基于智能小車硬件平臺的“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”項目化課程教學(xué)研究

王 濤，李靚琦，陳紫鵬，張文光

（吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，343000，江西吉安）

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)迫切需求大量的嵌入式技術(shù)人才，當(dāng)今“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”已成為高等學(xué)校電子信息類專業(yè)的必修課，教學(xué)內(nèi)容是以目前主流的嵌入式處理器為核心，為完成特定功能進行軟硬件設(shè)計開發(fā)。目的就是讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及常見設(shè)計開發(fā)方法，著重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，使學(xué)生成為社會需要、行業(yè)需求的技能應(yīng)用型人才[1]。

1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)是一門綜合性課程，本門課程一般是在第四或第五學(xué)期開課，涉及到前導(dǎo)課程較多，如電路、數(shù)電、模電、單片機、傳感器、C 語言等課程，同時還要對這些課程掌握得比較精通，不能僅限于了解。目前學(xué)生學(xué)習(xí)單片機時普遍學(xué)習(xí)的是8 位單片機，而在嵌入式系統(tǒng)中一般是使用32 位單片機，涉及到的知識體系結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，除了常見的應(yīng)用程序的編寫，還會涉及到操作系統(tǒng)程序的編寫，內(nèi)容的廣度與深度遠遠大過8 位單片機，這對剛接觸的學(xué)生來說會非常吃力[2]。同時本門課程是一門理論與實踐并重的課程。學(xué)生需要學(xué)習(xí)很多理論知識，由于難度較大，學(xué)生很難長時間集中注意力。如果沒有設(shè)計足夠吸引人的實訓(xùn)內(nèi)容，實訓(xùn)課時不能很好地與理論課程進行銜接，學(xué)生對實訓(xùn)課沒有多大的興趣，課堂教學(xué)效果會大打折扣，因此，對課程進行項目化改造就顯得非常重要[3]。

2 基于智能小車硬件平臺的項目化改造

利用項目化教學(xué)，將一個大任務(wù)進行分解，得到若干個小任務(wù)點，再將每個小任務(wù)點與知識點聯(lián)系在一起，循序漸進，一步一步最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)。本門課程選用的硬件平臺為51 智能小車，外形如圖1 所示。

圖1 51 智能小車

首先，該硬件將智能小車和單片機開發(fā)板進行二合一，里面包含單片機開發(fā)板一套，不但可以全面學(xué)習(xí)51 單片機開發(fā)板基礎(chǔ)知識，更可以設(shè)計、學(xué)習(xí)、娛樂三管齊下，將學(xué)到的知識融入實踐，真正做到在娛樂中學(xué)習(xí)。其次，該裝置搭載了電壓檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接插在底板插座上使用，實測系統(tǒng)電壓，分析不同實驗裝置與小車之間的效果參數(shù)。最后，該裝置支持多種通信連接方式，通過藍牙、wifi 等通信方式，我們可以在電腦、手機上進行遠距離操控，為后續(xù)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)方面知識打下基礎(chǔ)。同時該智能小車拓展性強，適合學(xué)生DIY設(shè)計，用不同的傳感器可完成不同的花樣玩法，比如：裝上風(fēng)扇電機可拓展成智能滅火車；在小車上加上超聲波舵機云臺，云臺左右轉(zhuǎn)動，判斷周圍環(huán)境距離，可實現(xiàn)高級避障功能；在小車上插上聲音傳感器和人體紅外傳感器，就可以對小車實現(xiàn)聲控和人體感應(yīng)。

結(jié)合企業(yè)實際工作情境，從實用性和學(xué)生的興趣點出發(fā)，設(shè)計了本課程的教學(xué)載體，即以“設(shè)計小車多功能控制系統(tǒng)”為貫穿項目，在該貫穿項目的基礎(chǔ)上下設(shè)“設(shè)計小車運動控制系統(tǒng)”等5 個子項目和15 個訓(xùn)練任務(wù)，如圖2 所示。子項目以小車運動控制系統(tǒng)為基石，在此基礎(chǔ)上不斷對小車的功能進行完善，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在對小車功能進行完善的過程中，各個子項目都遵循“由易到難、由簡到繁”的思路。

圖2 課程項目圖

3 基于硬件平臺的嵌入式課程項目實施

在此，將以直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計項目為例，來講解項目化教學(xué)的具體實施過程。首先在上課前將本節(jié)課的任務(wù)要求給出，如表1 所示。

表1 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計項目的任務(wù)要求

給出任務(wù)要求后，教師接著進行理論教學(xué)，講解本節(jié)課所用到的知識點，為了更生動形象，輔以視頻、動畫、微課等信息化資源，務(wù)求讓所有學(xué)生掌握該知識點。講完之后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，選取硬件平臺的資源，設(shè)計硬件電路。除了單片機最小系統(tǒng)外，還需要按鍵，現(xiàn)有按鍵資源如圖3 所示。學(xué)生自主選取獨立按鍵和矩陣按鍵，然后完成硬件電路的接線。硬件電路完成之后，學(xué)生畫出程序設(shè)計流程圖，最后教師可以給出圖4 所示的參考流程圖。

圖3 按鍵電路圖

圖4 程序設(shè)計流程參考圖

學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的程序控制流程圖，在KEil 4軟件中完成程序的編寫，編譯之后生成HEX 文件，最后將HEX 文件下載到各自組的智能小車中的單片機，上電之后運行電路，查看能否實現(xiàn)任務(wù)要求；如果有問題，則根據(jù)錯誤情況進行軟硬件調(diào)試，直到現(xiàn)象正確為止。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程的特點就是理論與實踐并重，并且當(dāng)今信息技術(shù)及嵌入式技術(shù)更新非常快，這就需要教師在教學(xué)中不斷改進教學(xué)方法，創(chuàng)新教學(xué)模式，探索符合時代發(fā)展的教學(xué)手段。實踐證明，將硬件平臺與課程教學(xué)相結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)求知欲，提高學(xué)生的實踐能力，對培養(yǎng)社會滿意、企業(yè)認同的技術(shù)技能型人才具有重要的現(xiàn)實意義。