基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程教學(xué)改革探析

張志勇，于繁華

(長(zhǎng)春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

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基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程教學(xué)改革探析

張志勇，于繁華

(長(zhǎng)春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

[摘要]目前，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)大多已將嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程引入教學(xué)中，但由于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程較難理解，學(xué)生不易快速掌握。本文以長(zhǎng)春師范大學(xué)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程為例，引入CDIO工程教育改革方式，通過(guò)對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的確定，對(duì)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，并及時(shí)總結(jié)教學(xué)改革成果。

[關(guān)鍵詞]CDIO；教學(xué)改革；嵌入式開(kāi)發(fā)

近幾年，以CDIO工程教育為代表的教學(xué)改革備受關(guān)注。CDIO的核心是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[1]。但是，基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程教學(xué)改革在國(guó)內(nèi)高校中開(kāi)展得很少。本文主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程理論、實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革進(jìn)行研究與分析。

1基于CDIO嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的確定

隨著社會(huì)對(duì)嵌入式人才需求的不斷增長(zhǎng)，許多高校開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程[1]。主要以傳統(tǒng)的相關(guān)教材作為理論課程，使用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)課程，這種教學(xué)方式使學(xué)生難以理解。長(zhǎng)春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程引入了CDIO教學(xué)改革理念，對(duì)理念課程、實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行了大膽的改革。本門(mén)課程的課程組成員首先對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程的課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，主流處理器如圖1所示。

圖1　主流處理器

目前，AVR、AT89C51處理器、STC89C52處理器和ARM915處理器是目前教學(xué)用的主流嵌入式微處理器。課程組教師經(jīng)過(guò)討論，決定使用ARM15處理器，設(shè)計(jì)“定時(shí)智能開(kāi)關(guān)”項(xiàng)目作為最后實(shí)訓(xùn)的一級(jí)項(xiàng)目[2]。

“定時(shí)智能開(kāi)關(guān)”項(xiàng)目作為實(shí)訓(xùn)的一級(jí)項(xiàng)目，其中又細(xì)分四個(gè)二級(jí)項(xiàng)目分別為：蜂鳴器模塊；繼電器及外圍電路模塊；按鈕及外部中斷模塊；數(shù)碼管及LED顯示模塊。

在每個(gè)二級(jí)子項(xiàng)目下設(shè)置三級(jí)項(xiàng)目，如下所示。

(1)數(shù)碼管及LED顯示模塊中的三級(jí)項(xiàng)目(6個(gè))。三級(jí)項(xiàng)目21301閃爍的LED廣告燈；三級(jí)項(xiàng)目21302流水的LED廣告燈；三級(jí)項(xiàng)目21303左右跑馬的LED廣告燈；三級(jí)項(xiàng)目21304二進(jìn)制加法實(shí)驗(yàn)LED燈；三級(jí)項(xiàng)目21305分立式數(shù)碼管循環(huán)顯示0～9；三級(jí)項(xiàng)目21306集成式數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。

(2)按鈕及外部中斷模塊中的三級(jí)項(xiàng)目(6個(gè))。三級(jí)項(xiàng)目22307用按鍵實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)加減；三級(jí)項(xiàng)目22308用外部中斷實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)加減；三級(jí)項(xiàng)目22309 TO，方式1，計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)光二極管閃爍，0.05S開(kāi)關(guān)一次；

三級(jí)項(xiàng)目22310 T0、方式1實(shí)現(xiàn)1秒中斷；三級(jí)項(xiàng)目22311 T0、方式1實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管分秒計(jì)時(shí)器；三級(jí)項(xiàng)目22312 T0、方式1實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管分秒計(jì)時(shí)器且可通過(guò)外部中斷0，1設(shè)置分秒。

(3)蜂鳴器模塊中的三級(jí)項(xiàng)目(3個(gè))。三級(jí)項(xiàng)目22313設(shè)計(jì)一個(gè)固定聲音頻率；三級(jí)項(xiàng)目22314聲音由高到低；三級(jí)項(xiàng)目22315電子門(mén)鈴。

(4)繼電器及外圍電路模塊中的三級(jí)項(xiàng)目(3個(gè))。三級(jí)項(xiàng)目22316使用P0.0口控制繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)220V照明燈的控制；三級(jí)項(xiàng)目22317數(shù)碼顯示4X4鍵盤(pán)矩陣創(chuàng)新套件；三級(jí)項(xiàng)目22318LED模擬交通燈創(chuàng)新套件。

通過(guò)研究，計(jì)劃分為18個(gè)三級(jí)項(xiàng)目，并將這些項(xiàng)目按教學(xué)進(jìn)度分配到相應(yīng)的教學(xué)周。每一個(gè)教學(xué)周完成不同的內(nèi)容，之后階段驗(yàn)收二級(jí)項(xiàng)目，最后完成“定時(shí)智能開(kāi)關(guān)”一級(jí)項(xiàng)目[3]。

2基于CDIO嵌入式開(kāi)發(fā)理論內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)課程理論內(nèi)容以教師講為主，但目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有適合本科專(zhuān)業(yè)所使用的教材，所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。本課程組教師依據(jù)CDIO工程教育理念，對(duì)理論課程的內(nèi)容進(jìn)行了大膽的改革[4]。

根據(jù)所選擇的一級(jí)項(xiàng)目至三級(jí)項(xiàng)目，有針對(duì)性地對(duì)三級(jí)項(xiàng)目中涉及的理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行論述和講解，即在實(shí)驗(yàn)中用到什么內(nèi)容就結(jié)合實(shí)際情況講授什么內(nèi)容。

課程組成員用近兩年時(shí)間，編寫(xiě)出符合實(shí)際教學(xué)的講座如下：

第0講——導(dǎo)引課程(2學(xué)時(shí))。

主要針對(duì)本學(xué)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為學(xué)生講解清楚，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便可以清晰地了解這學(xué)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。導(dǎo)引課程的安排非常重要，可以說(shuō)上好導(dǎo)引課程就已完成本門(mén)課程50%的目標(biāo)。學(xué)生以往只是聽(tīng)教師講，很少主動(dòng)地參與到課堂中去。因此，在導(dǎo)引課程中，教師可以告訴學(xué)生這學(xué)期要做什么、怎樣做、如何做，最后達(dá)到什么目標(biāo)。

第1講——PROTEUS基本操作(2學(xué)時(shí))。

第2講——元器件屬性及編號(hào)設(shè)置(2學(xué)時(shí))。

PROTEUS軟件是由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具軟件，它集成了高級(jí)原理圖布圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)設(shè)計(jì)以及布線，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)從概念產(chǎn)品到設(shè)計(jì)成的完整的電子設(shè)計(jì)。在第1講和第2講中，教師主要對(duì)這款仿真軟件使用方法加以介紹，以便學(xué)生自己以后學(xué)習(xí)使用。

第3講——嵌入式處理器程序編寫(xiě)和編譯(4學(xué)時(shí))。

第4講——節(jié)點(diǎn)、總線連接技術(shù)(4學(xué)時(shí))。

keilKeil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。在第3講和第4講中，教師主要對(duì)這款I(lǐng)DE開(kāi)發(fā)軟件使用方法加以介紹，提高學(xué)生獨(dú)立開(kāi)發(fā)程序和創(chuàng)新的能力。

第5講——一位數(shù)碼管計(jì)數(shù)器(6學(xué)時(shí))。

第6講——四位數(shù)碼管計(jì)時(shí)器(6學(xué)時(shí))。

數(shù)碼管是生活中經(jīng)常用到的電子器件，一般可以分為1位、2位、3位和4位數(shù)碼管?？啥〞r(shí)供電插座項(xiàng)目設(shè)計(jì)中用到的是4位數(shù)碼管，因此在第5講和第6講中，教師主要講解數(shù)碼管的使用方法。

第7講——蜂鳴器(2學(xué)時(shí))。

蜂鳴器可以用來(lái)設(shè)計(jì)電子琴、警報(bào)器等產(chǎn)品，其在定時(shí)供電插座項(xiàng)目中的主要作用是提醒用戶(hù)，定時(shí)時(shí)間到就發(fā)出提示音。

第8講——繼電器(2學(xué)時(shí))。

定時(shí)供電插座是通過(guò)弱電控制強(qiáng)電，這就需要用到繼電器。繼電器常用的有5腳和6腳的DVC5V繼電器，通過(guò)5V電壓控制繼電器的開(kāi)關(guān)，可以控制220V插座的供電。

第9講——定時(shí)供電插座設(shè)計(jì)(4學(xué)時(shí))。

這一講是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)[5]。通過(guò)本項(xiàng)目的制作可以驗(yàn)收學(xué)生本學(xué)期的學(xué)習(xí)效果。通過(guò)對(duì)前四個(gè)二級(jí)項(xiàng)目的回顧和講解，引出本項(xiàng)目，使得學(xué)生能夠利用所學(xué)習(xí)的內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品，最終提高學(xué)生的創(chuàng)新和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

3基于CDIO嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新與改革主要是通過(guò)一級(jí)項(xiàng)目“定時(shí)智能開(kāi)關(guān)”的制作，確定最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置。主要進(jìn)度與內(nèi)容如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

根據(jù)已經(jīng)確定好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課程組教師經(jīng)過(guò)2～3年時(shí)間的努力，最終編寫(xiě)了相應(yīng)教材，并于2014年7月出版《嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，此書(shū)為普通高等學(xué)校十二五規(guī)劃教材；制作并完成三級(jí)項(xiàng)目18個(gè)(仿真、實(shí)物均已經(jīng)完成)、二級(jí)項(xiàng)目4個(gè)(仿真、實(shí)物均已經(jīng)完成)、一級(jí)項(xiàng)目1個(gè)(仿真、實(shí)物均已經(jīng)完成)。

4基于CDIO嵌入式開(kāi)發(fā)課程教改革成果

CDIO嵌入式開(kāi)發(fā)課程教改革已在2013級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)(本)、2012級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)(專(zhuān))嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展，取得了良好的教學(xué)效果。本實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)共6大類(lèi)、18個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中包括18個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和1個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)[6]。

在2012級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)(本)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生共計(jì)102人，未使用CDIO教學(xué)改革時(shí)，完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)79人，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成率為77.5%；完成綜合性實(shí)驗(yàn)67人，綜合性實(shí)驗(yàn)完成率為65.7%。

在2013級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)(本)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生共計(jì)98人，使用CDIO教學(xué)改革時(shí)，完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)88人，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成率為89.7%；完成綜合性實(shí)驗(yàn)79人，綜合性實(shí)驗(yàn)完成率為80.6%。

可見(jiàn)，使用CDIO教學(xué)改革以后，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成率提高了12.2%；綜合性實(shí)驗(yàn)完成率提高了14.9%。使得嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有了很大的提高。

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[中圖分類(lèi)號(hào)]G710

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-7602(2016)04-0119-04

[通訊作者]于繁華(1970- )，男，教授，從事人工智能與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究。

[作者簡(jiǎn)介]張志勇(1972- )，男，副教授，從事嵌入式與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究。

[基金項(xiàng)目]吉林省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目基于“嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程智能化實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的研究”(GH150554)；吉林省高等教育學(xué)會(huì)規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)研究”(JGJX2015C55)。

[收稿日期]2016-03-01