基于CDIO嵌入式系統開發課程教學改革探析

張志勇，于繁華

(長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130032)

?

基于CDIO嵌入式系統開發課程教學改革探析

張志勇，于繁華

(長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130032)

[摘要]目前，高等學校計算機及相關專業大多已將嵌入式系統開發課程引入教學中，但由于嵌入式系統開發課程較難理解，學生不易快速掌握。本文以長春師范大學嵌入式系統開發課程為例，引入CDIO工程教育改革方式，通過對嵌入式開發項目的確定，對理論與實驗教學進行改革，并及時總結教學改革成果。

[關鍵詞]CDIO；教學改革；嵌入式開發

近幾年，以CDIO工程教育為代表的教學改革備受關注。CDIO的核心是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標[1]。但是，基于CDIO嵌入式系統開發課程教學改革在國內高校中開展得很少。本文主要對嵌入式系統開發課程理論、實驗及實訓教學改革進行研究與分析。

1基于CDIO嵌入式開發項目的確定

隨著社會對嵌入式人才需求的不斷增長，許多高校開設了嵌入式系統開發課程[1]。主要以傳統的相關教材作為理論課程，使用相關的實驗箱作為實驗課程，這種教學方式使學生難以理解。長春師范大學計算機科學與技術專業的嵌入式系統開發課程引入了CDIO教學改革理念，對理念課程、實驗課程及實訓課程進行了大膽的改革。本門課程的課程組成員首先對嵌入式系統開發課程的課程實訓項目進行規劃和設計，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處理器是目前教學用的主流嵌入式微處理器。課程組教師經過討論，決定使用ARM15處理器，設計“定時智能開關”項目作為最后實訓的一級項目[2]。

“定時智能開關”項目作為實訓的一級項目，其中又細分四個二級項目分別為：蜂鳴器模塊；繼電器及外圍電路模塊；按鈕及外部中斷模塊；數碼管及LED顯示模塊。

在每個二級子項目下設置三級項目，如下所示。

(1)數碼管及LED顯示模塊中的三級項目(6個)。三級項目21301閃爍的LED廣告燈；三級項目21302流水的LED廣告燈；三級項目21303左右跑馬的LED廣告燈；三級項目21304二進制加法實驗LED燈；三級項目21305分立式數碼管循環顯示0～9；三級項目21306集成式數碼管動態掃描顯示。

(2)按鈕及外部中斷模塊中的三級項目(6個)。三級項目22307用按鍵實現計數加減；三級項目22308用外部中斷實現計數加減；三級項目22309 TO，方式1，計時設計一個發光二極管閃爍，0.05S開關一次；

三級項目22310 T0、方式1實現1秒中斷；三級項目22311 T0、方式1實現四位數碼管分秒計時器；三級項目22312 T0、方式1實現四位數碼管分秒計時器且可通過外部中斷0，1設置分秒。

(3)蜂鳴器模塊中的三級項目(3個)。三級項目22313設計一個固定聲音頻率；三級項目22314聲音由高到低；三級項目22315電子門鈴。

(4)繼電器及外圍電路模塊中的三級項目(3個)。三級項目22316使用P0.0口控制繼電器實現對220V照明燈的控制；三級項目22317數碼顯示4X4鍵盤矩陣創新套件；三級項目22318LED模擬交通燈創新套件。

通過研究，計劃分為18個三級項目，并將這些項目按教學進度分配到相應的教學周。每一個教學周完成不同的內容，之后階段驗收二級項目，最后完成“定時智能開關”一級項目[3]。

2基于CDIO嵌入式開發理論內容改革

傳統的嵌入式開發課程理論內容以教師講為主，但目前國內并沒有適合本科專業所使用的教材，所以學生學習起來比較困難。本課程組教師依據CDIO工程教育理念，對理論課程的內容進行了大膽的改革[4]。

根據所選擇的一級項目至三級項目，有針對性地對三級項目中涉及的理論知識點進行論述和講解，即在實驗中用到什么內容就結合實際情況講授什么內容。

課程組成員用近兩年時間，編寫出符合實際教學的講座如下：

第0講——導引課程(2學時)。

主要針對本學期的設計目標，為學生講解清楚，讓學生在學習之初便可以清晰地了解這學期的設計目標。導引課程的安排非常重要，可以說上好導引課程就已完成本門課程50%的目標。學生以往只是聽教師講，很少主動地參與到課堂中去。因此，在導引課程中，教師可以告訴學生這學期要做什么、怎樣做、如何做，最后達到什么目標。

第1講——PROTEUS基本操作(2學時)。

第2講——元器件屬性及編號設置(2學時)。

PROTEUS軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發的EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)工具軟件，它集成了高級原理圖布圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)設計以及布線，可以實現一個從概念產品到設計成的完整的電子設計。在第1講和第2講中，教師主要對這款仿真軟件使用方法加以介紹，以便學生自己以后學習使用。

第3講——嵌入式處理器程序編寫和編譯(4學時)。

第4講——節點、總線連接技術(4學時)。

keilKeil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。與匯編相比，C語言在功能、結構性、可讀性、可維護性上具有明顯的優勢，易學易用。在第3講和第4講中，教師主要對這款IDE開發軟件使用方法加以介紹，提高學生獨立開發程序和創新的能力。

第5講——一位數碼管計數器(6學時)。

第6講——四位數碼管計時器(6學時)。

數碼管是生活中經常用到的電子器件，一般可以分為1位、2位、3位和4位數碼管。可定時供電插座項目設計中用到的是4位數碼管，因此在第5講和第6講中，教師主要講解數碼管的使用方法。

第7講——蜂鳴器(2學時)。

蜂鳴器可以用來設計電子琴、警報器等產品，其在定時供電插座項目中的主要作用是提醒用戶，定時時間到就發出提示音。

第8講——繼電器(2學時)。

定時供電插座是通過弱電控制強電，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5V電壓控制繼電器的開關，可以控制220V插座的供電。

第9講——定時供電插座設計(4學時)。

這一講是綜合設計型實驗[5]。通過本項目的制作可以驗收學生本學期的學習效果。通過對前四個二級項目的回顧和講解，引出本項目，使得學生能夠利用所學習的內容來設計與制作產品，最終提高學生的創新和獨立解決問題的能力。

3基于CDIO嵌入式開發實驗內容改革

實驗教學內容的創新與改革主要是通過一級項目“定時智能開關”的制作，確定最終的設計目標。為達到這個目標，需要進行相應實驗教學內容的設置。主要進度與內容如表1所示。

表1　實驗教學安排

根據已經確定好的實驗項目，課程組教師經過2～3年時間的努力，最終編寫了相應教材，并于2014年7月出版《嵌入式系統實驗指導書》，此書為普通高等學校十二五規劃教材；制作并完成三級項目18個(仿真、實物均已經完成)、二級項目4個(仿真、實物均已經完成)、一級項目1個(仿真、實物均已經完成)。

4基于CDIO嵌入式開發課程教改革成果

CDIO嵌入式開發課程教改革已在2013級計算機科學與技術專業(本)、2012級計算機應用技術專業(專)嵌入式實驗教學中開展，取得了良好的教學效果。本實驗仿真平臺共6大類、18個實驗。其中包括18個驗證性實驗和1個綜合性實驗[6]。

在2012級計算機科學與技術專業(本)實驗教學中，學生共計102人，未使用CDIO教學改革時，完成驗證性實驗79人，驗證性實驗完成率為77.5%；完成綜合性實驗67人，綜合性實驗完成率為65.7%。

在2013級計算機科學與技術專業(本)實驗教學中，學生共計98人，使用CDIO教學改革時，完成驗證性實驗88人，驗證性實驗完成率為89.7%；完成綜合性實驗79人，綜合性實驗完成率為80.6%。

可見，使用CDIO教學改革以后，驗證性實驗完成率提高了12.2%；綜合性實驗完成率提高了14.9%。使得嵌入式開發實驗教學質量有了很大的提高。

[參考文獻]

[1]張志勇,李曉寧.基于F2AP網絡安全策略模型研究[J].情報科學,2014(2):35-38，42.

[2]張志勇,唐永林,邢國春,等.基于O2O模式的嵌入式智能生態系統模型研究[J].情報科學,2016(2):96-99.

[3]袁靜.《小型網絡組建》精品課程移動終端app的開發[J].現代計算機:專業版,2014(12):61-67.

[4]王新榮,張霞,李小海,等.高等理工科課程教學方法及教學手段改革研究[J].中國電力教育,2013(1):110-111.

[5]尹利,曹衛剛,王曉歡.淺談CMOS集成電路的應用[J].無線互聯科技,2012(7):183.

[6]楊明珊,譚鳳杰,李志中,等.電磁場與電磁波實驗仿真系統[J].鄭州大學學報:理學版,2013(2):64-67.

[中圖分類號]G710

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)04-0119-04

[通訊作者]于繁華(1970- )，男，教授，從事人工智能與計算機網絡研究。

[作者簡介]張志勇(1972- )，男，副教授，從事嵌入式與計算機網絡研究。

[基金項目]吉林省教育科學“十二五”規劃項目基于“嵌入式系統基礎課程智能化實驗仿真系統的研究”(GH150554)；吉林省高等教育學會規劃重點項目“嵌入式系統開發課程虛擬仿真實驗平臺建設研究”(JGJX2015C55)。

[收稿日期]2016-03-01