创新实验课开课模式探讨

赵志衡， 马　涌， 林景波， 汪　帅

(1.哈尔滨工业大学 电气工程及其自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

(2.德州仪器半导体技术(上海)有限公司 中国大学计划部， 上海 200122)



创新实验课开课模式探讨

赵志衡1， 马涌1， 林景波1， 汪帅2

(1.哈尔滨工业大学 电气工程及其自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

(2.德州仪器半导体技术(上海)有限公司 中国大学计划部， 上海 200122)

摘要：本文介绍了我校开设“嵌入式系统设计”创新实验课的基本情况。课程采用项目驱动方式，引导学生参加项目设计与调试的全部过程，达到了培养学生创新精神与提高工程实践能力并重的教学目标。同时进行了考试方法改革，根据学生作品的测试指标评定成绩，达到了考核学生综合素质的目的。

关键词：项目驱动；创新能力；工程实践；考试改革

目前，各高校对创新实验课教学都非常重视，开设了一系列有关MCU、ARM、DSP等微控制器应用系统设计的实验课程[3]。我校也开设了“嵌入式系统设计”创新实验课，共24学时。

1课程概况

课程采用项目驱动教学方法，面向有一定基础，且学习积极性高的学生。以提高学生的创新能力为目标，兼顾基础理论知识和工程实践能力的培养。

课程以我院MSP430实验平台为核心，学生自主设计外围模块，完成与嵌入式系统相关的项目。这种方式克服了直接利用成套实验箱，学生无法参与整个项目设计流程的缺点。同时将教学内容进行模块化、单元化，教师讲解与学生的答辩相结合，以提高课堂教学效果[3]。

课程考核是以学生的设计作品为依据，根据测试指标给出成绩，较试卷考试更能提高学生参与度。

2课程教学内容

MSP430单片机具有性能优越、外设丰富、易于上手等特点。MSP430实验平台集成了ADC、Time、Comparator、Touch Key、SPI、I2C、UART等外设[4]。

借助实验平台，课程设置了3个项目，分别为数字电压表、基于光电检测的角速度测量系统和温度测量系统。具体指标要求如下：

1)数字电压表

(1)输入2路模拟电压，输入电压范围为0～20 V；

(2)具有量程自动转换功能；

(3)显示电压分辨率为0.01 V。

2)基于光电检测的角速度测量系统

(1)遮光物厚度小于5 mm，宽度大于5 mm；

(2)显示遮光物个数；

(3)计算角速度。

3)温度测量系统

(1)输入温度范围为-50 ℃～50 ℃；

(2)具有温度上下限报警功能；

(3)显示温度分辨率为0.1 ℃。

课程教学内容包括以下6个单元：

1)MSP430的仿真调试与开发

引导学生设计所选项目的原理框图；通过运行实例程序及观察结果，使学生掌握CCS5.5仿真环境下，掌握工程建立、程序设计和仿真调试的方法。

2)嵌入式系统硬件设计

学生完成硬件原理图设计后对自己的设计进行答辩。硬件以MSP430为核心，通过I2C协议扩展I/O口，采用HT1621B芯片驱动液晶显示。三个项目中①数字电压表采用芯片ADC124S021；②光电监测系统采用H92B4；③温度测量系统采用AD590。其中数字电压表硬件原理框如图1所示。

图1　数字电压表硬件框图设计

3)电路原理图设计

学生学习AltiumDesigner，利用该软件完成硬件原理图设计。在此过程中，学生需要掌握AltiumDesigner原理图设计的步骤；掌握元器件的使用方法；掌握网络表的功能；绘制项目的硬件原理图。

4)电路PCB设计

①掌握利用AltiumDesigner绘制PCB的方法；②了解不同元器件的封装，并掌握封装的使用方法；③掌握AltiumDesignerPCB设计的步骤；④掌握原理图与PCB交叉更新的方法；⑤完成项目的PCB设计；⑥了解DRC检查的作用。

5)嵌入式系统软件设计

掌握CCS仿真环境下进行软件设计的方法，能够进行编程、编译和调试，熟练利用C语言编程实现项目的软件设计，并仿真调试所设计程序。例如：数字电压表程序流程图如图2所示。

图2　数字电压表流程图

6)嵌入式系统调试及测试

课程考核时，学生需要正确使用CCS仿真环境的各项功能，完成所设计制作的嵌入式系统的调试工作，并进行现场演示。教师对作品进行测试，并根据测试结果给出考核成绩。

3课程的特色之处

1)项目驱动

课程源自我校和德州仪器大学计划部的合作，受到黑龙江省和我校的教学改革项目支持。项目驱动贯穿整个课程，学生参与了项目设计的全部环节：①项目方案的确定，元器件参数的选取；②原理图及PCB的绘制；③软件程序的编写；④PCB板的焊接及调试。通过项目驱动，强化对学生创新能力的培养[5]。

2)开放式教学

考虑学生的基础，任课教师为学生提供3个难度适中的项目，学生也可以根据自己的兴趣和能力自主提出设计项目。这种开放式教学提高了学生的参与度与学习的积极性。

3)理论知识与工程实践能力并重

学生运用所学课程知识进行硬件设计、运用C语言进行软件程序的编写，提高了学生理论知识的掌握水平。同时，原理图、PCB的绘制，电路板的焊接与调试则锻炼了学生的工程实践能力。

4)考试方法改革

成绩评定时，学生现场演示自己设计的作品，教师根据项目完成的情况及测试的指标进行评分。给出的成绩反映了学生的综合素质。

4结语

创新实验课的开设使我校电类专业学生既学习了理论知识，又掌握了嵌入式系统设计与开发的技巧。本课程注重理论运用和工程实践，通过自主设计激发学生的创新思维，让学生学有所思，学有所用。

2015年春季学期，学校首次开设该课程。学生的积极性非常高，基本都能达到课程要求，完成自己的项目设计。课程的开设也吸引更多的学生进入实验室，参与科研项目。课程受到了学校教学督导专家和学生的一致好评。

参考文献：

[1]段敬红,王磊,段刚龙. 嵌入式系统实验教学建设与实践体系的建立[J]. 南京：电气电子教学学报,2007,03:84-86.

[2]陈则王,王友仁. 改革实验教学,培养工科研究生工程实践和创新能力[J]. 南京：电气电子教学学报,2003,06:109-111+117.

[3]赵志衡,李芸,张荣岭,王立欣. “嵌入式电力参数测量系统”课程的教学实践[J]. 南京：电气电子教学学报,2013,04:100-101+120.

[4]傅强,杨艳. LaunchPad口袋实验平台[M]. 上海：TI大学计划嵌入式微控制器技术丛书,2013.

[5]白云,柴钰. 加强开放式实验教学培养学生的创新能力[J]. 上海：实验室研究与探索,2010,08:109-112.

Innovative Model of Experimental Course Commencement

ZHAO Zhi-heng1, MA Yong1, LIN Jing-bo1, WANG Shuai2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)(2.UniversityProgram,TexasInstrumentsSemiconductorTechnology(Shanghai)Co.,Ltd.Shanghai200122,China)

Abstract:In this paper, the basic situation of our university offering Embedded System Design innovative experimental course is introduced. Through the students′ participating in the whole process of project design and commissioning, the project-driven teaching mode can improve students′ innovation spirit and engineering practice ability. In order to test the students′ mixed ability, the examination method is also reformed by testing the performance parameter of students′ design works.

Keywords:project-driven; innovation ability; engineering practice; examination reform

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0109-03

中图分类号：TM93

基金项目：黑龙江省高等学校教改工程项目(JG2014010694)，哈尔滨工业大学教学方法与考试方法改革项目(2013)。

收稿日期:2015-05-02;修回日期:2015-08-16

第一作者：赵志衡(1971-)，男，博士、教授，主要从事高压强脉冲磁场和数字式继电保护等教学和研究工作，E-mail:zhzhhe@hit.edu.cn