嵌入式系統設計課程案例庫建設

牛繼高 徐春華 丁舟波 朱從云 張凱

摘 要：針對嵌入式系統設計研究生課程內容多而雜、多學科交叉和實踐性要求高的特點，本文探討了實驗驅動的案例庫建設經驗，介紹了案例庫的建設和實施方法。實踐結果表明，基于這些案例庫資源，學生能更深刻地了解嵌入式系統設計的知識和方法，并運用這些知識更好開展嵌入式系統的工程實踐。

關鍵詞：案例教學; 嵌入式系統設計; 案例庫

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）2-167-002

國內關于嵌入式系統設計課程的教學研究工作由來已久。例如，國防科技大學的徐欣[1]分析了嵌入式系統課程教學的特點，研究了多媒體課堂教學和課外實踐相結合的教學方式，并提出了一些開展教學工作的具體建議。浙江農林大學的宋洪軍[2]采用案例驅動的嵌入式系統教學方法，促使教與學有效結合，激發了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果。合肥電子工程學院的盧燦舉[3]指出引入案例教學法不失為解決當前嵌入式系統課程教育困境的一種創新型教學改革實踐。大理大學工程學院的楊春麗[4]針對嵌入式課程教學，提出了優化教學內容、建立典型案例庫及采用開發板進行實驗相結合的教學方法，取得了較好的教學成果。

從以上分析可知，針對研究生開設的嵌入式系統設計課程，越來越多的高校采用了案例式教學方法，個別高校已經著手開展案例庫的建設工作。因此，嵌入式系統設計教學案例庫建設將是今后的發展趨勢。本文基于我校專業學位碩士研究生課程教學案例庫建設項目，探討嵌入式系統設計課程案例庫建設及教學實踐的方法。

1.嵌入式系統設計課程內容與特點

嵌入式系統設計是我校機械工程學科各專業研究生，如機械制造及其自動化、機械電子和車輛工程的一門重要課程。通過本課程的學習，要求學生能對飛思卡爾半導體公司16位S12X系列微控制器中的CPU、GPIO接口、定時中斷、AD采樣、PWM波、脈沖捕捉、SCI串口通信、存儲器EEPROM以及CAN通信等模塊有較為深刻的認識，掌握嵌入式控制系統軟件中這些模塊的設置方法和應用技巧。

嵌入式系統設計課程主要特點如下：

（1）知識碎片化。嵌入式系統設計課程涉及到硬件電路原理、微控制器內存映射原理、片上各外設模塊寄存器定義、模塊初始化方法，以及利用C語言和編譯環境進行軟件程序的設計和調試等內容。這些內容之間既有相互獨立性，又有很強的關聯性。

（2）多學科交叉。嵌入式控制系統的內容涵蓋了模式識別、傳感器技術、電氣、通信、控制、計算機、機械和能源等多個學科的知識，對學生的知識融合和實踐動手能力，均提出了較高的要求。

（3）實踐性強。嵌入式系統設計課程最突出的特點就是工程應用能力。課程理論知識與工程應用之間存在緊密的聯系，對基礎知識的理解和掌握程度決定了工程應用的級別和深度。嵌入式系統設計課程基礎知識抽象，初學者通常感到晦澀難懂，逐漸會失去信心和興趣，另外，過分強調基礎知識的重要性，在課時量有限的情況下尤其不利于學生工程實踐能力的培養。因此，如何解決好這對矛盾是案例庫建設和教學實踐的關鍵。

2.嵌入式系統設計課程案例庫

根據嵌入式系統設計課程的教學內容和特點，簡單的課堂多媒體講解并不能讓學生真正了解和掌握該課程要求的知識。因此，需要建立一套適合嵌入式系統設計課程的案例庫，幫助學生更好地提高嵌入式軟件的編程能力。

2.1構建實驗驅動的案例庫

研究生開設的嵌入式系統設計課程有小班上課的特點，滿足課堂上人手一套實驗裝置的條件，因此案例庫建設的核心和首要任務是設計具有工程背景的實驗案例。嵌入式系統設計課程構建的案例庫名稱、涵蓋的知識點和案例背景情況，如表1所示。

從表1可以看出，案例庫涵蓋了S12X系列微控制器的內設主要模塊，案例順序遵循由易到難、由簡單到復雜的原則。同時，后面案例應盡可能包含前面案例中的模塊，以提高重要知識點的學習頻率，有利于學生工程實踐能力的提高。

2.2教學案例設計

實驗驅動的案例庫離不開授課階段嵌入式系統基礎知識的支撐。表1中的實驗案例屬于實際操作環節，但需要微控制器內部各模塊基礎知識的支撐，因此需要開發嵌入式系統基礎知識PPT課件。例如，S12X系列MCU內部結構、存儲器映射原理、應用程序運行機制、嵌入式C語言編程，以及表1中各個內設模塊的相關知識等。

2.3案例庫文件

嵌入式系統設計課程案例庫文件主要包括案例文本文件、PPT文件以及視頻文件等。嵌入式系統設計課程案例庫文件情況，如表2所示。

在表2中，把授課分為基礎知識講解和案例庫實驗兩個階段。通常情況下先講基礎知識部分，然后再開展實驗教學，也可以穿插進行。課程視頻是基于課程PPT文件錄制的課程講解視頻;案例文本結構包括案例主題、目標、要求、背景、知識點分析、內容和驗證結果;案例視頻是基于案例文本和PPT錄制的現場編程和調試視頻。上述文件學生均可通過建設的云實驗平臺進行反復觀摩和學習。

3.嵌入式系統設計課程案例庫實施

研究生開設的嵌入式系統設計課程有28個課時量，采用案例教學法后，課程知識部分分配10個課時，剩余的18個課時用于案例庫中9個實驗的案例教學。課程基礎知識和實驗案例的教學采用交叉方式進行。例如，當講解MCU內部結構、存儲器映射、應用程序運行機制和嵌入式C語言編程等內容時，不引入案例環節;當講解MCU內部各個模塊原理及應用時，則引入案例并組織學生進行現場編程、分析和討論，探究案例背后涉及的知識和物理意義，重新認識課程理論知識重要性。

學生可以在課前或課后登錄云實驗平臺，觀看各個環節的課件和視頻，也可以通過該平臺反復練習案例庫的實驗。

嵌入式系統設計已經廣泛應用于各種控制系統領域，學生通過課程學習應掌握這門課的理論知識，最重要的是應具備工程應用的能力。本文探討了實驗驅動的案例庫建設經驗，介紹了案例庫的建設和實施方法，基于這些案例庫資源，學生能更深刻地了解嵌入式系統設計的知識和方法，并運用這些知識更好地開展嵌入式系統的工程實踐。

基金項目：中原工學院研究生教育教學改革研究項目（ALK201906）

參考文獻：

[1]徐欣，于紅旗，盧啟中.“嵌入式系統設計技術”課程教學研討[J]高等教育研究學報，2004，27（2）：59-60

[2]宋洪軍，胡軍國，童孟軍.基于案例驅動的嵌入式系統教學改革與研究[J]教育教學論壇，2017，（9）：112-113

[3]盧燦舉，張云峰，高春穎，等.案例教學下嵌入式系統課程的改革與實踐[J]計算機工程與科學，2016，38（1）：248-251

[4]楊春麗.應用型本科院校單片機課程教學改革與實踐[J]教育教學論壇，2017，（35）：141-142