階梯式項目驅動法在嵌入式系統課程教學中的應用

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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階梯式項目驅動法在嵌入式系統課程教學中的應用

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

階梯式；項目驅動；嵌入式系統；教學方法

近些年來，隨著電子信息行業的快速發展，嵌入式系統技術已經應用到了生活、軍事、航天等多個領域[1]，作為一門工程性、實踐性和創造性很強的精尖技術，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技術的人才并不多，出現了供不應求的狀態。面對這樣一種狀態，我國大部分的本科以及一些?？茖W校的電子信息類相關專業陸續開設了嵌入式系統課程[2]。我院自動化、電子信息工程和通信工程專業也開設了此課程，一是為了滿足市場的需要，為市場、社會提供這方面的技術人才，二是教授這門技術可以更好地解決學生就業問題[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教學方法和人才培養模式具有重要意義。

1　傳統嵌入式系統教學模式存在的主要問題

嵌入式系統的學習更加注重工程性、應用性，強調的是動手能力。而現今大多數高校在教學嵌入式系統課程時仍然是“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，缺少啟發性和創造性。

此外，很多高校的很多專業都增設了嵌入式系統課程，然而學校在給這些專業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，設一樣多的學時，一套培養計劃。不同的專業在學習這門課程時應該有不同的定位，比如，計算機專業學生在學習嵌入式系統時，應側重于軟件設計，而自動化、電子信息工程專業學生在學習嵌入式系統時，應側重于硬件電路設計[4]。

2　項目驅動教學法的重要性

傳統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生反感，失去興趣，甚至放棄學習[5]。而項目驅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、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　基于階梯式項目驅動的嵌入式系統課程教學

3.1選擇嵌入式開發平臺

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，使畢業生出去就能上崗開發產品，無需二次培訓。

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

3.2精心設置項目實施教學

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

在課程的教學過程中，可以有針對性地設計多個小項目，將班上同學分成2人一組，一是鍛煉其團結合作能力，二是為了提高設計開發速度。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，對剛入門的學生來說還是太難，容易打擊到學生的自信心，不利于后續的學習。

具體的階梯式項目設計參考如下：1)為了使學生更快地入門STM32，了解最基本的開發環境和開發平臺的使用，了解直接操作寄存器與用庫函數寫驅動程序的異同，可以選“花式跑馬燈設計”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LED的亮滅，實現花式效果。通過這個簡單的項目可以使學生快速入門嵌入式STM32，學會最基礎的編譯環境的搭建、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外部中斷和連續按鍵與非連續按鍵的異同，第二個項目設計為“按鍵實驗”。其原理主要是把按鍵作為外部中斷的觸發源，觸發之后通過定時器來控制LED、蜂鳴器的動作時間，設計多個中斷，便需要設置中斷優先級。3)為了學習如何利用STM32自帶的FSMC接口驅動TFTLCD屏，學習RTC實時時鐘及日歷功能，字符、漢字的顯示，第三個項目設計為“基于TFTLCD的萬年歷設計”。其原理主要是利用FSMC接口驅動LCD屏，通過配置RTC外設模塊，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，第四個項目可以設計為“呼吸燈設計”。其原理主要是利用脈沖寬度調制功能控制LCD燈兩端的輸出電壓,使輸出電壓成線性變化，這樣便出現了“呼吸燈”的效果。5)為了學習ADC(模數轉換器)、DAC(數模轉換器)，第五個項目可以設計為“簡易測溫系統”。其原理主要是利用模數轉換器將溫度傳感器采集到的溫度信號轉換成數字信號，繼而將數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通訊協議方面的知識，第六個項目可以設計為“CAN通訊——實現兩個開發板的通訊”。其原理主要是通過配置CAN控制器的寄存器，在總線接口協議基礎上實現半雙工，通過串口來進行兩個開發平臺的簡易通訊。7)在前面的基礎上，為了學習觸摸屏的控制、GUI、I2S、UCOSII，第七個設計為比較綜合的項目“基于觸摸屏的音樂播放器的設計”。該項目有效地結合了前面所學的項目經驗和知識，是一個具有一定綜合性的項目。

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

3.3建立師生交互平臺

利用湖南科技大學數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節，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計項目上傳與展示，供學生學習和借鑒，激發學生利用嵌入式系統知識開發具體項目的熱情；三是增設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

傳統的課程考核分數的組成為：卷面分數占總考核分數的80%左右，平時考勤成績占20%左右；也有不少學校開設了實驗課，實驗課成績占總考核成績的10%左右。對于一般的理論課程，這樣的分數組成是比較科學的，但是對于嵌入式系統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。對于嵌入式系統這門課，課程考核成績的組成可以適當調整，把平時項目成績調至占總考核成績的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鍵所在。

4　結語

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

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

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

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

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

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

[6] 溫如春,王祖麟,張振利.項目驅動教學法在“嵌入式系統技術”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.項目驅動在嵌入式系統實驗教學改革中的初探[J].中國科教創新導刊,2014(13):23-24.

[8] 廖義奎.ARM Coter-M4嵌入式實戰開發精解——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計研究與教學。

G642

A

1674-5884(2016)09-0068-03