電類嵌入式應(yīng)用技術(shù)的課程設(shè)計
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摘要：為了克服過去電類專業(yè)課程設(shè)計存在的與實際應(yīng)用相脫節(jié)、硬件條件落后、課程設(shè)計內(nèi)容單一陳舊、學(xué)生自主性差等諸多弊端，上海交通大學(xué)電氣工程系建立了以具有廣泛應(yīng)用前景的LED驅(qū)動為應(yīng)用對象，以掌握基于嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動電路的設(shè)計和調(diào)試為目標(biāo)的面向應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計課程。通過利用校企聯(lián)合實驗室資源，保證了硬件平臺的先進(jìn)性。內(nèi)容設(shè)置具有自主實踐性、綜合性和靈活性的特點，實現(xiàn)了由老師為主體到學(xué)生為主體的教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。采用合理的進(jìn)度安排方式，使用資源共享、課堂討論答疑、視頻錄制、綜合考核等多種方法提升學(xué)習(xí)效果。經(jīng)過3年的課程設(shè)計教學(xué)實踐驗證，取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：課程設(shè)計；面向應(yīng)用；電類專業(yè)；嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)
0引言
課程設(shè)計教學(xué)是本科實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)效果好壞直接關(guān)系到學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力以及就業(yè)競爭力的提升[1-2]。傳統(tǒng)的電類專業(yè)課程設(shè)計存在多種弊端。由于課程設(shè)計大多涉及具體硬件的設(shè)計，受到經(jīng)費、資源的限制，硬件條件和課程設(shè)計內(nèi)容上更新遲緩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工業(yè)現(xiàn)場的硬件和技術(shù)，與實際工程應(yīng)用相脫節(jié)[3-4]。另外，課程設(shè)計的內(nèi)容多為傳統(tǒng)的驗證性設(shè)計內(nèi)容，只是按照教師的思路和步驟進(jìn)行機(jī)械式的重復(fù)[5]，學(xué)生自主性差，在課程設(shè)計中沒有發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實際經(jīng)歷，學(xué)生收獲甚微[6-8]。課程設(shè)計內(nèi)容跟不上主流知識和技術(shù)的步伐，對于學(xué)生日后就業(yè)和科研工作的幫助不大，不能滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求[9]。
針對以上問題，我校電氣工程系對過去課程設(shè)計內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了改革。建立了以LED驅(qū)動為應(yīng)用對象的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計。課程設(shè)計圍繞面向應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與程序開發(fā)、調(diào)試，強(qiáng)化應(yīng)用實踐能力培養(yǎng)，培養(yǎng)同學(xué)綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識、結(jié)合實際應(yīng)用實現(xiàn)編程與應(yīng)用調(diào)試的能力。以校企聯(lián)合實驗室的資源為基礎(chǔ)，解決課程設(shè)計硬件上落后的問題[10-12]。將傳統(tǒng)的驗證性課程設(shè)計改變?yōu)槊嫦驅(qū)嶋H應(yīng)用的以學(xué)生為主體的課程設(shè)計內(nèi)容，同時以學(xué)生為主體的同時，注重在教學(xué)過程中采用提高學(xué)習(xí)效果的多種方法，有助于學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[13-14]。
1課程設(shè)計的目標(biāo)和任務(wù)
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計結(jié)合先修課程“嵌入式系統(tǒng)原理與實驗”與實際應(yīng)用對象特點，強(qiáng)化應(yīng)用實踐能力培養(yǎng)。以設(shè)計一個具有基本功能的LED驅(qū)動和控制電路為基本要求,掌握基于嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動電路的設(shè)計和調(diào)試,加強(qiáng)同學(xué)自學(xué)能力和實踐動手能力的培養(yǎng)。
課程設(shè)計目標(biāo)：①掌握嵌入式系統(tǒng)控制芯片的基本編程方式。②以LED驅(qū)動為應(yīng)用對象，掌握電路的設(shè)計和調(diào)試。③掌握基于嵌入式系統(tǒng)的兩種電路的設(shè)計方法,結(jié)合軟件調(diào)試,完成設(shè)計報告。
課程設(shè)計任務(wù)：①LED驅(qū)動部分，完成輸入為直流電源的LED驅(qū)動電路的電路仿真、程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計及樣機(jī)調(diào)試。如果輸入為交流電，整流部分作為拓展任務(wù)。②嵌入式控制部分，采用TM4C123LaunchPad平臺，完成對TM4C123或DSP常用端口的使用，根據(jù)具體內(nèi)容編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)控制功能。
2課程設(shè)計特點
2.1利用聯(lián)合實驗室資源保證硬件持續(xù)更新
嵌入式系統(tǒng)課程本身需要當(dāng)前主流的嵌入式系統(tǒng)硬件作為基礎(chǔ)，使用過期或者已經(jīng)退市的產(chǎn)品授課不僅浪費精力而且對同學(xué)沒有幫助。如何在經(jīng)費有限的條件下保證課程設(shè)計采用當(dāng)前主流的硬件是需要解決的問題。本課程設(shè)計充分利用了校企聯(lián)合實驗室的資源，使用TI公司提供的TM4C123GLaunchPad開發(fā)板，使得課程設(shè)計跟得上當(dāng)今主流產(chǎn)品的步伐。同時聯(lián)合實驗室定期申請新的開發(fā)板應(yīng)用于后續(xù)的課程設(shè)計當(dāng)中，保證了課程設(shè)計硬件條件持續(xù)更新.
2.2課程設(shè)計的內(nèi)容特色
(1)面向應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)課程設(shè)計與實際應(yīng)用脫節(jié)的問題，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計以當(dāng)今應(yīng)用廣泛的高效節(jié)能和長壽命的LED驅(qū)動為對象，具有較強(qiáng)的實用性和良好的應(yīng)用前景[15]。同時該應(yīng)用對象涵蓋的知識點和技能全面，非常適合作為電類專業(yè)課程設(shè)計的內(nèi)容。使用應(yīng)用廣泛的TI公司的TM4C123GLaunchPad開發(fā)板作為嵌入式部分的內(nèi)容，緊跟當(dāng)今主流技術(shù)和產(chǎn)品的步伐，使得同學(xué)的知識和技能跟得上應(yīng)用的潮流。課程設(shè)計內(nèi)容中涉及反激式開關(guān)電源設(shè)計，而反激式開關(guān)電源廣泛地應(yīng)用于工業(yè)場合的電氣設(shè)備和系統(tǒng)當(dāng)中[16]。
(2)自主實踐性。課程設(shè)計最重要的作用就是設(shè)計和動手實踐。過去傳統(tǒng)的課程設(shè)計大多有固定的課程內(nèi)容和固定的操作步驟，同學(xué)們自由發(fā)揮的空間不大。而嵌入式課程設(shè)計課堂上只講解理論內(nèi)容和基本的軟件操作，具體設(shè)計和實踐都是同學(xué)們自主完成。硬件方面，課程理論講解只涉及反激式開關(guān)電源的基本原理，而反激式LED驅(qū)動電路則是學(xué)生們根據(jù)實際要求自行計算設(shè)計，并制作PCB板。軟件方面也只是針對所用到的DSP芯片各個模塊進(jìn)行訓(xùn)練，實際電路中的代碼都是同學(xué)們自己編寫。
(3)綜合性。相對于其他課程設(shè)計內(nèi)容，嵌入式課程設(shè)計不是圍繞單一器件的簡單應(yīng)用，而是設(shè)計一個具有實際應(yīng)用背景的系統(tǒng)?？梢耘囵B(yǎng)同學(xué)電源電路設(shè)計、制作、嵌入式系統(tǒng)程序開發(fā)與調(diào)試等多方面的能力。課程設(shè)計中要求同學(xué)根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行LED驅(qū)動電源參數(shù)計算，原理圖設(shè)計，器件選型，PCB電路板繪制，變壓器繞制，電路焊接，調(diào)試，嵌入式系統(tǒng)程序開發(fā)和調(diào)試等。同學(xué)可以進(jìn)行自主設(shè)計，通過實際的電路制作調(diào)試，初步培養(yǎng)了同學(xué)在工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。課程中涉及多方面基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，涉及調(diào)試能力的培養(yǎng)，大大提高了學(xué)習(xí)的積極性。為同學(xué)日后進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計、研究生階段的科研工作以及日后相關(guān)工作作了很好的準(zhǔn)備。
(4)靈活性。課程內(nèi)容的綜合性同時也帶來了課程設(shè)計的靈活性。傳統(tǒng)的課程設(shè)計一般都是教師統(tǒng)一安排，同學(xué)單純模仿教師操作。由于教師一般會提前試驗成功，因此在課設(shè)中發(fā)現(xiàn)的問題很少，也就失去了在實踐中提高的機(jī)會。而在本課程設(shè)計中，學(xué)生可以根據(jù)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。反激式開關(guān)電路原理圖的設(shè)計、PCB板制作，給同學(xué)提供條件制版，調(diào)試。由于同學(xué)設(shè)計方案不同，設(shè)計出來的系統(tǒng)不同，在設(shè)計過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的問題不同，通過相互交流，進(jìn)一步豐富了同學(xué)們的收獲。同時安排開放實驗室為同學(xué)課外調(diào)試電路提供方便，期間安排答疑解決同學(xué)遇到的實際問題。
除了上述特點，在課程設(shè)計的內(nèi)容安排上考慮難度適中，太容易不能達(dá)到能力提高的效果，太難容易打擊同學(xué)的積極性。考慮有限的時間內(nèi)達(dá)到良好的效果，在獨立設(shè)計的內(nèi)容前面安排集中授課培訓(xùn)的內(nèi)容補充課程設(shè)計的理論知識、技能和軟件操作知識。在此基礎(chǔ)上同學(xué)進(jìn)行自主設(shè)計完成自己的課程設(shè)計作品。這樣既補充了同學(xué)的知識能力體系，又鍛煉了同學(xué)獨立設(shè)計、動手實踐的能力。
3課程進(jìn)度安排
課程設(shè)計的進(jìn)度安排是否科學(xué)直接決定著課程設(shè)計進(jìn)展和教學(xué)效果。課程內(nèi)容包括理論和實踐兩大環(huán)節(jié)。其中實踐又包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。由于課程任務(wù)量較大，既要有對課程有整體認(rèn)識，又要掌握設(shè)計作品必備的理論知識、工具和經(jīng)驗，還要進(jìn)行設(shè)計任務(wù)的具體實踐。雖然課程設(shè)計中的實踐部分十分重要，但是前面基礎(chǔ)知識的掌握情況直接決定著實踐作品的完成效果。
學(xué)期初前三周講解課程概況以及LED的應(yīng)用背景，讓同學(xué)對課程設(shè)計有清晰的認(rèn)識，明確了課程的最終目的。同時也詳細(xì)講解反激電源的原理和設(shè)計方法。接著進(jìn)行課程設(shè)計相關(guān)開發(fā)工具的培訓(xùn)。硬件方面重點介紹AltiumDesigner在原理圖和PCB制作方面的應(yīng)用。包括原理圖繪制以及原理圖庫的使用，PCB走線以及PCB庫的使用。軟件方面則使用TI的嵌入式處理器系列的集成開發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio，重點介紹DSP芯片的GPIO，Timer，ADC，串口以及PWM等模塊，為后面的軟件設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。
在反激式LED驅(qū)動電路的設(shè)計階段，同學(xué)根據(jù)反激電源的原理，基于矽力杰SY5840芯片進(jìn)行反激電路的設(shè)計，制作PCB板并焊接電路。在模擬電路的基礎(chǔ)上又增加數(shù)字部分，同學(xué)結(jié)合硬件電路，設(shè)計軟件程序，對反激電源進(jìn)行有效的控制。
最后是課程設(shè)計的檢測與考核，根據(jù)各小組的實際電路效果進(jìn)行評價打分。
4提升學(xué)習(xí)效果的方法
相對傳統(tǒng)課程，課程設(shè)計的難度較大，任務(wù)比較繁重，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒。在培養(yǎng)學(xué)生自主性的同時，需要在過程中給與足夠的重視，采用多樣化教學(xué)方法幫助，使同學(xué)利用好資源，打好基礎(chǔ)，同時保持思維上的靈活性，遇到問題時具有積極的態(tài)度，學(xué)習(xí)尋找解決問題的途徑，學(xué)習(xí)團(tuán)隊合作，最終設(shè)計出滿意的課程設(shè)計作品。為推進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)度，培養(yǎng)討論氛圍，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，提升學(xué)習(xí)效果，采用了下列方法：
(1)資源共享。整個課程涵蓋軟件、數(shù)據(jù)手冊、說明、課件等大量的相關(guān)資料，建立了課程相關(guān)qq群，教師提前上傳課件、軟件和相關(guān)資料，同學(xué)可以課前預(yù)習(xí)，同學(xué)也可以上傳自己搜集的資料和自己的學(xué)結(jié)，實現(xiàn)資源共享，有助于學(xué)習(xí)興趣和效率的提升。
(2)課內(nèi)外的答疑和討論。課上教師除了講解基本原理，同時還布置課堂作業(yè)，安排時間讓同學(xué)課上直接操作，可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，學(xué)生的疑問可以得到及時的解決，學(xué)生積極性提高，使同學(xué)基本都能跟上課程進(jìn)度。另外課外同學(xué)們可以在qq群上提出自己的作業(yè)上一些疑問，或者分享自己的學(xué)習(xí)心得，教師和其他同學(xué)都會積極解答，討論氛圍良好，實踐證明對于學(xué)習(xí)十分有益。
(3)課內(nèi)外作業(yè)及講解。除了課堂作業(yè)，課外作業(yè)也很重要。教師在課上講解時保留一定的知識點，用于布置課外作業(yè)，需要同學(xué)查閱資料才能完成，訓(xùn)練同學(xué)信息檢索和自行解決問題的能力。提交和批閱均采用電子版，節(jié)省時間，提高效率。下次課首先講解同學(xué)作業(yè)當(dāng)中的問題，糾正同學(xué)的錯誤，使得同學(xué)對知識的掌握正確、深入。
(4)錄制課程視頻。課程設(shè)計的授課內(nèi)容很多涉及軟件的操作，錄制課程講解視頻，同學(xué)課下可按照視頻講解逐步操作。針對沒有聽懂的知識點也方便同學(xué)課下進(jìn)行思考學(xué)習(xí)。通過使用課程視頻可以使得多數(shù)同學(xué)都能跟得上教學(xué)進(jìn)度，保證教學(xué)效果。同時視頻資料也可以作為后續(xù)課程設(shè)計的參考資料，比其他網(wǎng)絡(luò)資源更具有針對性，為同學(xué)們預(yù)習(xí)提供資源。
(5)綜合考核方式，注重作品測試?？己顺煽冇珊灥?、課后作業(yè)、設(shè)計報告、作品測試4部分成績組成。改變了過去以設(shè)計報告的單一衡量標(biāo)準(zhǔn)，在考核中注重作品的測試部分，既提高了同學(xué)的實踐能力，又避免了相互抄襲，同時防止任務(wù)簡單導(dǎo)致的過程中拖拉松垮現(xiàn)象的發(fā)生。
5課程設(shè)計的成效
課程設(shè)計的成效體現(xiàn)在學(xué)生作品、課程設(shè)計報告、學(xué)生掌握的技能以及學(xué)生滿意度等方面。
(1)學(xué)生作品。經(jīng)過課程設(shè)計，每組同學(xué)都會制作電路并進(jìn)行調(diào)試
(2)課程設(shè)計報告。課程設(shè)計結(jié)束時要求每組提交一份課程設(shè)計報告。這個報告是整個課程設(shè)計尤其是電路設(shè)計的總結(jié)，是一個具有完整結(jié)構(gòu)的小論文。報告中總結(jié)電路設(shè)計的思路、過程和測試結(jié)果，同時分享心得以及建議。設(shè)計報告的書寫鍛煉了同學(xué)科技論文的寫作能力，為日后書寫論文和畢業(yè)設(shè)計論文打下良好的基礎(chǔ)。這些報告的電子版存檔，作為以后課程設(shè)計的參考資料。
(3)學(xué)生掌握的技能。通過課程設(shè)計的訓(xùn)練，學(xué)生鍛煉了信息檢索能力、動手能力、分析問題和解決問題的能力。學(xué)生掌握的專業(yè)技能包括：嵌入式系統(tǒng)控制芯片的編程、以LED驅(qū)動為應(yīng)用對象，掌握了基于嵌入式系統(tǒng)的電路的設(shè)計方法、軟件調(diào)試和設(shè)計報告書寫。這對以后進(jìn)行科研和工作都將十分有益。
(4)學(xué)生滿意度。學(xué)生滿意度是衡量教學(xué)有效性的重要標(biāo)準(zhǔn)。同學(xué)提交的課程報告中包括心得體會和同學(xué)的意見和建議。對同學(xué)的意見和建議進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)同學(xué)的意見和建議進(jìn)行后續(xù)課程安排改進(jìn)對于課程的教學(xué)效果提高具有重要意義。
6結(jié)語
針對以往課程設(shè)計存在的問題，我校電氣工程系對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計進(jìn)行了改革，以具有廣泛應(yīng)用前景的LED驅(qū)動為應(yīng)用對象，使得嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計與電氣專業(yè)的實際應(yīng)用緊密結(jié)合。以校企聯(lián)合實驗室資源為基礎(chǔ)，保證了嵌入式系統(tǒng)硬件條件的持續(xù)更新。課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)置豐富靈活，在教學(xué)過程中采用合理的進(jìn)度安排方式和多種方法提升學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)了從教師為主體到學(xué)生為主體的教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，提升了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。
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作者:齊文娟 孫佳 程然 單位:上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院
