基于CDIO嵌入式系统开发课程教学改革探析

张志勇，于繁华

(长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032)



基于CDIO嵌入式系统开发课程教学改革探析

张志勇，于繁华

(长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032)

[摘要]目前，高等学校计算机及相关专业大多已将嵌入式系统开发课程引入教学中，但由于嵌入式系统开发课程较难理解，学生不易快速掌握。本文以长春师范大学嵌入式系统开发课程为例，引入CDIO工程教育改革方式，通过对嵌入式开发项目的确定，对理论与实验教学进行改革，并及时总结教学改革成果。

[关键词]CDIO；教学改革；嵌入式开发

近几年，以CDIO工程教育为代表的教学改革备受关注。CDIO的核心是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[1]。但是，基于CDIO嵌入式系统开发课程教学改革在国内高校中开展得很少。本文主要对嵌入式系统开发课程理论、实验及实训教学改革进行研究与分析。

1基于CDIO嵌入式开发项目的确定

随着社会对嵌入式人才需求的不断增长，许多高校开设了嵌入式系统开发课程[1]。主要以传统的相关教材作为理论课程，使用相关的实验箱作为实验课程，这种教学方式使学生难以理解。长春师范大学计算机科学与技术专业的嵌入式系统开发课程引入了CDIO教学改革理念，对理念课程、实验课程及实训课程进行了大胆的改革。本门课程的课程组成员首先对嵌入式系统开发课程的课程实训项目进行规划和设计，主流处理器如图1所示。

图1　主流处理器

目前，AVR、AT89C51处理器、STC89C52处理器和ARM915处理器是目前教学用的主流嵌入式微处理器。课程组教师经过讨论，决定使用ARM15处理器，设计“定时智能开关”项目作为最后实训的一级项目[2]。

“定时智能开关”项目作为实训的一级项目，其中又细分四个二级项目分别为：蜂鸣器模块；继电器及外围电路模块；按钮及外部中断模块；数码管及LED显示模块。

在每个二级子项目下设置三级项目，如下所示。

(1)数码管及LED显示模块中的三级项目(6个)。三级项目21301闪烁的LED广告灯；三级项目21302流水的LED广告灯；三级项目21303左右跑马的LED广告灯；三级项目21304二进制加法实验LED灯；三级项目21305分立式数码管循环显示0～9；三级项目21306集成式数码管动态扫描显示。

(2)按钮及外部中断模块中的三级项目(6个)。三级项目22307用按键实现计数加减；三级项目22308用外部中断实现计数加减；三级项目22309 TO，方式1，计时设计一个发光二极管闪烁，0.05S开关一次；

三级项目22310 T0、方式1实现1秒中断；三级项目22311 T0、方式1实现四位数码管分秒计时器；三级项目22312 T0、方式1实现四位数码管分秒计时器且可通过外部中断0，1设置分秒。

(3)蜂鸣器模块中的三级项目(3个)。三级项目22313设计一个固定声音频率；三级项目22314声音由高到低；三级项目22315电子门铃。

(4)继电器及外围电路模块中的三级项目(3个)。三级项目22316使用P0.0口控制继电器实现对220V照明灯的控制；三级项目22317数码显示4X4键盘矩阵创新套件；三级项目22318LED模拟交通灯创新套件。

通过研究，计划分为18个三级项目，并将这些项目按教学进度分配到相应的教学周。每一个教学周完成不同的内容，之后阶段验收二级项目，最后完成“定时智能开关”一级项目[3]。

2基于CDIO嵌入式开发理论内容改革

传统的嵌入式开发课程理论内容以教师讲为主，但目前国内并没有适合本科专业所使用的教材，所以学生学习起来比较困难。本课程组教师依据CDIO工程教育理念，对理论课程的内容进行了大胆的改革[4]。

根据所选择的一级项目至三级项目，有针对性地对三级项目中涉及的理论知识点进行论述和讲解，即在实验中用到什么内容就结合实际情况讲授什么内容。

课程组成员用近两年时间，编写出符合实际教学的讲座如下：

第0讲——导引课程(2学时)。

主要针对本学期的设计目标，为学生讲解清楚，让学生在学习之初便可以清晰地了解这学期的设计目标。导引课程的安排非常重要，可以说上好导引课程就已完成本门课程50%的目标。学生以往只是听教师讲，很少主动地参与到课堂中去。因此，在导引课程中，教师可以告诉学生这学期要做什么、怎样做、如何做，最后达到什么目标。

第1讲——PROTEUS基本操作(2学时)。

第2讲——元器件属性及编号设置(2学时)。

PROTEUS软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)工具软件，它集成了高级原理图布图、混合模式SPICE电路仿真、PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)设计以及布线，可以实现一个从概念产品到设计成的完整的电子设计。在第1讲和第2讲中，教师主要对这款仿真软件使用方法加以介绍，以便学生自己以后学习使用。

第3讲——嵌入式处理器程序编写和编译(4学时)。

第4讲——节点、总线连接技术(4学时)。

keilKeil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能、结构性、可读性、可维护性上具有明显的优势，易学易用。在第3讲和第4讲中，教师主要对这款IDE开发软件使用方法加以介绍，提高学生独立开发程序和创新的能力。

第5讲——一位数码管计数器(6学时)。

第6讲——四位数码管计时器(6学时)。

数码管是生活中经常用到的电子器件，一般可以分为1位、2位、3位和4位数码管。可定时供电插座项目设计中用到的是4位数码管，因此在第5讲和第6讲中，教师主要讲解数码管的使用方法。

第7讲——蜂鸣器(2学时)。

蜂鸣器可以用来设计电子琴、警报器等产品，其在定时供电插座项目中的主要作用是提醒用户，定时时间到就发出提示音。

第8讲——继电器(2学时)。

定时供电插座是通过弱电控制强电，这就需要用到继电器。继电器常用的有5脚和6脚的DVC5V继电器，通过5V电压控制继电器的开关，可以控制220V插座的供电。

第9讲——定时供电插座设计(4学时)。

这一讲是综合设计型实验[5]。通过本项目的制作可以验收学生本学期的学习效果。通过对前四个二级项目的回顾和讲解，引出本项目，使得学生能够利用所学习的内容来设计与制作产品，最终提高学生的创新和独立解决问题的能力。

3基于CDIO嵌入式开发实验内容改革

实验教学内容的创新与改革主要是通过一级项目“定时智能开关”的制作，确定最终的设计目标。为达到这个目标，需要进行相应实验教学内容的设置。主要进度与内容如表1所示。

表1　实验教学安排

根据已经确定好的实验项目，课程组教师经过2～3年时间的努力，最终编写了相应教材，并于2014年7月出版《嵌入式系统实验指导书》，此书为普通高等学校十二五规划教材；制作并完成三级项目18个(仿真、实物均已经完成)、二级项目4个(仿真、实物均已经完成)、一级项目1个(仿真、实物均已经完成)。

4基于CDIO嵌入式开发课程教改革成果

CDIO嵌入式开发课程教改革已在2013级计算机科学与技术专业(本)、2012级计算机应用技术专业(专)嵌入式实验教学中开展，取得了良好的教学效果。本实验仿真平台共6大类、18个实验。其中包括18个验证性实验和1个综合性实验[6]。

在2012级计算机科学与技术专业(本)实验教学中，学生共计102人，未使用CDIO教学改革时，完成验证性实验79人，验证性实验完成率为77.5%；完成综合性实验67人，综合性实验完成率为65.7%。

在2013级计算机科学与技术专业(本)实验教学中，学生共计98人，使用CDIO教学改革时，完成验证性实验88人，验证性实验完成率为89.7%；完成综合性实验79人，综合性实验完成率为80.6%。

可见，使用CDIO教学改革以后，验证性实验完成率提高了12.2%；综合性实验完成率提高了14.9%。使得嵌入式开发实验教学质量有了很大的提高。

[参考文献]

[1]张志勇,李晓宁.基于F2AP网络安全策略模型研究[J].情报科学,2014(2):35-38，42.

[2]张志勇,唐永林,邢国春,等.基于O2O模式的嵌入式智能生态系统模型研究[J].情报科学,2016(2):96-99.

[3]袁静.《小型网络组建》精品课程移动终端app的开发[J].现代计算机:专业版,2014(12):61-67.

[4]王新荣,张霞,李小海,等.高等理工科课程教学方法及教学手段改革研究[J].中国电力教育,2013(1):110-111.

[5]尹利,曹卫刚,王晓欢.浅谈CMOS集成电路的应用[J].无线互联科技,2012(7):183.

[6]杨明珊,谭凤杰,李志中,等.电磁场与电磁波实验仿真系统[J].郑州大学学报:理学版,2013(2):64-67.

[中图分类号]G710

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)04-0119-04

[通讯作者]于繁华(1970- )，男，教授，从事人工智能与计算机网络研究。

[作者简介]张志勇(1972- )，男，副教授，从事嵌入式与计算机网络研究。

[基金项目]吉林省教育科学“十二五”规划项目基于“嵌入式系统基础课程智能化实验仿真系统的研究”(GH150554)；吉林省高等教育学会规划重点项目“嵌入式系统开发课程虚拟仿真实验平台建设研究”(JGJX2015C55)。

[收稿日期]2016-03-01