丰富多彩的专业课教学实践

丰富多彩的专业课教学实践

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^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ARMt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

卩C/OS-H，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。