項目驅動法在嵌入式系統課程體系實踐教學中的應用

穆莉莉 張新 楊洪濤

摘要： 本文針對測控專業嵌入式系統課程體系實踐教學中存在的動手能力、創新意識普遍不足的問題，提出采用項目驅動法實施嵌入式系統實踐教學。以實例探討項目驅動法進行實踐教學的模式和方法，實踐表明，項目驅動法能將測控專業嵌入式系統課程體系理論教學與實踐環節有機地結合起來，可大大提高學生的工程素質和實踐創新能力。

關鍵詞： 項目驅動嵌入式系統教學改革

1.引言

嵌入式系統是以微控制器為核心，將其嵌入到產品或設備中以實現功能數字化和智能化的系統。應用領域十分廣泛，覆蓋了消費類電子、智能家電、工業控制、儀器儀表、汽車電子等行業。嵌入式系統已經成為后PC時代研究和應用的熱點，國家及企業對嵌入式人才的需求巨大。嵌入式系統已經成為電子信息學科的一個新的重要分支，國內許多高校已經開設了相關課程。

在本科階段如何培養具有專業工程意識，較強實踐能力的大學生是當前二十一世紀高等教育人才培養中的一個重要研究課題[1]。嵌入式系統課程體系所涉及的知識具有綜合性強、實踐性強兩大特點。傳統教學模式采用的還是一些重理論、輕實踐的授課方式，工程背景不強，綜合訓練程度不夠，無法培養學生學習的興趣，實踐動手能力普遍較弱，使得學生在課程結束后面對一個實際的嵌入式系統開發問題，仍然無從下手。針對上述問題，本文結合嵌入式系統課程體系的特點，從激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力，提高學生實踐能力、創新能力的角度，提出采用項目驅動法對嵌入式系統課程體系進行實踐教學改革[2]。

2.嵌入式課程體系內容

將本專業或跨專業培養方案中若干門在知識、方法、問題等方面有邏輯聯系的課程加以整合而形成的課程體系，因而課程體系所含的各門課程應具有相關性和整合性[2]。本科階段的課程體系既要重視基礎理論的學習，又要重視實踐性[3]。嵌入式系統課程體系包括專業基礎課、核心課及實踐課，其中基礎課程包括《電路》、《模擬電路》、《數字電路》、《C語言基礎》、《傳感器技術》、《電子線路CAD-PROTEL》等；核心課程包括《單片機原理及應用》、《ARM嵌入式系統原理》、《微機原理》等；實踐課包括核心課程的實驗和課程設計等。可見，嵌入式系統課程體系綜合性強，涉及的知識面廣，實踐性強，因此在實踐教學的時候必須將這些課程有機地組合在一起，綜合應用，從而融會貫通[4]。

3.項目驅動法的特點

項目驅動教學是一種建立在教學理論基礎上的實踐教學新方法，它是以學生為中心，在整個教學過程中由教師充當導師的角色，利用老師科研課題、各類創新課題或競賽項目同時具有嵌入式系統代表性的題目對學生進行實踐訓練，充分發揮學生的主動性、積極性和創造性，最終達到使學生有效地實現對所學知識進行鞏固的目的[5]。在這種模式中，學生是知識的主動建構者；教師是教學過程的組織者、指導者。與傳統的教學方法相比，“項目驅動法”能更大地激發學生的學習興趣和求知欲望，促使學生主動學習，充分發掘學生的創造潛能，提高學生的工程思維能力、實踐動手能力及團隊協作能力。

4.單片機課程項目驅動法教學的實施

4.1實施方法

項目實施時，一般由3人組成1個團隊，由教師下達統一的任務書，每人分工各有側重，如分別負責機械設計及制造、控制系統硬件設計、軟件設計、系統搭建與調試等部分。實施過程中，要求團隊成員通力協作，最終形成一套完整的裝置。項目選題是項目驅動法教學重要的研究內容之一，應滿足應用性、趣味性和啟發性的要求，精選適合學生實踐訓練的若干具體實際工程項目，例如2011年的實踐訓練項目為：激光自動循跡智能車、鍋爐自動給水系統、智能超聲波測距系統、智能門窗防盜應用系統、火車站臺警戒線警示應用系統、滾動電梯節能控制系統、商場客流量導購系統、單片機MP3系統。

通過解決具體工作任務，經歷嵌入式系統開發必需的幾個典型工作過程：設計要求分析、解決方案、硬件電路設計、軟件設計、仿真調試、PCB設計、軟硬件聯調、撰寫設計任務書、項目驗收答辯等。

4.2項目驅動法案例

在實踐教學中，選擇“激光自動循跡智能車”作為訓練項目是切實可行的。智能車的組成包括：機械和控制兩大組成部分。其中機械部分包括激光傳感器的支架設計、電路板的支架設計、舵機的轉向機構設計等；控制部分包括轉向控制、驅動控制、無線通信等，跑道有直線、直角彎、蛇形彎，智能車可通過安裝在車身上的激光組自動識別跑道上的黑線，確定自身位置，然后調整轉向和速度，不偏離跑道以最快速度跑完全程。該項目的控制系統以MC9S12G單片機為核心[6]，[7]，設計將涉及“電子技術”、“傳感與測試技術”、“自動控制基礎”、“微機原理與應用”、“計算機接口技術”等課程知識。該項目強調多門課程知識的有機融合，可以給學生提供較大的發揮空間。

智能車系統結構如圖1所示，硬件設計主要包括：①主控板；②用于識別跑道的激光傳感器模塊；③控制智能車轉向的舵機模塊；④控制智能車速度的電機控制模塊；⑤鍵盤和液晶顯示器的人機交互模塊；⑥智能車與計算機通信的無線發射模塊。

圖1智能車系統結構

總控軟件采用模塊化設計思想，如圖2所示。主程序系統初始化后，執行一次鍵盤掃描程序，然后反復運行液晶顯示程序，當2ms、4ms、6ms定時程序到時，則進入各自的中斷服務程序。

圖2軟件設計原理框圖

經過學生和老師的共同努力，該項目已在09級學生中完成車模機械制作、電路板設計及制作、軟件開發、順利調試通過。圖3為已調試成功的實物裝置。

圖3智能車實物圖

5.教學效果

“興趣激發、項目驅動、實踐教學”，讓學生親自動手完成工程領域的具體項目，最終完成產品開發的全過程，使學生通過項目實施促進對理論知識的掌握，并融會貫通，提高工程實踐能力和創新能力是項目驅動法最大的優勢。經過近年來的研究與實踐，我校測控專業學生在嵌入式系統課程實踐環節取得了較好的教學效果，學生的綜合素質得到大幅度提高，表現在學習主動性、積極性、動手能力、創新能力、團隊協作精神和協調能力等的全方面提高。測控專業的學生從2011年起組隊參加“飛思卡爾全國智能車競賽”以來取得了二等獎兩項，三等獎三項的好成績。

6.結語

通過項目驅動法實施嵌入式系統實踐教學改革，可全面培養學生在科學技術、個人與專業素質、人際能力等各個方面的能力，從而培養出本科層次的具備終身學習能力的高素質測控及機電專業應用和開發人才。

參考文獻：

[1]教育部.教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見，教思政[2012]1號.

[2]唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].北京：實驗室研究與探索，2010，29（5）：130.

[3]姚遙，耿文波，徐坤，等.以市場為導向的嵌入式系統課程群建設.電子設計工程，2011，19（17）：137.

[4]梁宜勇，王曉萍，趙文義，等.“嵌入式系統”課程教學與實踐探討[J].北京：中國大學教學，2009（5）：36.

[5]葛芬.項目驅動的嵌入式系統教學探討[J].北京：科技信息，2011，33：38.

[6]王威.HCS12微控制器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007，10.

[7]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京.清華大學出版社，2004.

安徽理工大學重點教研項目資助（2012jyxm）。