“嵌入式系統設計”案例式教學的實踐

牛繼高， 徐春華， 丁舟波， 朱從云

(中原工學院 機電學院， 河南 鄭州 450007)

0 引言

嵌入式系統是將計算機硬件和軟件結合起來構成的一個專門裝置，可以完成特定的功能和任務，能夠在沒有人工干預的情況下獨立地對被控對象進行實時的監測和控制[1]。在車輛工程研究生培養中，“嵌入式系統設計”是一門重要課程，涉及到的前期課程包括“C語言”、“單片機”、“操作系統原理”等。由于進修此門課程的研究生基礎知識的參差不齊以及學時數的限制，傳統的單向講授的知識傳輸方式，難以使學生直接體驗到所學的知識內涵，極易造成學生思維和學習的被動，削弱他們學習的興趣和動力[2]。如何將各方面的知識進行有機組合，既不脫離課程的教學目的和教學內容，又能做到抓住重點有的放矢，使研究生盡快掌握嵌入式系統的設計方法，是任課教師亟待解決的一個重要課題。

案例式教學提供了融入實際工程背景的案例，其本質是理論與實踐相結合的互動式教學，目的在于培養學生運用相關課程知識解決實際問題的能力[3]。目前我國高校的許多課程都采用了案例式教學模式，并取得了良好效果。

本文基于我校研究生教育質量提升工程項目的教學實踐，探討“嵌入式系統設計”研究生課程案例式教學的模式和方法。

1 傳統教學模式的制約

傳統教學時，教師通常以多媒體的形式在臺上講解，學生在臺下被動接受，整個教學過程刻板枯燥，學生的主觀能動性和學習熱情受到抑制[4]；

在我院“嵌入式系統設計”課程教學上，選修此課的研究生中有一部分之前未學過“C語言”或“單片機”等課程，缺乏微控制器硬件和軟件的知識，只是由于畢業課題或導師項目的需要選修了這門課程。由于學時數的限制，在課堂上大幅穿插補充這部分基礎理論知識也顯得不現實。

除此以外，該課程傳統的實踐教學環節學時數少，且實驗內容和功能簡單，與工程應用場景不相匹配。當遇到實際工程項目時，學生常因不知從何處下手而表現得束手無策。總之，傳統的教學模式不利于學生主觀能動性的調動以及創新能力的培養，無法達到綜合運用所學知識解決工程中實際問題的教學目標。

2 案例式教學法的具體實踐

研究生課程教學具有很強的針對性，學生在關注理論知識的同時，更期望實際工程應用能力的獲得。因此，我院“嵌入式系統設計”課程案例式教學的目標是通過該門課程的教學，使研究生能具備簡單電控項目應用軟件開發的能力。

2.1 案例式教學內容的優化及案例選取

目前汽車電子控制領域廣泛采用飛思卡爾(Freescale)微控制器芯片作為電控單元的CPU，其產品范圍包含了8位、16位和32位單片機。因此我院“嵌入式系統設計”課程選用基于Freescale HCS12微控制器芯片系列的教材進行教學，內容包括微控制器結構、最小系統、指令系統、輸入/輸出接口、串行通信接口SCI/SPI、A/D和D/A轉換、定時器接口、CAN總線以及uC/OS-II實時操作系統等。由于原教材內容多側重于基礎理論和各模塊寄存器的介紹，顯得內容枯燥、知識點繁多且不容易理解，教材中選取的范例不僅數量少且缺乏典型性、新穎性和系統性。

為了開展案例式教學，原教材內容需要優化，即理論知識做到“必須、夠用”即可，對那些通過課堂案例剖析就可以獲得的理論知識應進行刪減，如陳述性的知識以及對各模塊寄存器的介紹等[5]；對原教材中略講或末講的而工程應用中又非常重要的知識要予以增加，如PID閉環控制、LIN通信和uC/OS-II實時操作系統的移植方法及應用等。我們特別加強了對這類案例的選取和教學上的設置。

本教研室教師歷時四年與某汽車電子電器生產企業合作，參與了車身智能控制系統BCM、電動汽車整車控制系統VCU、汽車無鑰匙進入和一鍵啟動控制系統PEPS等大型項目的研發，積累了豐富的嵌入式控制系統設計經驗，同時制作了一批“ECU+負載箱”形式的案例式教學平臺。通過與企業的項目合作，明確了企業對人才的需求以及學生應該具備的知識和能力，在此基礎上對照“嵌入式系統設計”的教學大綱，將課程的知識點進行模塊化分解，然后根據知識點選擇具有工程背景的典型案例，要求知識點與典型案例之間存在一一對應的關系，同時選取的案例要能夠有效涵蓋教學大綱的內容。

在嵌入式系統的工程應用中，各知識點之間不是孤立的關系，而是相互配合協調統一的有機整體。因此案例的選取應遵循先易后難、循序漸進的原則，后續案例應盡可能地涵蓋之前案例中的知識點，目的在于培養學生處理復雜邏輯關系的能力。基于工程背景的案例選取如表1所示，其中，PID閉環控制和LIN通信屬于新增案例。

表1 嵌入式系統設計教學案例設置

表1中設置了11個教學案例，從較簡單的CPU設置、輸入輸出控制逐漸過渡到中等難度的脈沖捕捉、CAN通信技術，再到最難的LIN、uC/OS-II移植方法及應用，案例所包含的知識點能夠覆蓋嵌入式系統課程的基本教學內容，案例的順序符合由淺入深的學習規律。從表1可以看出，教學案例的設置具有典型的工程應用背景，一方面有利于激發學生的學習興趣，變被動學習為主動學習，另一方面也突出體現了案例的實際應用價值，有利于學生所學知識與企業需求接軌。

2.3 多元化的教學方法

研究生課程教學具有小班上課，學生人數少，教學資源相對豐富的特點，如每位研究生均可配置一套實驗平臺，因此非常適合采用多元化的教學方法。基于Freescale微控制器和CodeWarrior編譯環境的應用程序開發，軟件工程師已普遍采用可自動生成代碼的Processor Expert(簡稱PE，下同)模式，與手寫代碼相比，PE模式下生成的代碼具有開發周期短、運行效率高、安全可靠等優點。鑒于目前介紹PE使用方法的資料很少，本教研組教師對Freescale微控制器各內設模塊的PE設置和使用方法，進行歸納總結，并作為所選課程的輔助教材。

在“嵌入式系統設計”案例式教學過程中，案例的實現是教學的關鍵，為了獲得最佳的教學效果，課堂教學采用現場編程的方式，主要包含以下四個環節。

(1)現場編程。首先概括性闡述案例功能及其工程應用的背景，使學生對將要學習的案例有個宏觀的認識，然后基于“ECU+負載箱”實物平臺和多媒體設備，任課教師逐項完成工程建立、各PE模塊設置、編寫主程序代碼、程序編譯、調試及運行等操作，直至程序成功運行。

(2)講解案例背景程序。案例背景程序是指已在工程中得到應用的產品級代碼，例如表1中的CAN通信，對應的產品級代碼即為采用分布式控制的PEPS應用程序。產品級代碼的引入有利于學生獲取對所學知識的信任感，同時也拉近了理論知識與實際應用之間的距離。

(3)提問與討論。針對現場編程過程中采用的方法和技巧，通過提問的方式拓寬學生的認知思路，并就重點和難點問題展開討論。例如，GPIO案例中關于按鍵防抖問題的提出、AD采樣案例中采樣結果的濾波問題等。

(4)學生動手實踐。一方面，課堂上要求學生跟隨教師的現場編程步驟，在各自的實驗平臺上動手實踐；另一方面，由于嵌入式系統應用軟件的編程方法比較靈活，即采用不同的軟件算法可以實現同樣的功能，區別在于優秀算法的運行效率高、可靠性好，因此在課堂上鼓勵學生對編程方法提出不同的改進意見，并現場予以驗證。

通過多元化的教學方法學生對需要掌握的知識產生直觀的認識，學生的學習興趣、積極性、主動性和實踐能力也得到了進一步的提高，同時也為研究生課下主動學習補足短板注入了動力。

3 案例式教學的考核方式和效果

“嵌入式系統設計”研究生課程原先的成績評定采用“平時成績30分+期末小論文70分”的方式，考核方式單一。在案例式教學過程中，學生通過案例接觸到新知識，然后通過課下的鉆研和實踐，使獲得的知識得到鞏固和擴展。因而，該門課程的成績評價改用“課堂30分+課下30分+期末綜合設計40分”的考核新模式。其中，“課堂30分”根據學生在課堂上對各個案例的掌握情況來打分，主要包括課堂教學過程中“提問與討論”和“學生動手實踐”環節的得分。學生課下的實踐過程是案例式教學的重要一環，是集資料檢索、相關知識學習、硬件電路搭建、軟件算法編寫、程序調試與糾錯等工作于一體，全面提升動手能力、工程應用能力和創新能力的一個過程。學生課下的實踐過程以項目的形式展開，具體操作方法如下：圍繞每個案例涵蓋的知識點提出若干項目，每個項目均有不同功能要求，學生依據項目功能開展課下工作，任課教師根據項目的完成情況(如代碼合理性、執行效率和創新性等)進行打分。

期末成績則采用綜合設計的方式進行評定，要求學生基于uC/OS-II架構完成一個多任務并行應用程序，程序所要完成的功能由學生自定，但應盡可能地包含之前所學案例中的知識點。綜合設計開始前學生首先寫出設計任務書，闡述任務所能實現的功能、涵蓋的知識點、實施方案以及所需的實驗設備等。綜合設計結束后學生寫出總結報告，然后由教研組教師組成專家組對學生進行現場考核，并根據評分標準給出期末綜合設計的成績。

4 結語

我院針對研究生課程“嵌入式系統設計”教學時數少、涉及的基礎知識多、教學內容實踐性強和工程應用能力要求高的特點，對該門課程的案例式教學方法進行了探索，實踐結果可以得到以下結論：

(1)案例式教學實現了理論知識向案例的轉化，使學生對知識的獲取由被動轉為主動，激發學生學習興趣的同時，也極大地提高了學生的學習效果。

(2)基于工程背景的案例選取和產品級代碼的學習，增強了學生對案例知識的認同感，拓寬了學生的學習思路。

(3)課堂和課下并重的考核方式，有利于培養學生獨立鉆研和獨立學習的能力，為研究生后續的項目開展奠定堅實的基礎。

[1] 王宜懷, 劉曉升, 等. 嵌入式系統--使用HCS12微控制器的設計與應用[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2010.

[2] 張磊, 王少清, 周鵬, 等. 案例式教學法在內科學教學中的的應用[J]. 成都院學院學報, 2010, 5(1): 91-92.

[3] 謝曉霞, 羅鵬飛, 張權. “隨機信號分析與處理”課程案例式教學的實踐[J]. 南京:電氣電子教學學報，2011, 33(6): 95-97.

[4] 周一恒, 王軍, 毛會瓊, 牛小玲. “嵌入式系統”課程項目引領式教學[J]. 南京：電氣電子教學學報, 2016，38(6): 38-41.

[5] 李鴻. 高職“電子測量技術”課程教學改革的實踐[J]. 南京：電氣電子教學學報，2016，38(6): 59-62.