嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫建設(shè)

牛繼高 徐春華 丁舟波 朱從云 張凱

摘 要：針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究生課程內(nèi)容多而雜、多學(xué)科交叉和實(shí)踐性要求高的特點(diǎn)，本文探討了實(shí)驗(yàn)驅(qū)動的案例庫建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，介紹了案例庫的建設(shè)和實(shí)施方法。實(shí)踐結(jié)果表明，基于這些案例庫資源，學(xué)生能更深刻地了解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識和方法，并運(yùn)用這些知識更好開展嵌入式系統(tǒng)的工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué); 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì); 案例庫

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）2-167-002

國內(nèi)關(guān)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)研究工作由來已久。例如，國防科技大學(xué)的徐欣[1]分析了嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)的特點(diǎn)，研究了多媒體課堂教學(xué)和課外實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并提出了一些開展教學(xué)工作的具體建議。浙江農(nóng)林大學(xué)的宋洪軍[2]采用案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法，促使教與學(xué)有效結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。合肥電子工程學(xué)院的盧燦舉[3]指出引入案例教學(xué)法不失為解決當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)課程教育困境的一種創(chuàng)新型教學(xué)改革實(shí)踐。大理大學(xué)工程學(xué)院的楊春麗[4]針對嵌入式課程教學(xué)，提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、建立典型案例庫及采用開發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)成果。

從以上分析可知，針對研究生開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，越來越多的高校采用了案例式教學(xué)方法，個(gè)別高校已經(jīng)著手開展案例庫的建設(shè)工作。因此，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)案例庫建設(shè)將是今后的發(fā)展趨勢。本文基于我校專業(yè)學(xué)位碩士研究生課程教學(xué)案例庫建設(shè)項(xiàng)目，探討嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐的方法。

1.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容與特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是我校機(jī)械工程學(xué)科各專業(yè)研究生，如機(jī)械制造及其自動化、機(jī)械電子和車輛工程的一門重要課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能對飛思卡爾半導(dǎo)體公司16位S12X系列微控制器中的CPU、GPIO接口、定時(shí)中斷、AD采樣、PWM波、脈沖捕捉、SCI串口通信、存儲器EEPROM以及CAN通信等模塊有較為深刻的認(rèn)識，掌握嵌入式控制系統(tǒng)軟件中這些模塊的設(shè)置方法和應(yīng)用技巧。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程主要特點(diǎn)如下：

（1）知識碎片化。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程涉及到硬件電路原理、微控制器內(nèi)存映射原理、片上各外設(shè)模塊寄存器定義、模塊初始化方法，以及利用C語言和編譯環(huán)境進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試等內(nèi)容。這些內(nèi)容之間既有相互獨(dú)立性，又有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

（2）多學(xué)科交叉。嵌入式控制系統(tǒng)的內(nèi)容涵蓋了模式識別、傳感器技術(shù)、電氣、通信、控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)械和能源等多個(gè)學(xué)科的知識，對學(xué)生的知識融合和實(shí)踐動手能力，均提出了較高的要求。

（3）實(shí)踐性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程最突出的特點(diǎn)就是工程應(yīng)用能力。課程理論知識與工程應(yīng)用之間存在緊密的聯(lián)系，對基礎(chǔ)知識的理解和掌握程度決定了工程應(yīng)用的級別和深度。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程基礎(chǔ)知識抽象，初學(xué)者通常感到晦澀難懂，逐漸會失去信心和興趣，另外，過分強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識的重要性，在課時(shí)量有限的情況下尤其不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，如何解決好這對矛盾是案例庫建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵。

2.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，簡單的課堂多媒體講解并不能讓學(xué)生真正了解和掌握該課程要求的知識。因此，需要建立一套適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的案例庫，幫助學(xué)生更好地提高嵌入式軟件的編程能力。

2.1構(gòu)建實(shí)驗(yàn)驅(qū)動的案例庫

研究生開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程有小班上課的特點(diǎn)，滿足課堂上人手一套實(shí)驗(yàn)裝置的條件，因此案例庫建設(shè)的核心和首要任務(wù)是設(shè)計(jì)具有工程背景的實(shí)驗(yàn)案例。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程構(gòu)建的案例庫名稱、涵蓋的知識點(diǎn)和案例背景情況，如表1所示。

從表1可以看出，案例庫涵蓋了S12X系列微控制器的內(nèi)設(shè)主要模塊，案例順序遵循由易到難、由簡單到復(fù)雜的原則。同時(shí)，后面案例應(yīng)盡可能包含前面案例中的模塊，以提高重要知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)頻率，有利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的提高。

2.2教學(xué)案例設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)驅(qū)動的案例庫離不開授課階段嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識的支撐。表1中的實(shí)驗(yàn)案例屬于實(shí)際操作環(huán)節(jié)，但需要微控制器內(nèi)部各模塊基礎(chǔ)知識的支撐，因此需要開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識PPT課件。例如，S12X系列MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲器映射原理、應(yīng)用程序運(yùn)行機(jī)制、嵌入式C語言編程，以及表1中各個(gè)內(nèi)設(shè)模塊的相關(guān)知識等。

2.3案例庫文件

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫文件主要包括案例文本文件、PPT文件以及視頻文件等。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫文件情況，如表2所示。

在表2中，把授課分為基礎(chǔ)知識講解和案例庫實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段。通常情況下先講基礎(chǔ)知識部分，然后再開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以穿插進(jìn)行。課程視頻是基于課程PPT文件錄制的課程講解視頻;案例文本結(jié)構(gòu)包括案例主題、目標(biāo)、要求、背景、知識點(diǎn)分析、內(nèi)容和驗(yàn)證結(jié)果;案例視頻是基于案例文本和PPT錄制的現(xiàn)場編程和調(diào)試視頻。上述文件學(xué)生均可通過建設(shè)的云實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行反復(fù)觀摩和學(xué)習(xí)。

3.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程案例庫實(shí)施

研究生開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程有28個(gè)課時(shí)量，采用案例教學(xué)法后，課程知識部分分配10個(gè)課時(shí)，剩余的18個(gè)課時(shí)用于案例庫中9個(gè)實(shí)驗(yàn)的案例教學(xué)。課程基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)案例的教學(xué)采用交叉方式進(jìn)行。例如，當(dāng)講解MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲器映射、應(yīng)用程序運(yùn)行機(jī)制和嵌入式C語言編程等內(nèi)容時(shí)，不引入案例環(huán)節(jié);當(dāng)講解MCU內(nèi)部各個(gè)模塊原理及應(yīng)用時(shí)，則引入案例并組織學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場編程、分析和討論，探究案例背后涉及的知識和物理意義，重新認(rèn)識課程理論知識重要性。

學(xué)生可以在課前或課后登錄云實(shí)驗(yàn)平臺，觀看各個(gè)環(huán)節(jié)的課件和視頻，也可以通過該平臺反復(fù)練習(xí)案例庫的實(shí)驗(yàn)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)領(lǐng)域，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)應(yīng)掌握這門課的理論知識，最重要的是應(yīng)具備工程應(yīng)用的能力。本文探討了實(shí)驗(yàn)驅(qū)動的案例庫建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，介紹了案例庫的建設(shè)和實(shí)施方法，基于這些案例庫資源，學(xué)生能更深刻地了解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識和方法，并運(yùn)用這些知識更好地開展嵌入式系統(tǒng)的工程實(shí)踐。

基金項(xiàng)目：中原工學(xué)院研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（ALK201906）

參考文獻(xiàn)：

[1]徐欣，于紅旗，盧啟中.“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)”課程教學(xué)研討[J]高等教育研究學(xué)報(bào)，2004，27（2）：59-60

[2]宋洪軍，胡軍國，童孟軍.基于案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與研究[J]教育教學(xué)論壇，2017，（9）：112-113

[3]盧燦舉，張?jiān)品?，高春穎，等.案例教學(xué)下嵌入式系統(tǒng)課程的改革與實(shí)踐[J]計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2016，38（1）：248-251

[4]楊春麗.應(yīng)用型本科院校單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]教育教學(xué)論壇，2017，（35）：141-142