牛繼高， 徐春華， 丁舟波， 朱從云

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)硬件和軟件結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的一個(gè)專(zhuān)門(mén)裝置，可以完成特定的功能和任務(wù)，能夠在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下獨(dú)立地對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制[1]。在車(chē)輛工程研究生培養(yǎng)中，“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是一門(mén)重要課程，涉及到的前期課程包括“C語(yǔ)言”、“單片機(jī)”、“操作系統(tǒng)原理”等。由于進(jìn)修此門(mén)課程的研究生基礎(chǔ)知識(shí)的參差不齊以及學(xué)時(shí)數(shù)的限制，傳統(tǒng)的單向講授的知識(shí)傳輸方式，難以使學(xué)生直接體驗(yàn)到所學(xué)的知識(shí)內(nèi)涵，極易造成學(xué)生思維和學(xué)習(xí)的被動(dòng)，削弱他們學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力[2]。如何將各方面的知識(shí)進(jìn)行有機(jī)組合，既不脫離課程的教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容，又能做到抓住重點(diǎn)有的放矢，使研究生盡快掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，是任課教師亟待解決的一個(gè)重要課題。

案例式教學(xué)提供了融入實(shí)際工程背景的案例，其本質(zhì)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的互動(dòng)式教學(xué)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)課程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[3]。目前我國(guó)高校的許多課程都采用了案例式教學(xué)模式，并取得了良好效果。

本文基于我校研究生教育質(zhì)量提升工程項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，探討“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”研究生課程案例式教學(xué)的模式和方法。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的制約

傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)，教師通常以多媒體的形式在臺(tái)上講解，學(xué)生在臺(tái)下被動(dòng)接受，整個(gè)教學(xué)過(guò)程刻板枯燥，學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情受到抑制[4]；

在我院“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)上，選修此課的研究生中有一部分之前未學(xué)過(guò)“C語(yǔ)言”或“單片機(jī)”等課程，缺乏微控制器硬件和軟件的知識(shí)，只是由于畢業(yè)課題或?qū)燀?xiàng)目的需要選修了這門(mén)課程。由于學(xué)時(shí)數(shù)的限制，在課堂上大幅穿插補(bǔ)充這部分基礎(chǔ)理論知識(shí)也顯得不現(xiàn)實(shí)。

除此以外，該課程傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)數(shù)少，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和功能簡(jiǎn)單，與工程應(yīng)用場(chǎng)景不相匹配。當(dāng)遇到實(shí)際工程項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生常因不知從何處下手而表現(xiàn)得束手無(wú)策?？傊?，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不利于學(xué)生主觀能動(dòng)性的調(diào)動(dòng)以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，無(wú)法達(dá)到綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程中實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)目標(biāo)。

2 案例式教學(xué)法的具體實(shí)踐

研究生課程教學(xué)具有很強(qiáng)的針對(duì)性，學(xué)生在關(guān)注理論知識(shí)的同時(shí)，更期望實(shí)際工程應(yīng)用能力的獲得。因此，我院“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程案例式教學(xué)的目標(biāo)是通過(guò)該門(mén)課程的教學(xué)，使研究生能具備簡(jiǎn)單電控項(xiàng)目應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的能力。

2.1 案例式教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化及案例選取

目前汽車(chē)電子控制領(lǐng)域廣泛采用飛思卡爾(Freescale)微控制器芯片作為電控單元的CPU，其產(chǎn)品范圍包含了8位、16位和32位單片機(jī)。因此我院“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程選用基于Freescale HCS12微控制器芯片系列的教材進(jìn)行教學(xué)，內(nèi)容包括微控制器結(jié)構(gòu)、最小系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、輸入/輸出接口、串行通信接口SCI/SPI、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、定時(shí)器接口、CAN總線以及uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等。由于原教材內(nèi)容多側(cè)重于基礎(chǔ)理論和各模塊寄存器的介紹，顯得內(nèi)容枯燥、知識(shí)點(diǎn)繁多且不容易理解，教材中選取的范例不僅數(shù)量少且缺乏典型性、新穎性和系統(tǒng)性。

為了開(kāi)展案例式教學(xué)，原教材內(nèi)容需要優(yōu)化，即理論知識(shí)做到“必須、夠用”即可，對(duì)那些通過(guò)課堂案例剖析就可以獲得的理論知識(shí)應(yīng)進(jìn)行刪減，如陳述性的知識(shí)以及對(duì)各模塊寄存器的介紹等[5]；對(duì)原教材中略講或末講的而工程應(yīng)用中又非常重要的知識(shí)要予以增加，如PID閉環(huán)控制、LIN通信和uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植方法及應(yīng)用等。我們特別加強(qiáng)了對(duì)這類(lèi)案例的選取和教學(xué)上的設(shè)置。

本教研室教師歷時(shí)四年與某汽車(chē)電子電器生產(chǎn)企業(yè)合作，參與了車(chē)身智能控制系統(tǒng)BCM、電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)VCU、汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入和一鍵啟動(dòng)控制系統(tǒng)PEPS等大型項(xiàng)目的研發(fā)，積累了豐富的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)制作了一批“ECU+負(fù)載箱”形式的案例式教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)與企業(yè)的項(xiàng)目合作，明確了企業(yè)對(duì)人才的需求以及學(xué)生應(yīng)該具備的知識(shí)和能力，在此基礎(chǔ)上對(duì)照“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的教學(xué)大綱，將課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行模塊化分解，然后根據(jù)知識(shí)點(diǎn)選擇具有工程背景的典型案例，要求知識(shí)點(diǎn)與典型案例之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，同時(shí)選取的案例要能夠有效涵蓋教學(xué)大綱的內(nèi)容。

在嵌入式系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，各知識(shí)點(diǎn)之間不是孤立的關(guān)系，而是相互配合協(xié)調(diào)統(tǒng)一的有機(jī)整體。因此案例的選取應(yīng)遵循先易后難、循序漸進(jìn)的原則，后續(xù)案例應(yīng)盡可能地涵蓋之前案例中的知識(shí)點(diǎn)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜邏輯關(guān)系的能力?；诠こ瘫尘暗陌咐x取如表1所示，其中，PID閉環(huán)控制和LIN通信屬于新增案例。

表1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)案例設(shè)置

表1中設(shè)置了11個(gè)教學(xué)案例，從較簡(jiǎn)單的CPU設(shè)置、輸入輸出控制逐漸過(guò)渡到中等難度的脈沖捕捉、CAN通信技術(shù)，再到最難的LIN、uC/OS-II移植方法及應(yīng)用，案例所包含的知識(shí)點(diǎn)能夠覆蓋嵌入式系統(tǒng)課程的基本教學(xué)內(nèi)容，案例的順序符合由淺入深的學(xué)習(xí)規(guī)律。從表1可以看出，教學(xué)案例的設(shè)置具有典型的工程應(yīng)用背景，一方面有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，另一方面也突出體現(xiàn)了案例的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有利于學(xué)生所學(xué)知識(shí)與企業(yè)需求接軌。

2.3 多元化的教學(xué)方法

研究生課程教學(xué)具有小班上課，學(xué)生人數(shù)少，教學(xué)資源相對(duì)豐富的特點(diǎn)，如每位研究生均可配置一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因此非常適合采用多元化的教學(xué)方法。基于Freescale微控制器和CodeWarrior編譯環(huán)境的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，軟件工程師已普遍采用可自動(dòng)生成代碼的Processor Expert(簡(jiǎn)稱PE，下同)模式，與手寫(xiě)代碼相比，PE模式下生成的代碼具有開(kāi)發(fā)周期短、運(yùn)行效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。鑒于目前介紹PE使用方法的資料很少，本教研組教師對(duì)Freescale微控制器各內(nèi)設(shè)模塊的PE設(shè)置和使用方法，進(jìn)行歸納總結(jié)，并作為所選課程的輔助教材。

在“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”案例式教學(xué)過(guò)程中，案例的實(shí)現(xiàn)是教學(xué)的關(guān)鍵，為了獲得最佳的教學(xué)效果，課堂教學(xué)采用現(xiàn)場(chǎng)編程的方式，主要包含以下四個(gè)環(huán)節(jié)。

(1)現(xiàn)場(chǎng)編程。首先概括性闡述案例功能及其工程應(yīng)用的背景，使學(xué)生對(duì)將要學(xué)習(xí)的案例有個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，然后基于“ECU+負(fù)載箱”實(shí)物平臺(tái)和多媒體設(shè)備，任課教師逐項(xiàng)完成工程建立、各PE模塊設(shè)置、編寫(xiě)主程序代碼、程序編譯、調(diào)試及運(yùn)行等操作，直至程序成功運(yùn)行。

(2)講解案例背景程序。案例背景程序是指已在工程中得到應(yīng)用的產(chǎn)品級(jí)代碼，例如表1中的CAN通信，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品級(jí)代碼即為采用分布式控制的PEPS應(yīng)用程序。產(chǎn)品級(jí)代碼的引入有利于學(xué)生獲取對(duì)所學(xué)知識(shí)的信任感，同時(shí)也拉近了理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的距離。

(3)提問(wèn)與討論。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)編程過(guò)程中采用的方法和技巧，通過(guò)提問(wèn)的方式拓寬學(xué)生的認(rèn)知思路，并就重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)討論。例如，GPIO案例中關(guān)于按鍵防抖問(wèn)題的提出、AD采樣案例中采樣結(jié)果的濾波問(wèn)題等。

(4)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。一方面，課堂上要求學(xué)生跟隨教師的現(xiàn)場(chǎng)編程步驟，在各自的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上動(dòng)手實(shí)踐；另一方面，由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編程方法比較靈活，即采用不同的軟件算法可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，區(qū)別在于優(yōu)秀算法的運(yùn)行效率高、可靠性好，因此在課堂上鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)編程方法提出不同的改進(jìn)意見(jiàn)，并現(xiàn)場(chǎng)予以驗(yàn)證。

通過(guò)多元化的教學(xué)方法學(xué)生對(duì)需要掌握的知識(shí)產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性、主動(dòng)性和實(shí)踐能力也得到了進(jìn)一步的提高，同時(shí)也為研究生課下主動(dòng)學(xué)習(xí)補(bǔ)足短板注入了動(dòng)力。

3 案例式教學(xué)的考核方式和效果

“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”研究生課程原先的成績(jī)?cè)u(píng)定采用“平時(shí)成績(jī)30分+期末小論文70分”的方式，考核方式單一。在案例式教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)案例接觸到新知識(shí)，然后通過(guò)課下的鉆研和實(shí)踐，使獲得的知識(shí)得到鞏固和擴(kuò)展。因而，該門(mén)課程的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)改用“課堂30分+課下30分+期末綜合設(shè)計(jì)40分”的考核新模式。其中，“課堂30分”根據(jù)學(xué)生在課堂上對(duì)各個(gè)案例的掌握情況來(lái)打分，主要包括課堂教學(xué)過(guò)程中“提問(wèn)與討論”和“學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐”環(huán)節(jié)的得分。學(xué)生課下的實(shí)踐過(guò)程是案例式教學(xué)的重要一環(huán)，是集資料檢索、相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)、硬件電路搭建、軟件算法編寫(xiě)、程序調(diào)試與糾錯(cuò)等工作于一體，全面提升動(dòng)手能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的一個(gè)過(guò)程。學(xué)生課下的實(shí)踐過(guò)程以項(xiàng)目的形式展開(kāi)，具體操作方法如下：圍繞每個(gè)案例涵蓋的知識(shí)點(diǎn)提出若干項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目均有不同功能要求，學(xué)生依據(jù)項(xiàng)目功能開(kāi)展課下工作，任課教師根據(jù)項(xiàng)目的完成情況(如代碼合理性、執(zhí)行效率和創(chuàng)新性等)進(jìn)行打分。

期末成績(jī)則采用綜合設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行評(píng)定，要求學(xué)生基于uC/OS-II架構(gòu)完成一個(gè)多任務(wù)并行應(yīng)用程序，程序所要完成的功能由學(xué)生自定，但應(yīng)盡可能地包含之前所學(xué)案例中的知識(shí)點(diǎn)。綜合設(shè)計(jì)開(kāi)始前學(xué)生首先寫(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，闡述任務(wù)所能實(shí)現(xiàn)的功能、涵蓋的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)施方案以及所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。綜合設(shè)計(jì)結(jié)束后學(xué)生寫(xiě)出總結(jié)報(bào)告，然后由教研組教師組成專(zhuān)家組對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考核，并根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給出期末綜合設(shè)計(jì)的成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

我院針對(duì)研究生課程“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)時(shí)數(shù)少、涉及的基礎(chǔ)知識(shí)多、教學(xué)內(nèi)容實(shí)踐性強(qiáng)和工程應(yīng)用能力要求高的特點(diǎn)，對(duì)該門(mén)課程的案例式教學(xué)方法進(jìn)行了探索，實(shí)踐結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)案例式教學(xué)實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)向案例的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

(2)基于工程背景的案例選取和產(chǎn)品級(jí)代碼的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)案例知識(shí)的認(rèn)同感，拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)思路。

(3)課堂和課下并重的考核方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立鉆研和獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，為研究生后續(xù)的項(xiàng)目開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 王宜懷, 劉曉升, 等. 嵌入式系統(tǒng)--使用HCS12微控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

[2] 張磊, 王少清, 周鵬, 等. 案例式教學(xué)法在內(nèi)科學(xué)教學(xué)中的的應(yīng)用[J]. 成都院學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 5(1): 91-92.

[3] 謝曉霞, 羅鵬飛, 張權(quán). “隨機(jī)信號(hào)分析與處理”課程案例式教學(xué)的實(shí)踐[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 33(6): 95-97.

[4] 周一恒, 王軍, 毛會(huì)瓊, 牛小玲. “嵌入式系統(tǒng)”課程項(xiàng)目引領(lǐng)式教學(xué)[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2016，38(6): 38-41.

[5] 李鴻. 高職“電子測(cè)量技術(shù)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(6): 59-62.