“嵌入式系統”項目驅動教學模式的研究

南京林業大學機械電子工程學院 張 浩

“嵌入式系統”項目驅動教學模式的研究

南京林業大學機械電子工程學院 張 浩

針對高校嵌入式教學所遇到的問題，探討一種項目驅動式的嵌入式系統教學模式。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，要求學生分組逐步完成各個模塊功能，然后聯調整合成一個完整項目。在項目驅動下，使學生掌握嵌入式原理，理解嵌入式系統的主要結構，同時鍛煉學生的工程實踐能力。

項目教學法；嵌入式系統

1 引言

與一般工學課程不同，“嵌入式系統”課程是一門以應用為目的的實踐課[1]。目前，“嵌入式系統”課程教學大多采用傳統專業課程的教學方法，強調嵌入式系統知識的完整性和系統性、重點放在講授嵌入式系統知識的科學原理和抽象應用，其教學模式更適合于研究生教學[2,3]。對于普通高等院校辦學，執行的是厚基礎、寬口徑的人才培養模式，本科專業課的學時一再壓縮，如何在有限的時間內最大的提升教學質量，是本文的主要關注點[4]。

筆者結合本專業的實際情況，經過長期實踐摸索，總結出一套項目驅動式的“嵌入式系統”教學模式，設計一個難易適中、實際可行的柔性數據測量儀課題，基于已有的硬件平臺進行操作，實現理論教學與實踐同步進行, 提高學生的綜合工程能力。

2 “嵌入式系統”教學特點

“嵌入式系統”的教學體現了基礎性、綜合性和實踐性的特點，是理論與實踐相結合的課程。嵌入式系統開發需要軟件、硬件設計的結合，開發基礎要求高，涉及計算機、電子、通信和自動控制等學科，內容綜合性強。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效果，只有付諸實踐，才能使學生真正掌握嵌入系統復雜的開發流程和軟硬件操作[5,6]。

3 項目驅動式教學法

教學模式以項目為主線展，主要包括項目設計和教學實施兩方面內容。

3.1 項目設計

項目設計包括項目任務設計和項目分解。

（1）項目任務設計

項目教學法的關鍵之一就是選擇一個合適的項目應用于課程教學。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的先進性和實用性，從而提高學生的學習興趣；第二，項目要滿足課程知識構建的需要，涵蓋嵌入式系統各個知識點，并與教學大綱吻合；第三，項目的結構要難易適中并具有擴展性，可適應規定的課時，同時保留創新空間[7]。

在實際教學中，選擇了柔性數據測量儀作為嵌入式系統的教學項目[1]。對于多數靜態測量對象，測量儀器通常具備以下幾個部分：傳感器、信號調理電路、數據采集和數據處理顯示單元。針對不同的傳感器，配套專用信號調理電路，將被測量轉換為直流電壓或電流量，然后通過ADC采樣轉換成數字信號，最終利用處理器進行基本的數據處理、顯示和儲存。以上功能皆可基于嵌入式系統及實驗平臺實現。整個課題面向實際應用，結構清晰，知識點基本涵蓋教學大綱，便于分類分組教學使用。在總體框架確定后，各部分內容可以根據教學要求任意調整，為學生思維擴展和創新留有空間。

（2）項目分解

對于本科生而言，一個完整項目內容難度過大，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轉換，按鍵設置、液晶顯示、數據存儲，計算機接口等功能模塊。每一個模塊可以單獨開發。教師引導學生對系統進行需求分析，了解各個功能模塊的要素和設計的步驟，重點點明各個功能模塊開發的難點。對應模塊的難點分別為：A/D轉換器驅動與濾波技術、矩陣鍵盤驅動和去抖、液晶驅動、數據存儲分類與查詢和計算機接口協議與校驗方式。

3.2 教學實施

教學實施包括知識學習和教學條件。

（1）知識學習。

“嵌入式系統”教學特點要求學生具有一定的知識儲備，即基礎性。對于“嵌入式系統”這門課程來說，這些相關知識主要是硬件基礎、STM32F103寄存器功能，固件函數庫，μcosII系統結構與操作等知識。這些內容極其繁雜，有些知識點需要理解記憶，有些則只需要用時查表，因此在講授這些內容時應本著從簡單到復雜，以點帶面的原則。

“嵌入式系統”教學綜合性特點。圍繞各個模塊所需的知識點，將已經完成的有關項目和模塊的硬件與源程序展示給學生，層層遞進引導同學了解各個知識點，從基礎到綜合。同時輔以實驗操作訓練，實現預定功能。

“嵌入式系統”教學實踐性體現。第三個階段則是模塊聯調階段，將前面所有功能模塊整合起來，完成柔性數據測量儀項目。

（2）將課堂轉移到實驗室，實施教師邊教、學生邊練，克服傳統課堂講授教學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，學生主要是在已有的實驗平臺上實現軟件功能。程序采用μcosII嵌入式系統，并使用STM32的固件函數庫在RealViewMDK環境下編寫。

4.學生考核評價

學生學習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。根據學校課程考核要求，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，開卷考試的成績區分度不大。平時成績，則采取多元化要求，評價不僅注重結果，還要體現項目實施過程。評價指標體現在各個模塊的完成度、完成質量和創新情況等，項目報告等環節也可在平時成績中占據一定比例。

5.討論

作為一門實踐性強、側重應用和技術更新快的“嵌入式系統”課程，需要不斷完善教學和實踐內容，不斷探索更加靈活、有效的教學方法。項目驅動式教學法是通過選取“項目”來創建“情景”，通過“協作學習”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過程，它從簡單到復雜，從模仿到創新，引導學生由淺入深、由點到面完成項目，實現理論教學與軟件開發實踐的有機結合，最終完成真正意義上的知識建構。

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

[2]朱華生.改進型項目教學法在嵌入式系統教學中的應用[J].南昌工程學院學報,2011(2):103-107.

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

[4]董毅.新建地方本科院校應用型人才培養方案的設計[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教學[J].中國科技信息, 2008(20):257-259.

[6]李巖,王小玉,孫永春.嵌入式系統教學研究[J].電氣電子教學學報, 2006(3):45-47.

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

張浩（1979—），男，齊齊哈爾人，副教授，現供職于南京林業大學機電學院。

本文系“2016年南京林業大學教學質量提升工程”（項目編號：00644-03-00957）的研究成果。