基于ARM和Proteus的數(shù)字電子鐘的項目式教學(xué)改革的研究

陳長征, 肖軍， 劉洲洲

(西安航空學(xué)院 1.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院;2.電子工程學(xué)院， 西安 710077)

0 引言

隨著信息化和人工智能的發(fā)展，ARM的應(yīng)用越來越多，社會對ARM的需求也不斷增加。因為ARM的多樣性和飛速的發(fā)展，在高校教學(xué)中，無法為學(xué)生提供各類ARM硬件的實際操作。所以輔助proteus仿真軟件，對課程的教學(xué)重要性尤為突出。利用keil和proteus仿真軟件為學(xué)生提供ARM的硬件設(shè)計及應(yīng)用，讓學(xué)生掌握硬件和軟件技術(shù)，分析和解決實際工程問題的有效途徑[1]。

隨著國家工業(yè)模式的調(diào)整轉(zhuǎn)變，本科的實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)方向中，實踐內(nèi)容體系雜亂，實踐環(huán)節(jié)學(xué)時安排不合理，無效實施或效果較差等方面，其結(jié)果與社會人才需求的脫節(jié)，主要矛盾反應(yīng)在畢業(yè)生與企業(yè)之間。結(jié)合多年的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)項目式教學(xué)的運(yùn)用能讓學(xué)生提高技能，輕松愉快中獲得知識，從而提高教學(xué)質(zhì)量[2]。

1 傳統(tǒng)課程教學(xué)模式存在的問題

(1) 課程內(nèi)容單調(diào)乏味，難點重點不突出。

單純的知識講授，學(xué)生的主動性很低。學(xué)生難以理解多任務(wù)系統(tǒng)的工作方式，對多任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行更是難以理解。而現(xiàn)有目前的教材和理論教學(xué)對此都不重視，只是從概念上講解嵌入式實時操作系統(tǒng)。對于任務(wù)之間協(xié)作方法和任務(wù)劃分等非常重要的內(nèi)容，提及甚少。所以課程內(nèi)容安排和講解使得學(xué)生無法領(lǐng)會，更無法掌握其設(shè)計方法。

(2) 缺乏層次性的實驗。

雖然“嵌入式實時操作系統(tǒng)”課程教學(xué)都安排了一些實驗內(nèi)容，實驗內(nèi)容簡單的組合，只強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的設(shè)計性和綜合性，缺乏設(shè)計層次性和系統(tǒng)性，難點、重點相互不能銜接，使得理論和實踐的脫節(jié)，最終實驗難以達(dá)到預(yù)期效果。

(3) 教學(xué)手段單一。

PPT 多媒體教學(xué)通過文字和簡單動畫形式的實現(xiàn)，無法讓學(xué)生理解嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理。而簡單的PPT 式的教學(xué)不能實現(xiàn)單一任務(wù)運(yùn)行到多任務(wù)并行協(xié)作的這一轉(zhuǎn)變。多元化的教學(xué)手段才能滿足“嵌入式實時操作系統(tǒng)”課程教學(xué)的需要[3]。

2 項目式教學(xué)改革的意義

未來的工作需要學(xué)生具能協(xié)助研發(fā)工程師完成其他相關(guān)任務(wù)的能力；并具有良好的團(tuán)隊協(xié)作精神。

項目式教學(xué)是將教學(xué)內(nèi)容加入項目中去，引入與項目相關(guān)的新知識，各個項目包含知識各不相同，原則上項目完成后是實物產(chǎn)品。項目式教學(xué)以學(xué)生為主體，以項目為中心。

項目式教學(xué)以學(xué)生能力為本，通過項目任務(wù)設(shè)計與分析，使理論知識與技能有機(jī)結(jié)合，重點訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力和工作技能。在項目實踐的過程中學(xué)生體驗到新知識的樂趣，解決了學(xué)生對本專業(yè)理論學(xué)習(xí)無趣感，主動在課堂中與老師討論和研究[4]。

3 基于項目的數(shù)字電子鐘的教學(xué)改革的實施

3.1 教學(xué)改革的思路

為了能更好的適應(yīng)社會發(fā)展的需要，以培養(yǎng)既有獲取知識的能力、應(yīng)用知識的能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，使學(xué)生成為具備較高綜合能力的復(fù)合型人才。本文提出了嵌入式實時操作系統(tǒng)教學(xué)改革的總體思路：打破以知識傳授為主的模式，以工作過程的“項目教學(xué)”為目的，以創(chuàng)新為主動手能力培養(yǎng)，明確以工作任務(wù)(項目)為主的課程內(nèi)容，使學(xué)生主動地通過完成項目的方式來獲取知識，同時對動手能力的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。

以學(xué)生為主，教師為輔，2～3個學(xué)生為一個項目小組，要求學(xué)生在開放的實驗室條件下，靈活的實驗時間內(nèi)，完成預(yù)定的目標(biāo)。由教師或?qū)W生自主確定項目任務(wù)內(nèi)容和完成形式，項目的內(nèi)容要求和生產(chǎn)實踐或日常生活密切相關(guān)的，最好結(jié)合教師的工程項目和課題，有的放矢，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的意識，也達(dá)到了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力[5]。

在教學(xué)內(nèi)容的整合上，通過突出“以動手為主、積極創(chuàng)新”的理念，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識，通過電子電路的實用設(shè)計，實現(xiàn)工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的目的[6]。

3.2 基于項目式的數(shù)字電子鐘的硬件設(shè)計

proteus軟件是一款EDA實物仿真工具軟件，其功能非常強(qiáng)大。可實現(xiàn)原理布圖、電路仿真、代碼調(diào)試等功能，輸入輸出效果要配合電壓表、電流表、信號發(fā)生器和虛擬示波器進(jìn)行顯示。

基于proteus的數(shù)字電子鐘的電路如圖1所示。該設(shè)計采用了32位ARM處理器中的LPC2124微處理器作為核心控制器驅(qū)動LED顯示，并接收鍵盤中斷實現(xiàn)調(diào)整時間的功能。蜂鳴器電路起到報時作用，本電路采用3.3 V和1.8 V電源供電。該電路的功能1)從0時0分0秒開始，按24小時顯示，由定時器中斷驅(qū)動。系統(tǒng)原理框圖[7],如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

LED數(shù)碼管顯示電路是通過75HC573鎖存器進(jìn)行電流驅(qū)動和數(shù)據(jù)鎖存來實現(xiàn)的數(shù)碼顯示。可為用戶提供良好的時間顯示和調(diào)節(jié)。鍵盤電路是為了實現(xiàn)時間可調(diào)的。三個獨(dú)立按鍵的輸入，分別進(jìn)行時、分、秒+1微調(diào)。原理圖中時間顯示為12時0分33秒。如圖2所示。

圖2 數(shù)字電子鐘原理圖

proteus開發(fā)環(huán)境的搭建

(1) 啟動proteus的ISIS原理圖編輯器；

(2) 在元件庫中選擇元件并放置；

(3) 擺放電源和地等終端；

(4) 布線連接元件；

(5) 編輯元件屬性；

(6) 仿真電路，運(yùn)行程序[8][9][10]。

3.3 基于項目式的數(shù)字電子鐘的軟件設(shè)計

1.設(shè)計思路

1) 用定時中斷獲得最基本的計時(ms級)

2) 在定時中斷服務(wù)子程序里，對定時中斷的次數(shù)計數(shù)，分別獲得秒、分、小時的計時，并將此時的秒、分、小時變量送到顯示緩沖區(qū)。

3) 在定時中斷服務(wù)子程序里，把顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容查表送端口，動態(tài)刷新顯示。

4) 在主循環(huán)判斷三個按鍵的狀態(tài)，并根據(jù)是否有按鍵動作，對秒、分、小時變量進(jìn)行+1修改；同時自動等待定時中斷的發(fā)生。

2.主程序的流程

1) 初始化(系統(tǒng)初始化、端口初始化、定時器Timer1初始化)。

2) 獲取三個鍵盤狀態(tài)。

3) 若有輸入，則進(jìn)行相應(yīng)處理(哪個鍵按下，決定秒、分、小時中的哪個變量+1)。

4) 到第二步，循環(huán)。

4 實施效果

(1) 學(xué)生很透徹地掌握了嵌入式實時操作系統(tǒng)的概念，深入的認(rèn)識和理解多任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，明確了多任務(wù)系統(tǒng)在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)的不同。

(2) 48學(xué)時的課程學(xué)習(xí)，經(jīng)多個項目的訓(xùn)練，由模仿、復(fù)制變?yōu)樽灾髟O(shè)計，并掌握了軟硬件開發(fā)技術(shù)，通過個性化的設(shè)計報告可以看出學(xué)生的投入度，興趣都提升了。

(3) 學(xué)生從全新的方面認(rèn)識了單片機(jī)和嵌入式實時操作系統(tǒng)，在電子競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽以及畢業(yè)設(shè)計中不斷地嘗試多任務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)。

(4) 提升學(xué)生個人能力。由于學(xué)生個體差異，個體特點不同，在進(jìn)行分工時，需要根據(jù)自己的特長負(fù)責(zé)各自擅長的內(nèi)容，這樣就能有的放矢的提升學(xué)生個人能力。

(5) 提高人際團(tuán)隊能力。 項目為2～3人一組，小組成員在溝通、討論中進(jìn)步成長，齊心協(xié)力，完成任務(wù)，就能提升每個成員的團(tuán)隊合作能力以及人際處理能力[11]。

5 教學(xué)效果分析

近4年來，針對《嵌入式實時操作系統(tǒng)》課程，實施了教學(xué)新模式，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，提高了學(xué)習(xí)者的動手能力，并對各班的出勤率、考試作弊率、課堂參與率、抄作業(yè)率和不及格率等做了相應(yīng)的統(tǒng)計分析。實踐表明，采用新模式教學(xué)后，課堂參、出勤率與率得到提高，而考試作弊率、抄作業(yè)率和不及格率也明顯降低了，總體取得了較好的教學(xué)效果， 教學(xué)改革前后的教學(xué)效果比較如表1所示。

表1 教學(xué)改革前后效果比較表

由調(diào)查結(jié)果得出，16.12%的同學(xué)認(rèn)為該方式可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，46.22%的同學(xué)認(rèn)為有幫助，而有38.66%的同學(xué)認(rèn)為沒有幫助；15.18%的同學(xué)認(rèn)為可以提高學(xué)生實踐能力，58.12%的同學(xué)者認(rèn)為有幫助，24.7%的同學(xué)認(rèn)為沒有幫助。項目式教學(xué)在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升動手能力方面都有顯著效果，在教師進(jìn)一步引導(dǎo)下，還可以提升解決實際問題的能力。