階梯式項目驅(qū)動法在嵌入式系統(tǒng)課程教學中的應用

胡仕剛，曹會祎，吳笑峰，席在芳，唐志軍

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201)

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階梯式項目驅(qū)動法在嵌入式系統(tǒng)課程教學中的應用

胡仕剛，曹會祎，吳笑峰，席在芳，唐志軍

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201)

“嵌入式系統(tǒng)”是一門工程性、技術(shù)性和實踐性都很強的電子信息類專業(yè)必修課，傳統(tǒng)的“填鴨式”教學模式已不適應社會對嵌入式開發(fā)人才的需求，更不利于應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。針對目前嵌入式系統(tǒng)教學中存在的普遍問題，提出了一種階梯式項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程教學法，以項目為中心，階梯式地開展相關(guān)知識與技能的學習，并通過基于STM32F4的教學來說明這種授課方法相比傳統(tǒng)授課方法的優(yōu)越性及其科學可行性。

階梯式；項目驅(qū)動；嵌入式系統(tǒng)；教學方法

近些年來，隨著電子信息行業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)應用到了生活、軍事、航天等多個領(lǐng)域[1]，作為一門工程性、實踐性和創(chuàng)造性很強的精尖技術(shù)，由于其復雜、難學、需要所學者具備綜合知識和扎實的基本功等特點，因此我國精通嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的人才并不多，出現(xiàn)了供不應求的狀態(tài)。面對這樣一種狀態(tài)，我國大部分的本科以及一些專科學校的電子信息類相關(guān)專業(yè)陸續(xù)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程[2]。我院自動化、電子信息工程和通信工程專業(yè)也開設(shè)了此課程，一是為了滿足市場的需要，為市場、社會提供這方面的技術(shù)人才，二是教授這門技術(shù)可以更好地解決學生就業(yè)問題[3]。所以，如何更好地開展這門課程的教學顯得十分重要，探索一種真正科學可行的嵌入式系統(tǒng)教學方法和人才培養(yǎng)模式具有重要意義。

1　傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學模式存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)的學習更加注重工程性、應用性，強調(diào)的是動手能力。而現(xiàn)今大多數(shù)高校在教學嵌入式系統(tǒng)課程時仍然是“填鴨式”教學模式，教師一味的單向灌輸書本知識，學生一味的接收書本知識，只有很少的實驗課，教學效果不佳，缺少啟發(fā)性和創(chuàng)造性。

此外，很多高校的很多專業(yè)都增設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，然而學校在給這些專業(yè)的學生進行學習定位時，采取了“一把抓”的錯誤定位方式，開一樣的課，設(shè)一樣多的學時，一套培養(yǎng)計劃。不同的專業(yè)在學習這門課程時應該有不同的定位，比如，計算機專業(yè)學生在學習嵌入式系統(tǒng)時，應側(cè)重于軟件設(shè)計，而自動化、電子信息工程專業(yè)學生在學習嵌入式系統(tǒng)時，應側(cè)重于硬件電路設(shè)計[4]。

2　項目驅(qū)動教學法的重要性

傳統(tǒng)的授課方式是重理論、輕實踐，老師與學生之間缺少有效交流，致使學生從一開始就對該課程產(chǎn)生反感，失去興趣，甚至放棄學習[5]。而項目驅(qū)動教學法是一種全新的教學模式[6-7]，該教學方式是以理論知識為基礎(chǔ)、項目為中心、學生為主導、老師為輔導的一種模式。該模式是將課程的內(nèi)容知識點融合到若干小項目中，通過以學生為主、教師為輔的方式共同完成這些項目，在項目中學習，在學習中鍛煉動手能力和克服困難的能力，將知識直接轉(zhuǎn)化為技能，達到更好地學習和掌握課程知識的目的。

3　基于階梯式項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程教學

3.1選擇嵌入式開發(fā)平臺

學習ARM處理器最好是市場主流的、應用廣泛的處理器，不宜太過時，要與時俱進，使畢業(yè)生出去就能上崗開發(fā)產(chǎn)品，無需二次培訓。

在嵌入式系統(tǒng)教學中，選擇基于STM32F407ZGT6為核心處理器的開發(fā)板作為學習開發(fā)平臺，與同系列的STM32F1，STM32F2芯片比較，該芯片在數(shù)字信號控制方面具有如下優(yōu)勢[8]：高性能和低成本，例如STM32F407主頻達到168MHz，內(nèi)含196KB SRAM；提供先進的外圍設(shè)備，例如包括SDIO接口、靜態(tài)存儲器控制(FSMC)接口、以太網(wǎng)接口；提供完善的標準外設(shè)庫、DSP函數(shù)庫以及大量的官方實例；兼容性強。

3.2精心設(shè)置項目實施教學

階梯式項目設(shè)計原則是由淺入深、由易到難，項目必須與課本理論知識結(jié)合，不能脫離課本知識，理論知識是基礎(chǔ)。

在課程的教學過程中，可以有針對性地設(shè)計多個小項目，將班上同學分成2人一組，一是鍛煉其團結(jié)合作能力，二是為了提高設(shè)計開發(fā)速度。初始階段不宜采取綜合性很強的項目，即使將綜合性很強的項目模塊化，但由于這些模塊化的項目不具有階梯形、漸進性，對剛?cè)腴T的學生來說還是太難，容易打擊到學生的自信心，不利于后續(xù)的學習。

具體的階梯式項目設(shè)計參考如下：1)為了使學生更快地入門STM32，了解最基本的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)平臺的使用，了解直接操作寄存器與用庫函數(shù)寫驅(qū)動程序的異同，可以選“花式跑馬燈設(shè)計”作為第一個項目。其原理主要是通過配置GPIO口輸出電壓的變化，實現(xiàn)LED的亮滅，實現(xiàn)花式效果。通過這個簡單的項目可以使學生快速入門嵌入式STM32，學會最基礎(chǔ)的編譯環(huán)境的搭建、新建項目的流程等。2)為了學習STM32的RCC及時鐘配置、NVIC及中斷的管理、SysTick定時器、EXTI外部中斷和連續(xù)按鍵與非連續(xù)按鍵的異同，第二個項目設(shè)計為“按鍵實驗”。其原理主要是把按鍵作為外部中斷的觸發(fā)源，觸發(fā)之后通過定時器來控制LED、蜂鳴器的動作時間，設(shè)計多個中斷，便需要設(shè)置中斷優(yōu)先級。3)為了學習如何利用STM32自帶的FSMC接口驅(qū)動TFTLCD屏，學習RTC實時時鐘及日歷功能，字符、漢字的顯示，第三個項目設(shè)計為“基于TFTLCD的萬年歷設(shè)計”。其原理主要是利用FSMC接口驅(qū)動LCD屏，通過配置RTC外設(shè)模塊，把時間、日期顯示在LCD屏上。4)為了學習STM32F4的PWM，輸入捕獲功能，第四個項目可以設(shè)計為“呼吸燈設(shè)計”。其原理主要是利用脈沖寬度調(diào)制功能控制LCD燈兩端的輸出電壓,使輸出電壓成線性變化，這樣便出現(xiàn)了“呼吸燈”的效果。5)為了學習ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，第五個項目可以設(shè)計為“簡易測溫系統(tǒng)”。其原理主要是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度傳感器采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，繼而將數(shù)字信號進行處理再顯示在LCD屏上。6)為了有效學習USART串口、IIC總線、SPI接口、CAN通訊協(xié)議方面的知識，第六個項目可以設(shè)計為“CAN通訊——實現(xiàn)兩個開發(fā)板的通訊”。其原理主要是通過配置CAN控制器的寄存器，在總線接口協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)半雙工，通過串口來進行兩個開發(fā)平臺的簡易通訊。7)在前面的基礎(chǔ)上，為了學習觸摸屏的控制、GUI、I2S、UCOSII，第七個設(shè)計為比較綜合的項目“基于觸摸屏的音樂播放器的設(shè)計”。該項目有效地結(jié)合了前面所學的項目經(jīng)驗和知識，是一個具有一定綜合性的項目。

這種階梯式、從易到難的項目設(shè)置，符合大多數(shù)學生的習慣，更能讓學生接受，從而有效地調(diào)動學生學習嵌入式系統(tǒng)的積極性。通過這樣循序漸進的項目驅(qū)動教學，學生將更好地掌握嵌入式系統(tǒng)的知識與基于嵌入式系統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計方法，有效地實現(xiàn)了教學目標。

3.3建立師生交互平臺

利用湖南科技大學數(shù)字化交互式教學資源平臺建立一個師生共用交互平臺，也是項目驅(qū)動教學法非常重要的一部分。該平臺應該包含如下幾個功能，一是包含各種形式的教學資料，包括視頻、音頻、文檔等形式的資料，以滿足學生對學習資料的需求；二是設(shè)置考核功能，要求學生定期將自己的項目情況錄入該平臺，包括硬件的照片、功能實現(xiàn)程度等，讓老師能夠更好地掌握學生學習的進度，了解學生學習的薄弱環(huán)節(jié)，為下次授課有針對性地講解做準備，同時也允許學生將完成的設(shè)計項目上傳與展示，供學生學習和借鑒，激發(fā)學生利用嵌入式系統(tǒng)知識開發(fā)具體項目的熱情；三是增設(shè)一個具有交互聊天功能的軟件，主要用于學生在線提問，老師在線答疑，學生之間相互交流學習經(jīng)驗、分享學習心得，以提高學習效率。

3.4改革課程考核模式

傳統(tǒng)的課程考核分數(shù)的組成為：卷面分數(shù)占總考核分數(shù)的80%左右，平時考勤成績占20%左右；也有不少學校開設(shè)了實驗課，實驗課成績占總考核成績的10%左右。對于一般的理論課程，這樣的分數(shù)組成是比較科學的，但是對于嵌入式系統(tǒng)這樣一門工程性和應用型為主的課程，這樣的考核方式不是很合理，不能客觀地反映出學生的學習情況和教師的教學水平。由于實驗課成績占總考核成績的比偏低，為了提高成績，學生只得花更多的時間在基礎(chǔ)理論上，從而忽視了實踐，導致學生動手能力不強，學不能致用。對于嵌入式系統(tǒng)這門課，課程考核成績的組成可以適當調(diào)整，把平時項目成績調(diào)至占總考核成績的40%左右，理論成績占40%左右，平時考勤占20%左右，只有調(diào)高項目成績所占的比值，重視實踐成績，才能提高學生的動手能力，這也是教好這門課程的關(guān)鍵所在。

4　結(jié)語

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程的特點，本文分析了傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學中存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出了一種階梯式項目驅(qū)動教學法。采用項目驅(qū)動、學生參與的新模式，為教師教學嵌入式系統(tǒng)課程、學生學習嵌入式課程給出了明確方向。需要強調(diào)的是，不同的高校有著不同的師資力量和不同的學生資源，在采用這種項目驅(qū)動模式教學時，切忌照搬照抄，應根據(jù)實際情況適當調(diào)整。

[1] 張楊,徐艷,朱家村,等.嵌入式技術(shù)的應用研究[J].科技信息,2014(2):147-147.

[2] 彭道剛,李輝,夏飛.基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學改革與實踐[J].中國電力教育,2013(28):92-93.

[3] 張鋒輝,符茂勝,宗瑜.漸進式項目驅(qū)動法在嵌入式系統(tǒng)課程改革中的應用——借鑒德國經(jīng)驗[J].計算機教育,2013(21)：48-49.

[4] 王維博,王海濱,葉凱.電子信息工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學的改革探討[J].中國電力教育,2010(10):58-59.

[5] 葉青,李明.高校傳統(tǒng)教學與翻轉(zhuǎn)課堂對比的實證分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2015,25(1):60-65.

[6] 溫如春,王祖麟,張振利.項目驅(qū)動教學法在“嵌入式系統(tǒng)技術(shù)”課程中的改革探索[J].中國電力教育,2012(3):77-78.

[7] 劉雍,馬玉春,汪文彬,等.項目驅(qū)動在嵌入式系統(tǒng)實驗教學改革中的初探[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2014(13):23-24.

[8] 廖義奎.ARM Coter-M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解——基于STM32F4[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

(責任編校謝宜辰)

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.09.022

20160322

湖南省普通高等學校教學改革研究項目(湘教通[2014]247號，序號282；湘教通[2015]291號，序號254)

胡仕剛(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，主要從事集成電路設(shè)計研究與教學。

G642

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1674-5884(2016)09-0068-03