本站原创[摘 要 ]本文以提高生物医学工程专业单片机与嵌入式系统专业课教学质量为目标,阐述了实践性课程教学改革的主要内容,讨论了基础理论教学、课内实验设计、科研项目案例教学、课程设计与交流互动、学科竞赛等教学方法,构建了一套系统可行的实践性专业课程教学方法,使专业课教学实践贯穿于整个人才培养阶段,在丰富多彩的教学内容改革和创新人才培养体系方面进行了积极地研究和探索.
[关 键 词 ]课堂教学 实验设计 课程设计 工程实践 人才培养
近年来,随着计算机技术和电子技术的飞速发展,单片机与嵌入式系统产品以其高性能、低功耗、应用方案灵活、成本低廉等诸多优点,在工业控制、军事国防、航空航天、网络通信、消费电子等行业发挥着重要作用,广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落.在生物医学工程专业,嵌入式系统在生理参数测量、传输、监测,在完善医疗辅助设备,以及研发新型医疗仪器等方面都有着重要应用.
本文针对生物医学工程专业本科生,在单片机嵌入式系统课程教学过程中存在的问题,提出了一系列教学改革措施,改善工程实践性很强的课程教学效果,使学生在有限的时间里获得最大的收获,在嵌入式系统应用和设计等方面获得丰富的实践经验.
一、单片机教学实践中存在的主要问题
嵌入式系统开发的难度较大,门槛较高,往往要求研发者具备良好的软硬件知识和设计、开发、调试、测试技能,以及扎实的专业知识.如何培养出具备扎实的基础理论知识和实践开发能力的高素质研究型人才是学校嵌入式教学的首要任务[1].
单片机与嵌入式技术课程知识结构复杂,涉及的内容繁多,实践性强.大学生如果能够掌握相关技术,就能成为满足实际研发需要的复合型工程技术人才.但是目前大学嵌入式人才培养和教学与企业科研需求之间存在一定的偏差,造成学生的创新精神和实践动手能力不足,导致理论学习与人才需求出现了脱钩[2,3].主要问题表现在：
（1） 授课内容过时、枯燥,不能紧跟嵌入式技术最新发展现状,不能满足实际需要；
（2） 对嵌入式操作系统的讲授和配套实验内容严重不足；
（3） 综合设计性实验较少,不注重学生的综合应用能力培养；
（4） 实验设计内容单一,不具备研发价值.
二、教学改革实践
作为全国最早开设生物医学工程专业的学校,单片机教学始终是最重要的专业选修课之一,目前课程以ARM-V4版的RM7TDMI-S内核为核心,以飞利浦公司的LPC2000系列单片机为应用目标,在教学内容、互动教学、实验设置、创新实践等方面进行了积极的探索和研究,使传统的专业实践课程焕发出新的光彩.
(一)坚持理论与实践相结合的教学模式
大学学习内容应该以理论学习为主,尤其是针对32位ARM单片机,必须搞清楚ARM7内核的基本结构,7种处理器工作模式的定义及特点,标准32位ARM指令和16位的Thume指令使用,主要寄存器与基本外设定义等知识点,学习理解这些基本概念对于掌握32位ARM单片机的工作原理,举一反三,进而熟悉相关单片机应用技术提供了重要的基础理论保障.
在程序设计方面采用大量程序设计实例,在讲授程序设计思想的同时加速理解汇编语言使用方法,初步学习C交叉汇编语言程序设计方法,为后续硬件系统实验奠定基础；在讲述硬件系统设计时,围绕单片机主要外设类型,不拘泥于具体单片机型号,以不同外设的基本工作原理和控制寄存器为主要内容,同时增加应用实例,提高学习兴趣和学习效果；在课程配套实验设计方面,更加关注实验教学模式和实验内容设计[4,5],从操作技能学习到认知技能学习,按照学生实践技能学习基本规律,设计实现了7个共16个课时的实验内容,包括了IO接口、基本外设,操作系统移植,数字信号处理,综合系统设计等实验内容,涵盖了嵌入式单片机系统主要技术要点,使学生在有限时间里就可对单片机应用技术有一个较全面的学习和能力培养.
(二)利用优势资源,丰富教学内容
针对课程实践性很强的特点,我们结合学校科研项目,对嵌入式系统在医学仪器设计应用方面进行了卓有成效的实践,突出了课程教学的实用性,强化了学习内容的工程观念,取得了很好的教学效果.
我们将多参数生命参数监护系统设计引入课堂教学,其硬件单元主要包括生理数据采集、ARM内核、人机接口、SD卡存储器、GPRS、GPS、电源管理等模块,系统从温度传感器电路等模拟电路设计,到大容量锂离子电池优化和电源模块设计,从系统数据存储结构设计,到远程通讯规约设计、地理信息使用.在介绍这些软硬件功能模块基础上,再引入嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,按照设备依赖性、关键性、紧迫性等任务划分原则构成一套多任务系统,逐步引入任务设计、时间管理、中断管理、内存管理、进程管理与同步,资源同步、数据管理等关键知识内容,使学生在6-8个课时内学习熟悉一种实际应用系统设计方法,加深对所学知识和应用环境的正确理解.
(三)重视互动教学,追求质量卓越
由于课时的限制,大量增加实践教学内容是有一定困难的,为了能够达到预期教学目标,增加了课程设计的内容,希望通过课外阅读和研究,巩固嵌入式单片机的教学内容,增强学生对嵌入式系统在日常生活中的应用技能,课程设计的完成质量则要通过PPT答辩互动,师生共同评分进行保障,使单个设计内容通过交流互动达到全体共享,互相学习的目的.
课程设计包括三个设计任务,2人一组,每组选择一个任务题目进行研究设计,表1是部分课程设计题目,任务要求如下：
表1：单片机与嵌入式系统课程设计任务选编
①完成一项有关单片机及嵌入式系统在日常生活方面应用的项目设计,要求有明确的设计目标,具体可行的设计参数和可能达到的技术指标.
②针对一种嵌入式操作系统进行深入的介绍和移植方法的研究.要求内容包括内核特点,进程管理,内存管理,移植方法、BSP（board support package）编程等. ③针对多种嵌入式操作系统进行深入的对比研究和综述,选择4种以上的操作系统,主要从任务调度机制,数据同步和通讯机制比较,内存及数据架构与管理,支持的硬件功能,中断管理,实时性,市场份额,发展前景等多项参数进行对比研究.
通过2个月时间的研究准备,在学期末进行全体师生共同参加的课程设计答辩会,由一位同学进行PPT讲解,另一位同学负责回答质询问题.考核成绩按照20分标准,由全体同学打分,并与教师分数加权计算后再进行归一化处理,使答辩评分更加客观合理.
(四)结合学科竞赛,加强实践创新人才培养
单片机的教学可以贯穿于整个高年级教学实践活动中,在课程教学之外,通过鼓励学生积极参加电子创新类学科竞赛,鼓励学生进入实验室进行创新科技活动,在具体科研实践中使学生获得更多更丰富的专业知识,进行科研能力的培养[6].
在大学生创新实验项目“超声注射药物溶解加速器”研发过程中,小组5名同学从系统的设计思想、模块规划、硬件构成、功能设计、软件设计等项目内容进行了深入的研制工作,以MSP430单片机为主体,构建了包括反馈采样、键盘显示,频率合成、高频功率放大、匹配电路和超声换能器等组成的系统硬件,仅软件程序就达450余行,系统通过药物对比实验,对整个加速溶解系统进行了综合测试,取得了明显加速药物溶解的效果,并取得了国家发明专利授权.
在“生物医学工程教学仿真人系统”项目中,利用单片机技术模拟产生人体真实生理信号,通过对生理信号进行采样,预处理,无线发射到主机模块,并通过LabVIEW设计上位机多参数生理监护软件,实现了经人体生理参数动态采集显示.该系统设计思想来源于医学仪器课堂教学,最终通过将其回馈应用于课堂教学和实验教学,对学生的理论知识起到了积极的作用.
三、小结
嵌入式系统是一个朝气蓬勃、发展迅速的专业领域,人才稀缺,门槛较高,针对目前课堂教学与实践教学存在的种种不足,我们深刻体会到必须改变单一的课堂教学模式和刻板的被动灌输式教学方法,在课堂教学中我们注意到既要重视基础理论内容的教学,在有限的课时内使学生得到一个完整的单片机与嵌入式系统知识体系,为科研实践提供有力的知识保障.同时,作为实践性很强的课程教学,我们利用一切可利用资源用于教学,将教师科研成果引入教学,通过具体科研项目案例强化学习内容的工程观念；利用课外学时增加课程设计内容,采用项目导向式教学方法,实现了交流互动,资源共享,共同进步的教学目标；利用各类电子学科竞赛和开放实验室,使单片机科研实践贯穿于整个人才培养阶段,在具体科研实践中使学生获得更多更丰富的专业知识,进行科研能力的培养,实现了全阶段立体式创新人才培养.
[参考文献]
[1]黎斌,《单片机原理与接口技术》课堂教学探讨,考试周刊,2012年第4期.
[2]陈淑洁,单片机实践教学存在的问题与对策,实验室研究与探索,VOL.30,NO.9,Sep.,20l1.
[3]柏春岚,刘豪,高校实验教学改革的探索,高校实验室工作研究,VOL.30,NO.3,Sep.,2011.
[4]吴磊,嵌入式教学与实验的研究,实验室研究与探索,V0L.30,N0.11,NOV.,2011.
[5]李秀娟,张晓东,鲁可,张杰,“嵌入式系统"开放实验室建设与实践,实验室研究与探索,VOL.3O,NO.5,May,2011.
[6]陈吉明,创新实践课程教学中科学思维能力的培养,实验室研究与探索,VOL.30,NO.2,Feb.,2O11.
（作者单位：西安交通大学 生物医学工程系 陕西西安）