外部中斷，STM32F4xx中外部中斷EXTI的控制流程是什么？VNC分享流程圖見(jiàn)圖2，說(shuō)明這就是工程師從數(shù)據(jù)手冊(cè)中挖出來(lái)的編程指南。

S 如何實(shí)現(xiàn)？怎么編碼？

第三階段：初始化編碼實(shí)現(xiàn)

T 打開(kāi)Source Insight，做中學(xué)。

S 創(chuàng)建key_int.h/key_int.c。

T 分享屏幕，與學(xué)生同步敲代碼，一同完成GPIO_Init（），重點(diǎn)提問(wèn)GPIO_Mode是什么？

S 回答GPIO_Mode_In 。

T 給出SYSCFG_EXTILineConfig（），提問(wèn)怎么填寫？

S 按照原理圖標(biāo)識(shí)K2對(duì)應(yīng)PA0引腳：EXTI_PortSourceGPIOA，EXTI_PinSource0。

T 給出EXTI_Init（）函數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生理解結(jié)構(gòu)體每一個(gè)元素含義，正確編碼。

S完成如下代碼并完成相關(guān)注釋。

EXTI_InitTypeDef e;

e.EXTI_Line=EXTI_Line0;

e.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

e.EXTI_LineCmd=ENABLE;

e.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;

EXTI_Init（&e）;

T 給出NVIC_PriorityGroupConfig（）與NVIC_Init（），講解優(yōu)先級(jí)知識(shí)點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生理解編碼。

S 完成如下代碼并完成相關(guān)注釋。

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;

NVIC_InitTypeDef ic;

ic.NVIC_IRQChannel=EXTI0_IRQn;

ic.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

ic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;

ic.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

NVIC_Init（&ic）;

第四階段：中斷響應(yīng)函數(shù)編碼實(shí)現(xiàn)

T 中斷響應(yīng)函數(shù)的構(gòu)架是什么？怎么就知道中斷發(fā)生了呢？執(zhí)行完了一定不要忘記清理中斷。

S 函數(shù)名與中斷向量表中標(biāo)注一致，怎么寫不知道。

T 給出一對(duì)CP函數(shù)：ITStatus EXTI_GetITStatus（uint32_t EXTI_Line）;

void EXTI_ClearITPendingBit（uint32_t EXTI_Line）;指導(dǎo)學(xué)生完成中斷響應(yīng)函數(shù)的框架。

S 根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)完成最后的代碼。

通過(guò)VNC分享屏幕，T在代碼編寫階段同步示范的編碼規(guī)范。

最后階段：

S 編譯、下載燒錄 運(yùn)行，測(cè)試功能。

T 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以學(xué)生為主體分析解決問(wèn)題。

3 PBL模式下教學(xué)過(guò)程分析與教學(xué)效果

這個(gè)過(guò)程有兩個(gè)方面明顯的變化：一方面是教師角色的變化。PBL模式以問(wèn)題為導(dǎo)向，教師在教學(xué)過(guò)程中演變成問(wèn)題引導(dǎo)者，推動(dòng)著項(xiàng)目任務(wù)向前;同時(shí)也是學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)候的解惑者，偶爾也是學(xué)生忽視問(wèn)題的提醒者，教師變得被需要，也重要。

另一方面，知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)方式的變化。中斷機(jī)制包含的知識(shí)點(diǎn)多且雜，整體打包給學(xué)生肯定不受待見(jiàn)。在PBL教學(xué)過(guò)程中，知識(shí)點(diǎn)被分解，被設(shè)計(jì)分化成塊，“因地制宜”地融入在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中。比如，中斷控制器NVIC的優(yōu)先級(jí)配置，是因?yàn)閷W(xué)生編碼需要才說(shuō)明，中斷狀態(tài)獲取函數(shù)是因?yàn)榧磿r(shí)要用，才學(xué)習(xí)。知行在不知不覺(jué)中融合成整體。

2018級(jí)軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專業(yè)169名學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)反饋表明：90%學(xué)生在課堂期間完成課程項(xiàng)目任務(wù);課程結(jié)束意見(jiàn)反饋中95%學(xué)生留言：課程干貨滿滿，有較大收獲。

4 結(jié)論

PBL模式下教學(xué)過(guò)程中的學(xué)生被一環(huán)接一環(huán)的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)著主動(dòng)求解獲取相關(guān)知識(shí)。學(xué)生因?yàn)橛辛嗣鞔_的需求而樂(lè)學(xué)。過(guò)程中的教師因?yàn)椴粩啾凰枰?，而?lè)教。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主觀能動(dòng)性大幅提高，教師的教書育人熱情也被激發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] A. Kolmos， E. de Graaff. Problem-based and project-based learning in engineering education. Cambridge handbook of engineering education research. 2014：141-161.

[2]孫青，李輝勇.面向?qū)W生工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2020（3）：136-140.

[3]孫宇丹，劉強(qiáng)，曹豐慧.基于工程教育認(rèn)證的“嵌入式系統(tǒng)”課程改革與探索[J].工業(yè)和信息化教育，2019，14（8）：38-43.

[4]李江昊，劉豐，王偉.理論實(shí)踐強(qiáng)結(jié)合性課程知行合一教學(xué)改革與探索[J]計(jì)算機(jī)教育，2020（6）：179-183.

[5]韓琛曄，田云霞，張微微.基于 PBL 教學(xué)理念的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2020（11）：72-75.

[6]王寶珠，李文娟.競(jìng)教結(jié)合+項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（32）：160-161，164.

[7]林榮霞，盧清秀，吳挺.基于產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人模式下的嵌入式系統(tǒng)課程改革[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（32）：139-140.

[8]竇亞玲，周龍，蔡美玲.“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建探索與實(shí)踐[J]科教導(dǎo)刊，2020（35）：112-113.

【通聯(lián)編輯：王力】