豐富多彩的專業(yè)課教學(xué)實(shí)踐

周秦武 張博 白平 陳星

[摘要]本文以提高生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，闡述了實(shí)踐性課程教學(xué)改革的主要內(nèi)容，討論了基礎(chǔ)理論教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科研項(xiàng)目案例教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與交流互動(dòng)、學(xué)科競(jìng)賽等教學(xué)方法，構(gòu)建了一套系統(tǒng)可行的實(shí)踐性專業(yè)課程教學(xué)方法，使專業(yè)課教學(xué)實(shí)踐貫穿于整個(gè)人才培養(yǎng)階段，在豐富多彩的教學(xué)內(nèi)容改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系方面進(jìn)行了積極地研究和探索。

[關(guān)鍵詞]課堂教學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì) 工程實(shí)踐 人才培養(yǎng)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品以其高性能、低功耗、應(yīng)用方案靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、軍事國(guó)防、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子等行業(yè)發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于各個(gè)科技領(lǐng)域和日常生活的每個(gè)角落。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，嵌入式系統(tǒng)在生理參數(shù)測(cè)量、傳輸、監(jiān)測(cè)，在完善醫(yī)療輔助設(shè)備，以及研發(fā)新型醫(yī)療儀器等方面都有著重要應(yīng)用。

本文針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生，在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中存在的問題，提出了一系列教學(xué)改革措施，改善工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程教學(xué)效果，使學(xué)生在有限的時(shí)間里獲得最大的收獲，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和設(shè)計(jì)等方面獲得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

一、單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐中存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難度較大，門檻較高，往往要求研發(fā)者具備良好的軟硬件知識(shí)和設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、測(cè)試技能，以及扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)。如何培養(yǎng)出具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐開發(fā)能力的高素質(zhì)研究型人才是學(xué)校嵌入式教學(xué)的首要任務(wù)[1]。

單片機(jī)與嵌入式技術(shù)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的內(nèi)容繁多，實(shí)踐性強(qiáng)。大學(xué)生如果能夠掌握相關(guān)技術(shù)，就能成為滿足實(shí)際研發(fā)需要的復(fù)合型工程技術(shù)人才。但是目前大學(xué)嵌入式人才培養(yǎng)和教學(xué)與企業(yè)科研需求之間存在一定的偏差，造成學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力不足，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)與人才需求出現(xiàn)了脫鉤[2，3]。主要問題表現(xiàn)在：

（1） 授課內(nèi)容過時(shí)、枯燥，不能緊跟嵌入式技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀，不能滿足實(shí)際需要；

（2） 對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的講授和配套實(shí)驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)重不足；

（3） 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，不注重學(xué)生的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)；

（4） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容單一，不具備研發(fā)價(jià)值。

二、教學(xué)改革實(shí)踐

作為全國(guó)最早開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)校，單片機(jī)教學(xué)始終是最重要的專業(yè)選修課之一，目前課程以ARM-V4版的RM7TDMI-S內(nèi)核為核心，以飛利浦公司的LPC2000系列單片機(jī)為應(yīng)用目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容、互動(dòng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、創(chuàng)新實(shí)踐等方面進(jìn)行了積極的探索和研究，使傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)踐課程煥發(fā)出新的光彩。

（一）堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

大學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該以理論學(xué)習(xí)為主，尤其是針對(duì)32位ARM單片機(jī)，必須搞清楚ARM7內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)，7種處理器工作模式的定義及特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令和16位的Thume指令使用，主要寄存器與基本外設(shè)定義等知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)理解這些基本概念對(duì)于掌握32位ARM單片機(jī)的工作原理，舉一反三，進(jìn)而熟悉相關(guān)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)提供了重要的基礎(chǔ)理論保障。

在程序設(shè)計(jì)方面采用大量程序設(shè)計(jì)實(shí)例，在講授程序設(shè)計(jì)思想的同時(shí)加速理解匯編語(yǔ)言使用方法，初步學(xué)習(xí)C交叉匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；在講述硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞單片機(jī)主要外設(shè)類型，不拘泥于具體單片機(jī)型號(hào)，以不同外設(shè)的基本工作原理和控制寄存器為主要內(nèi)容，同時(shí)增加應(yīng)用實(shí)例，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果；在課程配套實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)[4，5]，從操作技能學(xué)習(xí)到認(rèn)知技能學(xué)習(xí)，按照學(xué)生實(shí)踐技能學(xué)習(xí)基本規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了7個(gè)共16個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括了IO接口、基本外設(shè)，操作系統(tǒng)移植，數(shù)字信號(hào)處理，綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涵蓋了嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)要點(diǎn)，使學(xué)生在有限時(shí)間里就可對(duì)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)有一個(gè)較全面的學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)。

（二）利用優(yōu)勢(shì)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)課程實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，我們結(jié)合學(xué)校科研項(xiàng)目，對(duì)嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用方面進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐，突出了課程教學(xué)的實(shí)用性，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)內(nèi)容的工程觀念，取得了很好的教學(xué)效果。

我們將多參數(shù)生命參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入課堂教學(xué)，其硬件單元主要包括生理數(shù)據(jù)采集、ARM內(nèi)核、人機(jī)接口、SD卡存儲(chǔ)器、GPRS、GPS、電源管理等模塊，系統(tǒng)從溫度傳感器電路等模擬電路設(shè)計(jì)，到大容量鋰離子電池優(yōu)化和電源模塊設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到遠(yuǎn)程通訊規(guī)約設(shè)計(jì)、地理信息使用。在介紹這些軟硬件功能模塊基礎(chǔ)上，再引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，按照設(shè)備依賴性、關(guān)鍵性、緊迫性等任務(wù)劃分原則構(gòu)成一套多任務(wù)系統(tǒng)，逐步引入任務(wù)設(shè)計(jì)、時(shí)間管理、中斷管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理與同步，資源同步、數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵知識(shí)內(nèi)容，使學(xué)生在6-8個(gè)課時(shí)內(nèi)學(xué)習(xí)熟悉一種實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)和應(yīng)用環(huán)境的正確理解。

（三）重視互動(dòng)教學(xué)，追求質(zhì)量卓越

由于課時(shí)的限制，大量增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容是有一定困難的，為了能夠達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，增加了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，希望通過課外閱讀和研究，鞏固嵌入式單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用技能，課程設(shè)計(jì)的完成質(zhì)量則要通過PPT答辯互動(dòng)，師生共同評(píng)分進(jìn)行保障，使單個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容通過交流互動(dòng)達(dá)到全體共享，互相學(xué)習(xí)的目的。

課程設(shè)計(jì)包括三個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，2人一組，每組選擇一個(gè)任務(wù)題目進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，表1是部分課程設(shè)計(jì)題目，任務(wù)要求如下：

表1：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)選編

①完成一項(xiàng)有關(guān)單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)在日常生活方面應(yīng)用的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，要求有明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具體可行的設(shè)計(jì)參數(shù)和可能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。

②針對(duì)一種嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹和移植方法的研究。要求內(nèi)容包括內(nèi)核特點(diǎn)，進(jìn)程管理，內(nèi)存管理，移植方法、BSP（board support package）編程等。

③針對(duì)多種嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行深入的對(duì)比研究和綜述，選擇4種以上的操作系統(tǒng)，主要從任務(wù)調(diào)度機(jī)制，數(shù)據(jù)同步和通訊機(jī)制比較，內(nèi)存及數(shù)據(jù)架構(gòu)與管理，支持的硬件功能，中斷管理，實(shí)時(shí)性，市場(chǎng)份額，發(fā)展前景等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

通過2個(gè)月時(shí)間的研究準(zhǔn)備，在學(xué)期末進(jìn)行全體師生共同參加的課程設(shè)計(jì)答辯會(huì)，由一位同學(xué)進(jìn)行PPT講解，另一位同學(xué)負(fù)責(zé)回答質(zhì)詢問題?？己顺煽?jī)按照20分標(biāo)準(zhǔn)，由全體同學(xué)打分，并與教師分?jǐn)?shù)加權(quán)計(jì)算后再進(jìn)行歸一化處理，使答辯評(píng)分更加客觀合理。

（四）結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽，加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)

單片機(jī)的教學(xué)可以貫穿于整個(gè)高年級(jí)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，在課程教學(xué)之外，通過鼓勵(lì)學(xué)生積極參加電子創(chuàng)新類學(xué)科競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新科技活動(dòng)，在具體科研實(shí)踐中使學(xué)生獲得更多更豐富的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行科研能力的培養(yǎng)[6]。

在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“超聲注射藥物溶解加速器”研發(fā)過程中，小組5名同學(xué)從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、模塊規(guī)劃、硬件構(gòu)成、功能設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行了深入的研制工作，以MSP430單片機(jī)為主體，構(gòu)建了包括反饋采樣、鍵盤顯示，頻率合成、高頻功率放大、匹配電路和超聲換能器等組成的系統(tǒng)硬件，僅軟件程序就達(dá)450余行，系統(tǒng)通過藥物對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)加速溶解系統(tǒng)進(jìn)行了綜合測(cè)試，取得了明顯加速藥物溶解的效果，并取得了國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

在“生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)仿真人系統(tǒng)”項(xiàng)目中，利用單片機(jī)技術(shù)模擬產(chǎn)生人體真實(shí)生理信號(hào)，通過對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行采樣，預(yù)處理，無(wú)線發(fā)射到主機(jī)模塊，并通過LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)軟件，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)人體生理參數(shù)動(dòng)態(tài)采集顯示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想來源于醫(yī)學(xué)儀器課堂教學(xué)，最終通過將其回饋應(yīng)用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)起到了積極的作用。

三、小結(jié)

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)朝氣蓬勃、發(fā)展迅速的專業(yè)領(lǐng)域，人才稀缺，門檻較高，針對(duì)目前課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)存在的種種不足，我們深刻體會(huì)到必須改變單一的課堂教學(xué)模式和刻板的被動(dòng)灌輸式教學(xué)方法，在課堂教學(xué)中我們注意到既要重視基礎(chǔ)理論內(nèi)容的教學(xué)，在有限的課時(shí)內(nèi)使學(xué)生得到一個(gè)完整的單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系，為科研實(shí)踐提供有力的知識(shí)保障。同時(shí)，作為實(shí)踐性很強(qiáng)的課程教學(xué)，我們利用一切可利用資源用于教學(xué)，將教師科研成果引入教學(xué)，通過具體科研項(xiàng)目案例強(qiáng)化學(xué)習(xí)內(nèi)容的工程觀念；利用課外學(xué)時(shí)增加課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，采用項(xiàng)目導(dǎo)向式教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了交流互動(dòng)，資源共享，共同進(jìn)步的教學(xué)目標(biāo)；利用各類電子學(xué)科競(jìng)賽和開放實(shí)驗(yàn)室，使單片機(jī)科研實(shí)踐貫穿于整個(gè)人才培養(yǎng)階段，在具體科研實(shí)踐中使學(xué)生獲得更多更豐富的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行科研能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了全階段立體式創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黎斌，《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課堂教學(xué)探討，考試周刊，2012年第4期。

[2]陳淑潔，單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)存在的問題與對(duì)策，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，VOL.30，NO.9，Sep.，20l1。

[3]柏春嵐，劉豪，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索，高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，VOL.30，NO.3，Sep.，2011。

[4]吳磊，嵌入式教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的研究，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，V0L.30，N0.11，NOV.，2011。

[5]李秀娟，張曉東，魯可，張杰，“嵌入式系統(tǒng)"開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，VOL.3O，NO.5，May，2011。

[6]陳吉明，創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)中科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，VOL.30，NO.2，F(xiàn)eb.，2O11。

（作者單位：西安交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系 陜西西安）