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［摘要］結合嵌入式系統原理課程進行課外實驗的教學方法研究，以Arduino單片機為核心，開發了課外實驗教學項目。教學實踐表明，通過所設計的課外實驗項目，教學目標基本達成，學生提高了對嵌入式系統的學習興趣，掌握了單片機AD采樣、PWM占空比調制輸出、IO輸入輸出等基本功能模塊，了解了常見傳感器及執行元件的使用方法，并能夠針對具體的工程需求，設計嵌入式系統的軟硬件。
［關鍵詞］嵌入式系統;實驗教學;課外實驗
1研究目的及意義
嵌入式系統原理課程的內容包括嵌入式系統概念、軟硬件組成、軟硬件開發設計方法等。使學生通過本課程的學習提高嵌入式系統的軟硬件設計能力及解決實際問題的動手能力，為后續專業課程的學習打下堅實的基礎。這是一門理論與實踐緊密結合的課程，學生只有在實驗環節通過自己動手編程才能真正理解和掌握理論授課知識。在國內外眾多高校開設的嵌入式系統課程中，實驗都是課程的必備教學環節。利用MOOC平臺開設的相關課程，為學生提供了可以進行線下獨立實驗操作的實驗裝置。例如，清華大學開設的ARM微控制器與嵌入式系統課程為學生提供了由清華大學老師開發的Blazar教學實驗板［1］。美國德州大學奧斯汀分校開設的嵌入式系統(EmbeddedSystems－ShapetheWorld:MicrocontrollerInput/Output)課程為學生提供的是美國德州儀器TivaTMC系列LaunchPad評估套件［2］。引導學生自主學習是提高其學習成績的最佳手段。為此，本文提出為嵌入式系統原理課程設計課外實驗教學，目的在于配合嵌入式系統原理課程的課堂教學，以期獲得更好的教學效果。
2嵌入式系統原理課程課外實驗項目設計
項目結合嵌入式系統原理課程的實驗教學完成了以Arduino單片機為核心的課外實驗教學設計。分析課外實驗教學的具體需求，調研Infineon、Freescale、STM32、Arduino等多款主流單片機機型，最終選擇了開源的Arduino單片機系統，其集成開發環境(IDE)簡單，開源系統例程豐富，價格低廉，AD采樣、IO輸入輸出、PWM占空比輸出、串口通信、定時技術器等底層控制均由封裝函數實現。AD、IO等外設資源不多，但足夠用于AD采樣、PWM輸出、IO輸入輸出等實驗項目設計。以Arduino單片機系統為核心，設計課外實驗教學內容，要求難度適中，內容涵蓋嵌入式系統原理課程理論授課的關鍵知識點。
3實踐推廣及教學效果分析
3．1實踐推廣
在2017—2018學年第二學期，在2015級車輛工程專業本科生的嵌入式系統原理課程中推行課外實驗教學(課程選課人數39人)。為此，將購置的Arduino單片機系統和各種傳感器、執行器等電子元器件若干套在課程開始時借給選課學生，要求學生在課外時間利用面包板、電子元器件、Arduino單片機搭建測試電路，編寫測試程序，驗證課堂授課內容。在課程結束時，學生提交展示作品并進行現場演示，老師根據展示作品的難度、新穎度和完成度給出評分。其中，難度由系統軟硬件復雜程度體現，新穎度由系統應用的創新程度體現，完成度由作品展示及匯報體現。表2所示為部分學生的作品和評分情況。
3．2教學效果分析
從提交的作品可以看出，學生的學習興趣和積極性得到充分調動，其自主學習能力得以充分發揮。并且，依據所布置的課外實驗項目作業可以獲得更為真實的學生學習效果評價。
3．2．1充分調動學生的學習興趣和積極性
由于學生的興趣、愛好不同，學生的展示項目有所不同。例如，有4名同學選擇了利用單片機播放音樂，音樂曲目的選擇顯然體現了個人喜好。為了提高作品的展示度，需要進一步提高項目的復雜程度。學生設計的方案中，通過LED燈顯示音調或者通過數碼管顯示歌曲順序，這其中最為復雜的功能實現是通過外接鍵盤實現人機交互，除了播放內置的曲目外，還具備錄音功能。
3．2．2充分發揮學生的自主學習能力
受限于課內教學學時，課堂教學的重點主要在于單片機各功能模塊的基本原理和編程控制方法。而學生們在完成匯報項目的過程中，需要了解各種傳感器、執行元件的基本原理和使用方法，這些知識只能通過自行查找資料獲取。例如，利用開關量輸出控制發光二極管亮滅是課堂教學內容，但當需要驅動數碼管動態顯示時就需要用到諸如CD4511這樣的鎖存移碼器了。再如，學生利用Arduino制作1臺計算器，此時發現要實現運算符號的優先級識別，需要利用堆棧的數據結構，這部分知識屬于前修的C程序設計課程中講授的內容。
3．2．3成績評價更為客觀合理
對于嵌入式系統原理課程來說，解決工程實際問題是最終的培養目標。以實際作品進行成績評定更為客觀合理，學生提交的作品反映了他們所投入的精力和時間以及對課程知識點的掌握程度。在作品評分方面，大多數學生能夠上臺展示作品及匯報PPT，獲得了滿分5星評分。在難度評分方面，獲得4星的作品有4個:允許任意長度的輸入，且能識別運算符號優先級的計算器，軟件結構復雜;手機遙控小車需要用到藍牙通信，且嵌入了超聲測距以實現遇到障礙自動停車的功能;自動尋跡小車能用視覺識別道路軌跡線，并控制電機實現轉向、制動;室內溫度自動調節裝置能夠設置目標值，并根據檢測到的光強度自動調節溫度，硬件結構復雜。在新穎度評分方面，學生展示的作品多為傳統的單片機實驗項目，普遍未能獲得高分。分析其原因，其一是受硬件素材限制，其二是大學三年級的學生對實際工程應用幾乎沒有接觸。
4結語
嵌入式系統原理課程是理論與實踐聯系緊密的課程。通過實驗課，學生獨立動手編程，觀察實驗現象，通過感性認識的增強進一步加深對課程知識點的理解。本文的研究意義在于探索實驗教學方法的改革思路，形成多樣化實驗教學體系，并在項目推行過程中激發學生的學習熱情和學習潛力，培養學生的創新意識和實踐能力。教學實踐表明，本文設計的基于Arduino單片機系統的課外實驗教學方法的教學目標基本達成，學生提高了對嵌入式系統的學習興趣，掌握了單片機AD采樣、PWM占空比調制輸出、IO輸入輸出等基本功能模塊，了解了常見傳感器及執行元件的使用方法。但學生提交的作品也反映出其創新能力有所欠缺。在今后的課堂教學工作中，教師可適當介紹單片機的工程應用實例，使學生在自行擬定演示題目時具有更寬廣的思路和眼界。
作者:盧延輝 李向瑜 周淑輝 單位:吉林大學汽車工程學院
