以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)

竇亞玲 劉金平

摘要新工科建設(shè)推動(dòng)工科專業(yè)的新一輪改革。以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)踐性特征，對(duì)理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)進(jìn)行了重組，并通過(guò)“去教材”、項(xiàng)目化課程內(nèi)容等方法重構(gòu)了嵌入式課程體系；教學(xué)過(guò)程中從五個(gè)層面實(shí)施對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)進(jìn)程。實(shí)際教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞 工程能力 嵌入式系統(tǒng) 項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.25.046

Embedded System Course Teaching Oriented by Engineering Ability Training

DOU Yaling， LIU Jinping

（School of Information Science and Engineering， Hunan Normal University， Changsha， Hunan 410081）

AbstractTheconstructionof newengineeringdisciplinespromotesanewroundofreformofengineeringdisciplines. Guided by the cultivation of engineering ability and combined with the practical characteristics of embedded system course，the theoretical and experimental class hours are reorganized，and the embedded curriculum system is reconstructed by means of "de teaching materials" and project-based curriculum content； In the teaching process， the training process of students’ engineering ability is implemented from five levels. The actual teaching effect is good.

Keywordsengineering ability； embedded system； project driven

0引言

新工科建設(shè)[1]推動(dòng)高等院校工科專業(yè)的教學(xué)改革與創(chuàng)新，越來(lái)越多的教改探索聚焦在遵循工程教育規(guī)律、與時(shí)代特征匹配的新培養(yǎng)模式。近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅猛，專業(yè)知識(shí)內(nèi)涵與外延不斷擴(kuò)展，嵌入式應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品不斷迭代重構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是客觀的，為培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)與新經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求、具有可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才，教學(xué)改革更是迫在眉睫。

“嵌入式系統(tǒng)”是一門實(shí)踐程度要求很高的工科專業(yè)課程，卻存在知行時(shí)間脫節(jié)、空間分離現(xiàn)象。[2]一方面，理論課和實(shí)踐課課時(shí)分配不合適，重理論課輕實(shí)踐課，到頭來(lái)課程考核淪為知識(shí)點(diǎn)的死記硬背；另一方面，理論課和實(shí)踐課脫節(jié)，因?yàn)檎n時(shí)的分離，很難做到知行合一滿足工程能力培養(yǎng)的需要。

“嵌入式系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終是教學(xué)的核心環(huán)節(jié)。一方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代周期短，投入大；另一方面，實(shí)驗(yàn)資源易受場(chǎng)地、時(shí)間等客觀條件限制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案[3]將實(shí)驗(yàn)環(huán)境從實(shí)體設(shè)備遷移到互聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)，一定程度上打破時(shí)空限制，提高實(shí)驗(yàn)資源利用率，易于維護(hù)更新迭代。然而，目前大部分開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的高校依然很難構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

嵌入式技術(shù)的核心是軟件和硬件相結(jié)合，[4]“嵌入式系統(tǒng)”課程涉及的知識(shí)點(diǎn)龐雜，課程涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的硬件知識(shí)和軟件編程技術(shù)，先導(dǎo)課程之間的銜接存在困難，如何在有限學(xué)時(shí)中，設(shè)計(jì)以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程體系與培養(yǎng)進(jìn)程成為該課程教學(xué)的重要挑戰(zhàn)。

1構(gòu)建工程化的嵌入式系統(tǒng)課程體系

嵌入式工程課程體系通常涉及4大進(jìn)階模塊。[5]信息科學(xué)與工程學(xué)院開(kāi)設(shè)的“嵌入式系統(tǒng)”課程是大學(xué)三年級(jí)階段的一門專業(yè)課，2019-2021三個(gè)學(xué)年，累計(jì)授課400余人，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程兩個(gè)專業(yè)，專業(yè)課程總課時(shí)都是64學(xué)時(shí)，課程教學(xué)采用ARM Cortex M4系列STM32F407Tx芯片定制開(kāi)發(fā)板。

1.1理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)重組

嵌入式系統(tǒng)是實(shí)操性為主的課程，理論知識(shí)與實(shí)踐操作是有機(jī)統(tǒng)一的。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)中將理論學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)在時(shí)間和空間上分割。比如教師在教室里講述ARM程序狀態(tài)寄存器中不同標(biāo)志位的含義，學(xué)生通過(guò)記憶去理解，而無(wú)法實(shí)時(shí)通過(guò)編寫匯編代碼去驗(yàn)證。又比如GPIO的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是操控LED燈，教師在理論課上分析了原理，到了實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生通常已經(jīng)對(duì)原理記憶模糊。

學(xué)時(shí)重組就是打破理論課與實(shí)驗(yàn)課的界限，以4學(xué)時(shí)為嵌入式系統(tǒng)課程的基本教學(xué)單元，4學(xué)時(shí)中間只設(shè)定一次規(guī)定的課間休息。為方便教學(xué)管理，授課地點(diǎn)從多媒體教室搬遷到獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)室，教、學(xué)、實(shí)踐實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合與互動(dòng)。

1.2芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)與原理圖替代傳統(tǒng)教材

“嵌入式系統(tǒng)”課程的教材具有兩個(gè)“痛點(diǎn)”：一是教材更新跟不上技術(shù)換代，二是嵌入式系統(tǒng)的專用性特點(diǎn)限制了教材的通用性。官方芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)是嵌入式工程師做開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)資料。引導(dǎo)學(xué)生直接使用數(shù)據(jù)手冊(cè)，有利于培養(yǎng)工程能力。

課程中所用到的官方數(shù)據(jù)手冊(cè)包括：CortexM3與M4權(quán)威指南（中英文）、STM32F4xx參考手冊(cè)（中英文）、EEPROM與FLASH的官方芯片及其課程中用到的傳感器手冊(cè)等。

課程中所使用的基于STM32F407Tx芯片的開(kāi)發(fā)板是定制版，廠商提供全套原理圖PDF，方便學(xué)生直接查閱。

1.3課程內(nèi)容項(xiàng)目化模塊設(shè)計(jì)

在2019-2021三年的教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)對(duì)課程內(nèi)容不斷調(diào)整，形成可持續(xù)發(fā)展的培養(yǎng)工程能力的課程體系。表1給出課程體系的基本項(xiàng)目與說(shuō)明（所涉及的芯片等產(chǎn)品可根據(jù)需要自行更新或另行選擇，只需要同步更新配套資料即可）。編號(hào)KB表示課程基本模塊，KS表示課程限選模塊；重要程度與難易程度是針對(duì)課程考核給出的參考值，“+”數(shù)量表示程度，數(shù)量越多程度越深；擴(kuò)延度是根據(jù)每個(gè)課程項(xiàng)目實(shí)踐完成的時(shí)間給出的需要占據(jù)課后學(xué)習(xí)時(shí)間的參考數(shù)據(jù)，“+”數(shù)量表示需要利用課后時(shí)間的長(zhǎng)短，數(shù)量越多時(shí)間越長(zhǎng)。

對(duì)應(yīng)的給出不同模塊的項(xiàng)目要求說(shuō)明：

KB-1自行安裝Keil5，創(chuàng)建工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)：Cortex M4寄存器、處理器模式、狀態(tài)的所見(jiàn)即所得。

KB-2：在Keil5工程中編寫ARM匯編啟動(dòng)代碼，采用“做中學(xué)”的方式學(xué)習(xí)ARM通用指令包括存儲(chǔ)器訪問(wèn)、寄存器數(shù)據(jù)處理、分支等以及基于Keil編譯平臺(tái)的偽指。運(yùn)用指令完成匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編程實(shí)例。

KB-3：掌握寄存器編程與固件庫(kù)編程兩個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，在Keil工程中編程實(shí)現(xiàn)通過(guò)GPIO寄存器方式控制LED燈；進(jìn)一步安裝基于STM32的固件庫(kù)，編程實(shí)現(xiàn)通過(guò)GPIO固件庫(kù)函數(shù)控制LED燈。完成不同模式的工程開(kāi)發(fā)的比對(duì)分析。

KB-4：理解STM32F4中斷實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以外部中斷EXTI為例，基于STM32固件庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)按鍵中斷控制LED燈。

KB-5：理解STM32F4時(shí)鐘系統(tǒng)，任務(wù)1是采用SYSTICK系統(tǒng)時(shí)鐘中斷，實(shí)現(xiàn)毫秒和微秒級(jí)時(shí)延，結(jié)合KB-3實(shí)現(xiàn)流水燈的精準(zhǔn)時(shí)間延遲控制；任務(wù)2是在KB-3基礎(chǔ)上設(shè)置GPIO復(fù)用（AF）模式，實(shí)現(xiàn)定時(shí)器（TIM）輸出PWM波形實(shí)現(xiàn)蜂鳴器BUZZER播放樂(lè)曲。

KB-6：理解UART串口通信協(xié)議，編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC與下位機(jī)STM32F407Tx開(kāi)發(fā)板通過(guò)UART發(fā)送接收數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠根據(jù)原理圖完成物理接線與開(kāi)發(fā)板跳線正確設(shè)置。進(jìn)一步連接藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)控制下位機(jī)開(kāi)發(fā)板上LED與蜂鳴器BUZZER工作（見(jiàn)表1）。

KS-7：理解IIC通信協(xié)議，閱讀芯片與從設(shè)備讀寫時(shí)序，利用固件庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)主設(shè)備STM32F407Tx與從設(shè)備EEPROM（AT24C02）數(shù)據(jù)讀寫操作。

KS-8：理解SPI通信協(xié)議，閱讀從設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)理解讀寫、與FLASH特有的擦寫指令，利用固件庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)主設(shè)備STM32F407Tx與從設(shè)備FLASH（W25Q128）通過(guò)SPI協(xié)議進(jìn)行大量數(shù)據(jù)讀寫操作。

KS-9：理解CAN總線通信協(xié)議，編程實(shí)現(xiàn)消息幀自發(fā)自收的回環(huán)測(cè)試，進(jìn)一步完成兩個(gè)終端間通過(guò)CAN總線協(xié)議收發(fā)消息幀。

KS-10：任務(wù)1需要完成uCOS移植，創(chuàng)建uCOS工程項(xiàng)目，進(jìn)一步完成任務(wù)函數(shù)、任務(wù)創(chuàng)建、實(shí)時(shí)調(diào)度、分時(shí)調(diào)度、時(shí)間管理的代碼實(shí)現(xiàn)。任務(wù)2需要完成uCOS任務(wù)并發(fā)控制包括互斥信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志組的代碼實(shí)現(xiàn)。

2嵌入式系統(tǒng)課程體系中工程能力培養(yǎng)

課程教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)教學(xué)定位是工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。全程貫穿工程能力的培養(yǎng)。以嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)為例，從以下五個(gè)層面實(shí)施：

第一層面：工欲善其事必先利其器。

軟件運(yùn)用，硬件操作，代碼編寫規(guī)范等方面與實(shí)際工程項(xiàng)目要求接軌。課程筆記NotPad++，代碼編寫采用Source Insight，代碼編譯平臺(tái)是Keil編寫與編譯平臺(tái)同步?？蓤?zhí)行代碼通過(guò)Jlink下載到開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行。整個(gè)過(guò)程與實(shí)際工程開(kāi)發(fā)一致。

第二層面：課程任務(wù)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)。所有理論知識(shí)為解決實(shí)踐項(xiàng)目而存在。以按鍵中斷為例給出學(xué)生在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的主體作用：

Step1：下達(dá)任務(wù)，按鍵控制LED燈。

實(shí)施效果：按下K2，LED0亮了，再次按下，LED0滅了。

Step2：怎么實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的GPIO口是什么？

學(xué)生查看原理圖，做好日志記錄。

Step3：控制方案選擇：輪詢可以嗎？弊端在哪？

學(xué)生主動(dòng)提出中斷控制。

Step4：ARM Cortex M4的中斷機(jī)制是什么？

學(xué)生查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，明確外部中斷EXTI的控制流程圖。

Step5：如何編碼實(shí)現(xiàn)？STM32固件庫(kù)哪些函數(shù)可以編碼實(shí)現(xiàn)流程圖？

教師通過(guò)VNC與學(xué)生同步敲代碼，指導(dǎo)學(xué)生在SI中一邊學(xué)習(xí)固件庫(kù)函數(shù)一邊完成初始化代碼。

Step6：中斷響應(yīng)函數(shù)是什么？怎么寫？

教師帶出中斷向量表，學(xué)生從STM32啟動(dòng)源代碼中找到外部中斷對(duì)應(yīng)的向量地址，通過(guò)VNC教師同步示范中斷響應(yīng)函數(shù)的規(guī)范寫法，學(xué)生完成代碼規(guī)范書寫。

Step7：學(xué)生連線下載燒錄代碼，測(cè)試按鍵結(jié)果。

Step8：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以學(xué)生為主體分析解決問(wèn)題，教師梳理總結(jié)知識(shí)要點(diǎn)，完成項(xiàng)目任務(wù)。

第三層面：學(xué)生工作量要足夠，量的累積才有質(zhì)的改變。教學(xué)全程學(xué)生需要建立三個(gè)完整工程，累計(jì)代碼作業(yè)與實(shí)驗(yàn)16人次，日志文檔人均100頁(yè)，硬核編碼量（l）3000+。課程沒(méi)有采用任何實(shí)驗(yàn)教材，每個(gè)學(xué)生的日志文檔形成一本有特色的實(shí)驗(yàn)案例。

第四層面：工程項(xiàng)目需要協(xié)作精神，但更基本是每個(gè)人務(wù)實(shí)求真。課程采用定制開(kāi)發(fā)板，原則上一人一板，可以協(xié)同討論技術(shù)問(wèn)題，但代碼編寫任務(wù)實(shí)現(xiàn)拒絕“摸魚”與“打醬油”行為。三年一線教學(xué)實(shí)踐觀察結(jié)果：絕大多數(shù)學(xué)生主觀意愿是獨(dú)立自主完成項(xiàng)目。

第五層面：教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中從知識(shí)的廣播員演變成解決工程項(xiàng)目問(wèn)題的引導(dǎo)者，從旁側(cè)觀察者進(jìn)階成撥燈指路者，客觀上激發(fā)了教師在學(xué)生工程能力培養(yǎng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力。

3總結(jié)

以2021學(xué)年為例，給出以工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)考核方案并對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行定量分析?？己朔桨钢袑?shí)行兩組“一”。

3.1“一人一板一日志”

實(shí)訓(xùn)日志包括設(shè)計(jì)方案、實(shí)施步驟、效果視頻、結(jié)果分析。發(fā)布在CSDN，視頻分享到主流視頻學(xué)習(xí)網(wǎng)站如B站學(xué)習(xí)區(qū)。此部分在考核中占比40%。

3.2“一人一卷一考核”

考核試卷均為設(shè)計(jì)大題，全部來(lái)源10大項(xiàng)目模塊的實(shí)踐內(nèi)容。此部分在考核中占比60%。

教學(xué)效果數(shù)據(jù)定量分析表明：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)的卷面及格率超過(guò)70%，優(yōu)良率高達(dá)30%，卷面成績(jī)與實(shí)訓(xùn)過(guò)程表現(xiàn)成正相關(guān)。兩個(gè)專業(yè)169名授課學(xué)生中90%表示能夠接受4節(jié)課為基本學(xué)時(shí)單元；89%表示認(rèn)同數(shù)據(jù)手冊(cè)替代教材；100%認(rèn)可在做中學(xué)，理論與實(shí)踐融合，以項(xiàng)目模塊驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式。課程結(jié)束意見(jiàn)反饋中，95%學(xué)生留言：課程干貨滿滿，有較大收獲；10%-20%學(xué)生表示有意向繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，嘗試將嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作為專業(yè)發(fā)展方向。

相關(guān)教師認(rèn)為，教與學(xué)雙方的興趣和熱情得到提升，學(xué)生實(shí)操能力切實(shí)提高，工程能力得到培養(yǎng)。

*通訊者：劉金平

基金項(xiàng)目：“《嵌入式系統(tǒng)》可持續(xù)發(fā)展教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建（202048JG30）”；“結(jié)合工程認(rèn)證理念探索一流軟件工程人才培養(yǎng)途徑（202048JG29）”

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