基于智能小車硬件平臺(tái)的“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”項(xiàng)目化課程教學(xué)研究

王 濤，李靚琦，陳紫鵬，張文光

（吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，343000，江西吉安）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)迫切需求大量的嵌入式技術(shù)人才，當(dāng)今“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”已成為高等學(xué)校電子信息類專業(yè)的必修課，教學(xué)內(nèi)容是以目前主流的嵌入式處理器為核心，為完成特定功能進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)。目的就是讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及常見設(shè)計(jì)開發(fā)方法，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使學(xué)生成為社會(huì)需要、行業(yè)需求的技能應(yīng)用型人才[1]。

1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)是一門綜合性課程，本門課程一般是在第四或第五學(xué)期開課，涉及到前導(dǎo)課程較多，如電路、數(shù)電、模電、單片機(jī)、傳感器、C 語(yǔ)言等課程，同時(shí)還要對(duì)這些課程掌握得比較精通，不能僅限于了解。目前學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)普遍學(xué)習(xí)的是8 位單片機(jī)，而在嵌入式系統(tǒng)中一般是使用32 位單片機(jī)，涉及到的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，除了常見的應(yīng)用程序的編寫，還會(huì)涉及到操作系統(tǒng)程序的編寫，內(nèi)容的廣度與深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過8 位單片機(jī)，這對(duì)剛接觸的學(xué)生來說會(huì)非常吃力[2]。同時(shí)本門課程是一門理論與實(shí)踐并重的課程。學(xué)生需要學(xué)習(xí)很多理論知識(shí)，由于難度較大，學(xué)生很難長(zhǎng)時(shí)間集中注意力。如果沒有設(shè)計(jì)足夠吸引人的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)課時(shí)不能很好地與理論課程進(jìn)行銜接，學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)課沒有多大的興趣，課堂教學(xué)效果會(huì)大打折扣，因此，對(duì)課程進(jìn)行項(xiàng)目化改造就顯得非常重要[3]。

2 基于智能小車硬件平臺(tái)的項(xiàng)目化改造

利用項(xiàng)目化教學(xué)，將一個(gè)大任務(wù)進(jìn)行分解，得到若干個(gè)小任務(wù)點(diǎn)，再將每個(gè)小任務(wù)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系在一起，循序漸進(jìn)，一步一步最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)。本門課程選用的硬件平臺(tái)為51 智能小車，外形如圖1 所示。

圖1 51 智能小車

首先，該硬件將智能小車和單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行二合一，里面包含單片機(jī)開發(fā)板一套，不但可以全面學(xué)習(xí)51 單片機(jī)開發(fā)板基礎(chǔ)知識(shí)，更可以設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)、娛樂三管齊下，將學(xué)到的知識(shí)融入實(shí)踐，真正做到在娛樂中學(xué)習(xí)。其次，該裝置搭載了電壓檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接插在底板插座上使用，實(shí)測(cè)系統(tǒng)電壓，分析不同實(shí)驗(yàn)裝置與小車之間的效果參數(shù)。最后，該裝置支持多種通信連接方式，通過藍(lán)牙、wifi 等通信方式，我們可以在電腦、手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控，為后續(xù)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)方面知識(shí)打下基礎(chǔ)。同時(shí)該智能小車拓展性強(qiáng)，適合學(xué)生DIY設(shè)計(jì)，用不同的傳感器可完成不同的花樣玩法，比如：裝上風(fēng)扇電機(jī)可拓展成智能滅火車；在小車上加上超聲波舵機(jī)云臺(tái)，云臺(tái)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，判斷周圍環(huán)境距離，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)避障功能；在小車上插上聲音傳感器和人體紅外傳感器，就可以對(duì)小車實(shí)現(xiàn)聲控和人體感應(yīng)。

結(jié)合企業(yè)實(shí)際工作情境，從實(shí)用性和學(xué)生的興趣點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了本課程的教學(xué)載體，即以“設(shè)計(jì)小車多功能控制系統(tǒng)”為貫穿項(xiàng)目，在該貫穿項(xiàng)目的基礎(chǔ)上下設(shè)“設(shè)計(jì)小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”等5 個(gè)子項(xiàng)目和15 個(gè)訓(xùn)練任務(wù)，如圖2 所示。子項(xiàng)目以小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為基石，在此基礎(chǔ)上不斷對(duì)小車的功能進(jìn)行完善，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在對(duì)小車功能進(jìn)行完善的過程中，各個(gè)子項(xiàng)目都遵循“由易到難、由簡(jiǎn)到繁”的思路。

圖2 課程項(xiàng)目圖

3 基于硬件平臺(tái)的嵌入式課程項(xiàng)目實(shí)施

在此，將以直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，來講解項(xiàng)目化教學(xué)的具體實(shí)施過程。首先在上課前將本節(jié)課的任務(wù)要求給出，如表1 所示。

表1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)要求

給出任務(wù)要求后，教師接著進(jìn)行理論教學(xué)，講解本節(jié)課所用到的知識(shí)點(diǎn)，為了更生動(dòng)形象，輔以視頻、動(dòng)畫、微課等信息化資源，務(wù)求讓所有學(xué)生掌握該知識(shí)點(diǎn)。講完之后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，選取硬件平臺(tái)的資源，設(shè)計(jì)硬件電路。除了單片機(jī)最小系統(tǒng)外，還需要按鍵，現(xiàn)有按鍵資源如圖3 所示。學(xué)生自主選取獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵，然后完成硬件電路的接線。硬件電路完成之后，學(xué)生畫出程序設(shè)計(jì)流程圖，最后教師可以給出圖4 所示的參考流程圖。

圖3 按鍵電路圖

圖4 程序設(shè)計(jì)流程參考圖

學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的程序控制流程圖，在KEil 4軟件中完成程序的編寫，編譯之后生成HEX 文件，最后將HEX 文件下載到各自組的智能小車中的單片機(jī)，上電之后運(yùn)行電路，查看能否實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求；如果有問題，則根據(jù)錯(cuò)誤情況進(jìn)行軟硬件調(diào)試，直到現(xiàn)象正確為止。

4 結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程的特點(diǎn)就是理論與實(shí)踐并重，并且當(dāng)今信息技術(shù)及嵌入式技術(shù)更新非?？欤@就需要教師在教學(xué)中不斷改進(jìn)教學(xué)方法，創(chuàng)新教學(xué)模式，探索符合時(shí)代發(fā)展的教學(xué)手段。實(shí)踐證明，將硬件平臺(tái)與課程教學(xué)相結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)求知欲，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，對(duì)培養(yǎng)社會(huì)滿意、企業(yè)認(rèn)同的技術(shù)技能型人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。