嵌入式系统设计课程案例库建设

牛继高 徐春华 丁舟波 朱从云 张凯

摘 要：针对嵌入式系统设计研究生课程内容多而杂、多学科交叉和实践性要求高的特点，本文探讨了实验驱动的案例库建设经验，介绍了案例库的建设和实施方法。实践结果表明，基于这些案例库资源，学生能更深刻地了解嵌入式系统设计的知识和方法，并运用这些知识更好开展嵌入式系统的工程实践。

关键词：案例教学; 嵌入式系统设计; 案例库

中图分类号：G642            文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）2-167-002

国内关于嵌入式系统设计课程的教学研究工作由来已久。例如，国防科技大学的徐欣[1]分析了嵌入式系统课程教学的特点，研究了多媒体课堂教学和课外实践相结合的教学方式，并提出了一些开展教学工作的具体建议。浙江农林大学的宋洪军[2]采用案例驱动的嵌入式系统教学方法，促使教与学有效结合，激发了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。合肥电子工程学院的卢灿举[3]指出引入案例教学法不失为解决当前嵌入式系统课程教育困境的一种创新型教学改革实践。大理大学工程学院的杨春丽[4]针对嵌入式课程教学，提出了优化教学内容、建立典型案例库及采用开发板进行实验相结合的教学方法，取得了较好的教学成果。

从以上分析可知，针对研究生开设的嵌入式系统设计课程，越来越多的高校采用了案例式教学方法，个别高校已经着手开展案例库的建设工作。因此，嵌入式系统设计教学案例库建设将是今后的发展趋势。本文基于我校专业学位硕士研究生课程教学案例库建设项目，探讨嵌入式系统设计课程案例库建设及教学实践的方法。

1.嵌入式系统设计课程内容与特点

嵌入式系统设计是我校机械工程学科各专业研究生，如机械制造及其自动化、机械电子和车辆工程的一门重要课程。通过本课程的学习，要求学生能对飞思卡尔半导体公司16位S12X系列微控制器中的CPU、GPIO接口、定时中断、AD采样、PWM波、脉冲捕捉、SCI串口通信、存储器EEPROM以及CAN通信等模块有较为深刻的认识，掌握嵌入式控制系统软件中这些模块的设置方法和应用技巧。

嵌入式系统设计课程主要特点如下：

（1）知识碎片化。嵌入式系统设计课程涉及到硬件电路原理、微控制器内存映射原理、片上各外设模块寄存器定义、模块初始化方法，以及利用C语言和编译环境进行软件程序的设计和调试等内容。这些内容之间既有相互独立性，又有很强的关联性。

（2）多学科交叉。嵌入式控制系统的内容涵盖了模式识别、传感器技术、电气、通信、控制、计算机、机械和能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力，均提出了较高的要求。

（3）实践性强。嵌入式系统设计课程最突出的特点就是工程应用能力。课程理论知识与工程应用之间存在紧密的联系，对基础知识的理解和掌握程度决定了工程应用的级别和深度。嵌入式系统设计课程基础知识抽象，初学者通常感到晦涩难懂，逐渐会失去信心和兴趣，另外，过分强调基础知识的重要性，在课时量有限的情况下尤其不利于学生工程实践能力的培养。因此，如何解决好这对矛盾是案例库建设和教学实践的关键。

2.嵌入式系统设计课程案例库

根据嵌入式系统设计课程的教学内容和特点，简单的课堂多媒体讲解并不能让学生真正了解和掌握该课程要求的知识。因此，需要建立一套适合嵌入式系统设计课程的案例库，帮助学生更好地提高嵌入式软件的编程能力。

2.1构建实验驱动的案例库

研究生开设的嵌入式系统设计课程有小班上课的特点，满足课堂上人手一套实验装置的条件，因此案例库建设的核心和首要任务是设计具有工程背景的实验案例。嵌入式系统设计课程构建的案例库名称、涵盖的知识点和案例背景情况，如表1所示。

从表1可以看出，案例库涵盖了S12X系列微控制器的内设主要模块，案例顺序遵循由易到难、由简单到复杂的原则。同时，后面案例应尽可能包含前面案例中的模块，以提高重要知识点的学习频率，有利于学生工程实践能力的提高。

2.2教学案例设计

实验驱动的案例库离不开授课阶段嵌入式系统基础知识的支撑。表1中的实验案例属于实际操作环节，但需要微控制器内部各模块基础知识的支撑，因此需要开发嵌入式系统基础知识PPT课件。例如，S12X系列MCU内部结构、存储器映射原理、应用程序运行机制、嵌入式C语言编程，以及表1中各个内设模块的相关知识等。

2.3案例库文件

嵌入式系统设计课程案例库文件主要包括案例文本文件、PPT文件以及视频文件等。嵌入式系统设计课程案例库文件情况，如表2所示。

在表2中，把授课分为基础知识讲解和案例库实验两个阶段。通常情况下先讲基础知识部分，然后再开展实验教学，也可以穿插进行。课程视频是基于课程PPT文件录制的课程讲解视频;案例文本结构包括案例主题、目标、要求、背景、知识点分析、内容和验证结果;案例视频是基于案例文本和PPT录制的现场编程和调试视频。上述文件学生均可通过建设的云实验平台进行反复观摩和学习。

3.嵌入式系统设计课程案例库实施

研究生开设的嵌入式系统设计课程有28个课时量，采用案例教学法后，课程知识部分分配10个课时，剩余的18个课时用于案例库中9个实验的案例教学。课程基础知识和实验案例的教学采用交叉方式进行。例如，当讲解MCU内部结构、存储器映射、应用程序运行机制和嵌入式C语言编程等内容时，不引入案例环节;当讲解MCU内部各个模块原理及应用时，则引入案例并组織学生进行现场编程、分析和讨论，探究案例背后涉及的知识和物理意义，重新认识课程理论知识重要性。

学生可以在课前或课后登录云实验平台，观看各个环节的课件和视频，也可以通过该平台反复练习案例库的实验。

嵌入式系统设计已经广泛应用于各种控制系统领域，学生通过课程学习应掌握这门课的理论知识，最重要的是应具备工程应用的能力。本文探讨了实验驱动的案例库建设经验，介绍了案例库的建设和实施方法，基于这些案例库资源，学生能更深刻地了解嵌入式系统设计的知识和方法，并运用这些知识更好地开展嵌入式系统的工程实践。

基金项目：中原工学院研究生教育教学改革研究项目（ALK201906）

参考文献：

[1]徐欣，于红旗，卢启中.“嵌入式系统设计技术”课程教学研讨[J]高等教育研究学报，2004，27（2）：59-60

[2]宋洪军，胡军国，童孟军.基于案例驱动的嵌入式系统教学改革与研究[J]教育教学论坛，2017，（9）：112-113

[3]卢灿举，张云峰，高春颖，等.案例教学下嵌入式系统课程的改革与实践[J]计算机工程与科学，2016，38（1）：248-251

[4]杨春丽.应用型本科院校单片机课程教学改革与实践[J]教育教学论坛，2017，（35）：141-142