［摘要］结合嵌入式系统原理课程进行课外实验的教学方法研究，以Arduino单片机为核心，开发了课外实验教学项目。教学实践表明，通过所设计的课外实验项目，教学目标基本达成，学生提高了对嵌入式系统的学习兴趣，掌握了单片机AD采样、PWM占空比调制输出、IO输入输出等基本功能模块，了解了常见传感器及执行元件的使用方法，并能够针对具体的工程需求，设计嵌入式系统的软硬件。
［关键词］嵌入式系统;实验教学;课外实验
1研究目的及意义
嵌入式系统原理课程的内容包括嵌入式系统概念、软硬件组成、软硬件开发设计方法等。使学生通过本课程的学习提高嵌入式系统的软硬件设计能力及解决实际问题的动手能力，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。这是一门理论与实践紧密结合的课程，学生只有在实验环节通过自己动手编程才能真正理解和掌握理论授课知识。在国内外众多高校开设的嵌入式系统课程中，实验都是课程的必备教学环节。利用MOOC平台开设的相关课程，为学生提供了可以进行线下独立实验操作的实验装置。例如，清华大学开设的ARM微控制器与嵌入式系统课程为学生提供了由清华大学老师开发的Blazar教学实验板［1］。美国德州大学奥斯汀分校开设的嵌入式系统(EmbeddedSystems－ShapetheWorld:MicrocontrollerInput/Output)课程为学生提供的是美国德州仪器TivaTMC系列LaunchPad评估套件［2］。引导学生自主学习是提高其学习成绩的最佳手段。为此，本文提出为嵌入式系统原理课程设计课外实验教学，目的在于配合嵌入式系统原理课程的课堂教学，以期获得更好的教学效果。
2嵌入式系统原理课程课外实验项目设计
项目结合嵌入式系统原理课程的实验教学完成了以Arduino单片机为核心的课外实验教学设计。分析课外实验教学的具体需求，调研Infineon、Freescale、STM32、Arduino等多款主流单片机机型，最终选择了开源的Arduino单片机系统，其集成开发环境(IDE)简单，开源系统例程丰富，价格低廉，AD采样、IO输入输出、PWM占空比输出、串口通信、定时技术器等底层控制均由封装函数实现。AD、IO等外设资源不多，但足够用于AD采样、PWM输出、IO输入输出等实验项目设计。以Arduino单片机系统为核心，设计课外实验教学内容，要求难度适中，内容涵盖嵌入式系统原理课程理论授课的关键知识点。
3实践推广及教学效果分析
3．1实践推广
在2017—2018学年第二学期，在2015级车辆工程专业本科生的嵌入式系统原理课程中推行课外实验教学(课程选课人数39人)。为此，将购置的Arduino单片机系统和各种传感器、执行器等电子元器件若干套在课程开始时借给选课学生，要求学生在课外时间利用面包板、电子元器件、Arduino单片机搭建测试电路，编写测试程序，验证课堂授课内容。在课程结束时，学生提交展示作品并进行现场演示，老师根据展示作品的难度、新颖度和完成度给出评分。其中，难度由系统软硬件复杂程度体现，新颖度由系统应用的创新程度体现，完成度由作品展示及汇报体现。表2所示为部分学生的作品和评分情况。
3．2教学效果分析
从提交的作品可以看出，学生的学习兴趣和积极性得到充分调动，其自主学习能力得以充分发挥。并且，依据所布置的课外实验项目作业可以获得更为真实的学生学习效果评价。
3．2．1充分调动学生的学习兴趣和积极性
由于学生的兴趣、爱好不同，学生的展示项目有所不同。例如，有4名同学选择了利用单片机播放音乐，音乐曲目的选择显然体现了个人喜好。为了提高作品的展示度，需要进一步提高项目的复杂程度。学生设计的方案中，通过LED灯显示音调或者通过数码管显示歌曲顺序，这其中最为复杂的功能实现是通过外接键盘实现人机交互，除了播放内置的曲目外，还具备录音功能。
3．2．2充分发挥学生的自主学习能力
受限于课内教学学时，课堂教学的重点主要在于单片机各功能模块的基本原理和编程控制方法。而学生们在完成汇报项目的过程中，需要了解各种传感器、执行元件的基本原理和使用方法，这些知识只能通过自行查找资料获取。例如，利用开关量输出控制发光二极管亮灭是课堂教学内容，但当需要驱动数码管动态显示时就需要用到诸如CD4511这样的锁存移码器了。再如，学生利用Arduino制作1台计算器，此时发现要实现运算符号的优先级识别，需要利用堆栈的数据结构，这部分知识属于前修的C程序设计课程中讲授的内容。
3．2．3成绩评价更为客观合理
对于嵌入式系统原理课程来说，解决工程实际问题是最终的培养目标。以实际作品进行成绩评定更为客观合理，学生提交的作品反映了他们所投入的精力和时间以及对课程知识点的掌握程度。在作品评分方面，大多数学生能够上台展示作品及汇报PPT，获得了满分5星评分。在难度评分方面，获得4星的作品有4个:允许任意长度的输入，且能识别运算符号优先级的计算器，软件结构复杂;手机遥控小车需要用到蓝牙通信，且嵌入了超声测距以实现遇到障碍自动停车的功能;自动寻迹小车能用视觉识别道路轨迹线，并控制电机实现转向、制动;室内温度自动调节装置能够设置目标值，并根据检测到的光强度自动调节温度，硬件结构复杂。在新颖度评分方面，学生展示的作品多为传统的单片机实验项目，普遍未能获得高分。分析其原因，其一是受硬件素材限制，其二是大学三年级的学生对实际工程应用几乎没有接触。
4结语
嵌入式系统原理课程是理论与实践联系紧密的课程。通过实验课，学生独立动手编程，观察实验现象，通过感性认识的增强进一步加深对课程知识点的理解。本文的研究意义在于探索实验教学方法的改革思路，形成多样化实验教学体系，并在项目推行过程中激发学生的学习热情和学习潜力，培养学生的创新意识和实践能力。教学实践表明，本文设计的基于Arduino单片机系统的课外实验教学方法的教学目标基本达成，学生提高了对嵌入式系统的学习兴趣，掌握了单片机AD采样、PWM占空比调制输出、IO输入输出等基本功能模块，了解了常见传感器及执行元件的使用方法。但学生提交的作品也反映出其创新能力有所欠缺。在今后的课堂教学工作中，教师可适当介绍单片机的工程应用实例，使学生在自行拟定演示题目时具有更宽广的思路和眼界。
作者:卢延辉 李向瑜 周淑辉 单位:吉林大学汽车工程学院
