計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的理論化、知識(shí)化傳授方法中存在的問題，以模塊化教學(xué)為導(dǎo)向，提出嵌入式課程教學(xué)分層次人才培養(yǎng)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能單元精細(xì)化、分模塊化平臺(tái)教學(xué)方案，優(yōu)化了教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，提升了教學(xué)效果，提高了學(xué)生嵌入式系統(tǒng)綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)模式；課程體系；人才培養(yǎng)

1嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)思路

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式改革涉及嵌入式課程體系的設(shè)置、理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展、綜合設(shè)計(jì)與學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)等方面，教學(xué)體系設(shè)計(jì)以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力為出發(fā)點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)能力為導(dǎo)向，構(gòu)建精講多練的模塊化課程體系和教學(xué)知識(shí)體系。

1.1合理設(shè)置分層培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)

嵌入式教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)分層次培養(yǎng)環(huán)節(jié)。在教學(xué)中可按照人才培養(yǎng)分類，分層次進(jìn)行嵌入式人才培養(yǎng)：一是以面向應(yīng)用為主，培養(yǎng)學(xué)生能夠針對(duì)某個(gè)具體的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的能力，這屬于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的基本層次，培養(yǎng)嵌入式應(yīng)用軟件人才；二是培養(yǎng)的學(xué)生能夠進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)和開發(fā)，具有綜合系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用能力，因此，在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生軟件、硬件設(shè)計(jì)開發(fā)能力[2]。

1.2優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

以人才培養(yǎng)與社會(huì)行業(yè)需求度為導(dǎo)向，以“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)”為目標(biāo)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革創(chuàng)新。做到課程結(jié)構(gòu)“任務(wù)模塊化”、課程模塊“動(dòng)態(tài)組合化”；使課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容不斷更新。實(shí)際教學(xué)中采用靈活多樣的教學(xué)方法體系，具體方法：(1)對(duì)于初級(jí)嵌入式系統(tǒng)各模塊按統(tǒng)一模式講解，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，加深對(duì)嵌入式軟硬件結(jié)合的理解；(2)通過函數(shù)封裝等技術(shù)對(duì)外設(shè)、接口設(shè)置和操作進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如在以NXP單片機(jī)為核心的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)上，進(jìn)行硬件和軟件模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)；(3)針對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，保持課程實(shí)驗(yàn)課之外，進(jìn)一步加強(qiáng)綜合性的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)獨(dú)立開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)安排，鍛煉學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。對(duì)于部分章節(jié)采用討論式教學(xué)，老師引出問題，學(xué)生進(jìn)行討論，共同設(shè)計(jì)。在不斷討論、解決問題的過程中，有利于學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)和靈活、綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)能力的提高。結(jié)束時(shí)，老師對(duì)設(shè)計(jì)原理、方法和注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，這樣可以激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

2嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)具體設(shè)計(jì)方案

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系構(gòu)建貫穿“以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心”“實(shí)踐教學(xué)”等教學(xué)理念，模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)具體如下。

2.1精細(xì)劃分實(shí)驗(yàn)課程功能單元

嵌入式系統(tǒng)課程因其自身特點(diǎn)，目前理論課按照不同的功能單元進(jìn)行教學(xué)，相應(yīng)地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也按功能單元進(jìn)行劃分，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用最小系統(tǒng)板加底板形式的實(shí)驗(yàn)箱，不易擴(kuò)展和攜帶。筆者曾在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)了嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“口袋化”方案，即把整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為最小系統(tǒng)板、輸入輸出單元板和交互接口板三塊，方便學(xué)生攜帶和課后學(xué)習(xí)演練。細(xì)化初級(jí)嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，盡可能劃分成不可再分割的基本功能模塊，如單片機(jī)與電腦的異步串行通信模塊，制作以MAX232為核心的電路板，配有單片機(jī)和電腦數(shù)據(jù)接口以及電源接口；繼電器模塊，制作以繼電器為核心的小電路板，配有單片機(jī)開關(guān)信號(hào)接口和繼電器開合線路接口；最小系統(tǒng)板則根據(jù)所連的外圍模塊分別給出各模塊的數(shù)據(jù)接口。按功能需求連接需要配置的外圍模塊，進(jìn)行可裁剪式的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)不同的功能模塊在軟件上按照模式設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫操作進(jìn)行封裝。教學(xué)上按照功能原理、操作接口和應(yīng)用進(jìn)行解析。課堂教學(xué)上，不同功能的模塊可按原理、操作、應(yīng)用這種模式講解，便于學(xué)生歸納學(xué)習(xí)理解。理論課講解之后可以隨即分發(fā)最小系統(tǒng)板和相應(yīng)的硬件模塊，實(shí)現(xiàn)理論講授、實(shí)驗(yàn)演練的“一堂化”，讓學(xué)生能理論與操作相結(jié)合，當(dāng)堂消化，提高學(xué)習(xí)和運(yùn)用效率[3]。

2.2設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊化平臺(tái)

嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)中努力做到硬件和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，一方面便于后續(xù)系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)，另一方面方便與其他嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相融合。模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)體現(xiàn)易擴(kuò)展性和可裁剪性，一方面便于教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn)，另一方面便于學(xué)生根據(jù)功能需求裁剪模塊，直接進(jìn)行插件式、積木式系統(tǒng)搭建與實(shí)現(xiàn)，便于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意類的競(jìng)賽或項(xiàng)目設(shè)計(jì)，有助于提高學(xué)生的系統(tǒng)搭建實(shí)現(xiàn)效率、培養(yǎng)創(chuàng)新興趣和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，具體步驟如下。（1）各硬件模塊的調(diào)用與規(guī)范化接口設(shè)計(jì)。各規(guī)范化硬件模塊接口設(shè)計(jì)包括：I/O接口模塊中的撥碼開關(guān)、小鍵盤、LED顯示燈、液晶顯示、蜂鳴器等各組件的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；模擬電路預(yù)處理模塊、片外A/D模塊與D/A模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等；通信模塊：SCI、I2C、SPI各通信接口電路的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及常用無(wú)線通信模塊的接口規(guī)范化設(shè)計(jì)；中轉(zhuǎn)模塊：各種電平轉(zhuǎn)換接口模塊、驅(qū)動(dòng)隔離模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；存儲(chǔ)模塊：常用片外存儲(chǔ)設(shè)備的接口設(shè)計(jì)等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等[4]。（2）相應(yīng)功能模塊的運(yùn)行模式初始化設(shè)置和讀寫操作函數(shù)化封裝，并配以與該功能模塊對(duì)應(yīng)的各硬件模塊的調(diào)用實(shí)例，如多路通用I/O口模塊初始化函數(shù)、讀寫操作函數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的撥碼開關(guān)、繼電器、小鍵盤、LED顯示等模塊的調(diào)用實(shí)例等。（3）撰寫硬件模塊功能原理和接口操作手冊(cè)。在進(jìn)行各功能模塊軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需詳細(xì)撰寫各模塊功能原理、讀寫操作原理、函數(shù)封裝說明、調(diào)用手冊(cè)及對(duì)應(yīng)各硬件模塊的調(diào)用實(shí)例說明。以智能車模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)為例：首先設(shè)計(jì)硬件電路的各個(gè)功能模塊，然后編寫軟件模塊化功能代碼，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與調(diào)試，起到學(xué)生理論實(shí)踐“一堂化”的效果[5]。首先是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，智能驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片，通過I/O口與STM32嵌入式處理器相連接，采用TLP521光藕隔離器技術(shù)，防止電機(jī)運(yùn)行對(duì)嵌入式處理器及其他功能模塊產(chǎn)生電磁干擾；其次是硬件電路原理圖繪制、電路板PCB圖繪制、硬件電路元件的焊接、調(diào)試等；最后是軟件代碼編寫，按照模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)控制模塊的軟件代碼設(shè)計(jì)成相互獨(dú)立的頭文件，主要包括LED流水燈、蜂鳴器、按鍵、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、DS18B20、顯示屏、智能小車、WiFi模塊等單元的測(cè)試程序[6]。測(cè)試程序相互獨(dú)立，既能夠單獨(dú)控制某個(gè)功能模塊，也能相互融合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能控制。在設(shè)計(jì)過程中，教師積極引導(dǎo)，更多工作是讓學(xué)生自己動(dòng)手，“一堂化”教學(xué)有利于學(xué)生加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，更重要的是提高了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)綜合應(yīng)用的能力。

3結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)要對(duì)學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)給予重視。經(jīng)過近幾年實(shí)踐探索，嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、系統(tǒng)綜合能力、團(tuán)隊(duì)合作精神明顯增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率有了很大的提高。模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目類的教學(xué)提供了很好的平臺(tái)，在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上的應(yīng)用取得了顯著成果，學(xué)生積極開展課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，創(chuàng)作了一批優(yōu)秀的課程設(shè)計(jì)作品取得了不少成績(jī)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)嵌入式專業(yè)學(xué)生獲得了全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽國(guó)家三等獎(jiǎng)、安徽省一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)，robgame比賽最佳技術(shù)獎(jiǎng)，2016年獲得安徽省首屆自制教學(xué)儀器成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)等好成績(jī)。并培植了多項(xiàng)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王應(yīng)軍,高國(guó)紅,趙晨萍.計(jì)算機(jī)專業(yè)《嵌入式入式系統(tǒng)》教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育,2010(2):35-37.

[4]李風(fēng)云.計(jì)算機(jī)本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系研究與實(shí)踐[J].高教論壇,2007(4):71-73.

作者：鐘錦 單位：合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院