PBL模式下的嵌入式系統(tǒng)中斷機制教學案例

竇亞玲 劉金平

摘要：新工科建設推動新一輪教學改革，嵌入式系統(tǒng)課程的高實踐性要求教學過程應將理論與實踐有機融合。 采用以問題為導向的PBL模式，圍繞項目展開，把嵌入式系統(tǒng)中斷機制的教學內容組織成一系列相關聯(lián)的問題，理論知識分化融入項目實施的各個環(huán)節(jié)。學生在這些問題的驅動下主動求解獲取知識，形成了學生樂學教師樂教的“做中學”教學常態(tài)，學生的工程能力得到培養(yǎng)。

關鍵詞：問題導向模式;中斷機制;嵌入式系統(tǒng);教學案例;能力培養(yǎng)

中圖分類號： TP368? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0170-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Teaching case of Interrupt Mechanism of Embedded System Based on PBL Mode

DOU Ya-ling， LIU Jin-ping*

（College of Information Science and Engineering， Hunan Normal University， Changsha 410000， China）

Abstract： The construction of new engineering disciplines promotes a new round of teaching reform，and the high practicality of embedded system courses requires the organic integration of theory and practice in the teaching process.Adopting the problem-oriented PBL model， focusing on the project， organizing the teaching content of the interruption mechanism of the embedded system into a series of related problems， and integrating theoretical knowledge into all aspects of project implementation. Driven by these problems， students take the initiative to solve and acquire knowledge， forming the normal teaching pattern of "learning by doing" where students enjoy learning and teachers enjoy teaching， and students' engineering abilities are cultivated.

Key words： problem-based learning model; interrupt mechanism; embedded system; teaching case; ability training

1 引言

PBL（problem-based learning）[1]是一種比較新的教學模式：學生作為主體，以問題為導向，教師激發(fā)學生主觀能動性完成項目任務，并通過反思和評價等環(huán)節(jié)完成知識的建構。 嵌入式系統(tǒng)的核心是軟件和硬件相結合[2]。嵌入式教學系統(tǒng)屬于綜合性課程體系[3]，理論課程涉及的知識門類龐多，包括電子、計算機及其相關技術等。嵌入式系統(tǒng)是一門實踐程度要求很高的工科專業(yè)課程，理論與實踐有機結合，實踐知行合一[4]。嵌入式系統(tǒng)的課程教學貫穿的是以“學生為主體”、學生在“做中學”，這一宗旨使得 PBL 教學模式作為一種合適的學習形態(tài)[5]在嵌入式系統(tǒng)課程教改中展開。越來越多的嵌入式教學改革認同通過項目驅動[6-7]推進教學過程。

作者在近7年的嵌入式系統(tǒng)課程一線教學實踐中，結合技術發(fā)展與學科專業(yè)特點，對嵌入式系統(tǒng)課程內容進行了不斷調整，形成了可持續(xù)發(fā)展的培養(yǎng)工程能力的課程體系[8]。2019年起采用ARM Cortex M4系列STM32F407Tx芯片的便攜式開發(fā)板，將課程內容劃分為10個主題項目模塊，根據各模塊的不同特點選擇合適的教學模式。

中斷機制是嵌入式系統(tǒng)課程的核心知識點之一，涉及面廣，理解難度大，先導課程比如操作系統(tǒng)原理多是從理論到實例，沒有過渡到實操層面。圍繞課程內容設置的“基于STM32F4外部中斷實現(xiàn)”的項目，采用PBL教學模式，以問題為導向，一環(huán)套一環(huán)，逐步引導并激發(fā)學生的主觀能動性，完成教學任務。

2 基于PBL模式的中斷機制教學過程

以信息科學與工程學院計算機科學與技術、軟件工程兩個專業(yè)為例，嵌入式系統(tǒng)開設時間為大學第三學年第二學期，學生共同修完的相關課程有：C語言、數據結構、計算機系統(tǒng)基礎或計算機組成原理、操作系統(tǒng)等，其中計算機科學與技術專業(yè)修完數電模電、單片機課程。課程打破理論和實驗學時的界限，總學時64，以4學時為基本教學單元。其中，中斷機制分配4學時即1個集中教學單元。

2.1 課程硬軟件資源

授課地點是獨立的實訓機房，容納60+人次同時上課，網絡全覆蓋。

課程硬件資源：便攜式筆記本（學生自備）、STM32F407T芯片開發(fā)板、J-Link仿真器、連接線兩根。

課程軟件資源：開發(fā)編譯軟件Keil、STM32F4xx官方固件庫、代碼編輯軟件Source Insight、VNC屏幕分享軟件、課堂筆記軟件NotePad++以及驅動工具等。

學生預先安裝好相關軟件，中斷機制的項目實現(xiàn)是基于STM32F4xx固件庫工程，編程語言C，關聯(lián)知識ARM匯編語言。

2.2 傳統(tǒng)教學模式與PBL教學模式

傳統(tǒng)“填鴨式”的教學方式下，關于中斷的教學過程如圖1所示。學生會在原理階段注意力開始分散，在代碼實現(xiàn)要點的環(huán)節(jié)出現(xiàn)“掉鏈子”，最后在編碼階段大部分同學都會出現(xiàn)“茫然”癥狀，教學效果就只會大打折扣。這個模式關鍵問題在于兩點：一是“知”與“行”在時空上被分隔了，形式上原理的講解是為了編碼實現(xiàn)，實際上兩者沒有被有機結合在一起，更談不上融合。二是，教師和學生各自為政，教師是教授的主體，而非引導者，推動者;學生則一直處于被動被灌注知識點的狀態(tài)，在聽的階段大腦活動是惰性的，學生對于這個原理有何用途為何而用是沒有概念和意識的，也就談不上主觀能動性被調動，進入主動去求知的狀態(tài)了。

2.3 PBL模式下的中斷機制教學過程

“中斷”作為教學的核心內容之一被劃分到課程體系的第4個項目“STM32F4_中斷機制”中，目的是基于STM32固件庫編程實現(xiàn)按鍵中斷控制LED燈。下面是相應的PBL模式下的中斷機制教學過程案例。案例中涉及的主要角色包括：引導者教師（簡稱T），主體方學生（簡稱S）。

初始階段：

T給出“問題”代碼。

uint8_t value = GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_0）;

if（！value）? led_loop（）;

S回應，可能的問題是程序，系統(tǒng)一直在詢問value，這會浪費系統(tǒng)資源。

T補充說明：這種編程方式會一直占用CPU、BUS等資源，還存在時間差，導致響應不及時。

S 接受這個知識點：輪詢方式不合適。

T 拋出問題：更好的方式是什么？

S 因為先導課程中有中斷的概念，會很直接說“中斷”，但是通常只會背記中斷概念，不知道能做什么。

第一階段：

T 給出項目任務：用更好的方式“中斷機制”來實現(xiàn)按鍵點燈，具體要求按下K2，LED0就亮了，再按下LED0就滅了。給出任務之后，只是追問S怎么做，而“回避”講解知識。

S 主動翻看原理圖，記下K2、LED0對應的GPIO引腳;翻看數據手冊。

T 提示ARM Cortex M4中斷機制：中斷控制器的角色是“通知”MCU，有“事”（中斷事件）啦，MCU會停止正在做的程序事件，轉而中斷處理。再次提問：MCU怎么知道處理什么事件？

S 知道“中斷向量表”但不知道對應工程中的向量表在哪里。

T 引導學生在startup_stm32f40xx.s代碼中找到如下代碼

_Vectors? ? ? ? DCD? ? ?__initial_sp

DCD? ? ?Reset_Handler

DCD? ? ?EXTI0_IRQHandler

S 記下中斷響應函數名，不知道如何寫中斷響應函數。

T 簡要介紹中斷響應函數的特點，特別說明與普通函數的區(qū)別。并重點提示編碼階段：中斷響應函數不用申明，被動調用。

第二階段：

T按鍵中斷是外部中斷，STM32F4xx中外部中斷EXTI的控制流程是什么？VNC分享流程圖見圖2，說明這就是工程師從數據手冊中挖出來的編程指南。

S 如何實現(xiàn)？怎么編碼？

第三階段：初始化編碼實現(xiàn)

T 打開Source Insight，做中學。

S 創(chuàng)建key_int.h/key_int.c。

T 分享屏幕，與學生同步敲代碼，一同完成GPIO_Init（），重點提問GPIO_Mode是什么？

S 回答GPIO_Mode_In 。

T 給出SYSCFG_EXTILineConfig（），提問怎么填寫？

S 按照原理圖標識K2對應PA0引腳：EXTI_PortSourceGPIOA，EXTI_PinSource0。

T 給出EXTI_Init（）函數，指導學生理解結構體每一個元素含義，正確編碼。

S完成如下代碼并完成相關注釋。

EXTI_InitTypeDef e;

e.EXTI_Line=EXTI_Line0;

e.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

e.EXTI_LineCmd=ENABLE;

e.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;

EXTI_Init（&e）;

T 給出NVIC_PriorityGroupConfig（）與NVIC_Init（），講解優(yōu)先級知識點，指導學生理解編碼。

S 完成如下代碼并完成相關注釋。

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;

NVIC_InitTypeDef ic;

ic.NVIC_IRQChannel=EXTI0_IRQn;

ic.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

ic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;

ic.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

NVIC_Init（&ic）;

第四階段：中斷響應函數編碼實現(xiàn)

T 中斷響應函數的構架是什么？怎么就知道中斷發(fā)生了呢？執(zhí)行完了一定不要忘記清理中斷。

S 函數名與中斷向量表中標注一致，怎么寫不知道。

T 給出一對CP函數：ITStatus EXTI_GetITStatus（uint32_t EXTI_Line）;

void EXTI_ClearITPendingBit（uint32_t EXTI_Line）;指導學生完成中斷響應函數的框架。

S 根據項目任務完成最后的代碼。

通過VNC分享屏幕，T在代碼編寫階段同步示范的編碼規(guī)范。

最后階段：

S 編譯、下載燒錄 運行，測試功能。

T 結合現(xiàn)場實際，以學生為主體分析解決問題。

3 PBL模式下教學過程分析與教學效果

這個過程有兩個方面明顯的變化：一方面是教師角色的變化。PBL模式以問題為導向，教師在教學過程中演變成問題引導者，推動著項目任務向前;同時也是學生遇到問題時候的解惑者，偶爾也是學生忽視問題的提醒者，教師變得被需要，也重要。

另一方面，知識點的學習方式的變化。中斷機制包含的知識點多且雜，整體打包給學生肯定不受待見。在PBL教學過程中，知識點被分解，被設計分化成塊，“因地制宜”地融入在整個項目實踐過程中。比如，中斷控制器NVIC的優(yōu)先級配置，是因為學生編碼需要才說明，中斷狀態(tài)獲取函數是因為即時要用，才學習。知行在不知不覺中融合成整體。

2018級軟件工程、計算機科學與技術兩個專業(yè)169名學生現(xiàn)場教學反饋表明：90%學生在課堂期間完成課程項目任務;課程結束意見反饋中95%學生留言：課程干貨滿滿，有較大收獲。

4 結論

PBL模式下教學過程中的學生被一環(huán)接一環(huán)的問題驅動著主動求解獲取相關知識。學生因為有了明確的需求而樂學。過程中的教師因為不斷被所需要，而樂教。學生的學習積極性、主觀能動性大幅提高，教師的教書育人熱情也被激發(fā)。

參考文獻：

[1] A. Kolmos， E. de Graaff. Problem-based and project-based learning in engineering education. Cambridge handbook of engineering education research. 2014：141-161.

[2]孫青，李輝勇.面向學生工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)設計實訓課程教學改革實踐[J].計算機教育，2020（3）：136-140.

[3]孫宇丹，劉強，曹豐慧.基于工程教育認證的“嵌入式系統(tǒng)”課程改革與探索[J].工業(yè)和信息化教育，2019，14（8）：38-43.

[4]李江昊，劉豐，王偉.理論實踐強結合性課程知行合一教學改革與探索[J]計算機教育，2020（6）：179-183.

[5]韓琛曄，田云霞，張微微.基于 PBL 教學理念的嵌入式系統(tǒng)教學改革與研究[J].現(xiàn)代計算機，2020（11）：72-75.

[6]王寶珠，李文娟.競教結合+項目驅動下嵌入式系統(tǒng)教學改革[J].電腦知識與技術，2019，15（32）：160-161，164.

[7]林榮霞，盧清秀，吳挺.基于產學研協(xié)同育人模式下的嵌入式系統(tǒng)課程改革[J].電腦知識與技術，2019，15（32）：139-140.

[8]竇亞玲，周龍，蔡美玲.“嵌入式系統(tǒng)”教學生態(tài)環(huán)境的構建探索與實踐[J]科教導刊，2020（35）：112-113.

【通聯(lián)編輯：王力】