南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 張 浩

“嵌入式系統(tǒng)”項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的研究

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 張 浩

針對(duì)高校嵌入式教學(xué)所遇到的問(wèn)題，探討一種項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式。選擇合適的嵌入式項(xiàng)目，分解為多個(gè)模塊，層層遞進(jìn)講解各模塊知識(shí)點(diǎn)，要求學(xué)生分組逐步完成各個(gè)模塊功能，然后聯(lián)調(diào)整合成一個(gè)完整項(xiàng)目。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(shí)鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

項(xiàng)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(shí)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(qiáng)調(diào)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性、重點(diǎn)放在講授嵌入式系統(tǒng)知識(shí)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(duì)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(shí)一再壓縮，如何在有限的時(shí)間內(nèi)最大的提升教學(xué)質(zhì)量，是本文的主要關(guān)注點(diǎn)[4]。

筆者結(jié)合本專業(yè)的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐摸索，總結(jié)出一套項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)模式，設(shè)計(jì)一個(gè)難易適中、實(shí)際可行的柔性數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x課題，基于已有的硬件平臺(tái)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐同步進(jìn)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(diǎn)

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

3 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法

教學(xué)模式以項(xiàng)目為主線展，主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施兩方面內(nèi)容。

3.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目分解。

（1）項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)

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

在實(shí)際教學(xué)中，選擇了柔性數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x作為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目[1]。對(duì)于多數(shù)靜態(tài)測(cè)量對(duì)象，測(cè)量?jī)x器通常具備以下幾個(gè)部分：傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示單元。針對(duì)不同的傳感器，配套專用信號(hào)調(diào)理電路，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為直流電壓或電流量，然后通過(guò)ADC采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終利用處理器進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)處理、顯示和儲(chǔ)存。以上功能皆可基于嵌入式系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)課題面向?qū)嶋H應(yīng)用，結(jié)構(gòu)清晰，知識(shí)點(diǎn)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(kuò)展和創(chuàng)新留有空間。

（2）項(xiàng)目分解

對(duì)于本科生而言，一個(gè)完整項(xiàng)目?jī)?nèi)容難度過(guò)大，所以要將項(xiàng)目分解成若干個(gè)模塊，并將重要知識(shí)點(diǎn)融入到各個(gè)模塊之中[1]。一般來(lái)說(shuō)，柔性測(cè)量?jī)x可包含A/D轉(zhuǎn)換，按鍵設(shè)置、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)接口等功能模塊。每一個(gè)模塊可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，了解各個(gè)功能模塊的要素和設(shè)計(jì)的步驟，重點(diǎn)點(diǎn)明各個(gè)功能模塊開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。對(duì)應(yīng)模塊的難點(diǎn)分別為：A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)與濾波技術(shù)、矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)和去抖、液晶驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分類與查詢和計(jì)算機(jī)接口協(xié)議與校驗(yàn)方式。

3.2 教學(xué)實(shí)施

教學(xué)實(shí)施包括知識(shí)學(xué)習(xí)和教學(xué)條件。

（1）知識(shí)學(xué)習(xí)。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)特點(diǎn)要求學(xué)生具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，即基礎(chǔ)性。對(duì)于“嵌入式系統(tǒng)”這門課程來(lái)說(shuō)，這些相關(guān)知識(shí)主要是硬件基礎(chǔ)、STM32F103寄存器功能，固件函數(shù)庫(kù)，μcosII系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作等知識(shí)。這些內(nèi)容極其繁雜，有些知識(shí)點(diǎn)需要理解記憶，有些則只需要用時(shí)查表，因此在講授這些內(nèi)容時(shí)應(yīng)本著從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以點(diǎn)帶面的原則。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)綜合性特點(diǎn)。圍繞各個(gè)模塊所需的知識(shí)點(diǎn)，將已經(jīng)完成的有關(guān)項(xiàng)目和模塊的硬件與源程序展示給學(xué)生，層層遞進(jìn)引導(dǎo)同學(xué)了解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，從基礎(chǔ)到綜合。同時(shí)輔以實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)踐性體現(xiàn)。第三個(gè)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(lái)，完成柔性數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x項(xiàng)目。

（2）將課堂轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，實(shí)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(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中采用小班授課。一般不超過(guò)20人，以組為單位，每組人員2-3人為宜。柔性測(cè)量?jī)x主要有多個(gè)個(gè)功能模塊，難度逐漸加大，各組逐步完成以上模塊。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生主要是在已有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)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(kù)在RealViewMDK環(huán)境下編寫。

4.學(xué)生考核評(píng)價(jià)

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

5.討論

作為一門實(shí)踐性強(qiáng)、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(shí)踐內(nèi)容，不斷探索更加靈活、有效的教學(xué)方法。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法是通過(guò)選取“項(xiàng)目”來(lái)創(chuàng)建“情景”，通過(guò)“協(xié)作學(xué)習(xí)”的方式開(kāi)展研究，通過(guò)完成“項(xiàng)目”來(lái)達(dá)到對(duì)科技知識(shí)的掌握。作為一個(gè)完整的教學(xué)過(guò)程，它從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從模仿到創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、由點(diǎn)到面完成項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，最終完成真正意義上的知識(shí)建構(gòu)。

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

[2]朱華生.改進(jìn)型項(xiàng)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(bào),2011(2):103-107.

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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(jī)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(xiàng)目編號(hào)：00644-03-00957）的研究成果。