嵌入式系統(tǒng)技術課程教學用案一、課程定位與設計思路嵌入式系統(tǒng)技術作為電子信息、自動化等專業(yè)的核心課程，聚焦于嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)與應用能力培養(yǎng)。課程銜接《單片機原理》《C語言程序設計》等先修課程，為后續(xù)《智能硬件開發(fā)》《物聯(lián)網工程實踐》等課程奠定技術基礎。教學中需平衡理論深度與工程實踐，通過“理論講解—案例分析—項目實操”的遞進式設計，幫助學生構建從硬件認知到軟件編程、系統(tǒng)集成的完整知識體系，適應智能終端、工業(yè)控制等領域的嵌入式開發(fā)崗位需求。二、教學目標設定（一）知識目標1.掌握嵌入式系統(tǒng)的體系架構（硬件層、驅動層、應用層）及典型芯片（如ARMCortex-M系列、STM32）的工作原理；2.理解嵌入式Linux/RTOS（實時操作系統(tǒng)）的內核機制與任務調度邏輯；3.熟悉嵌入式軟件開發(fā)流程（需求分析、硬件選型、驅動編寫、應用層開發(fā)）。（二）能力目標1.能獨立完成嵌入式硬件電路的模塊化設計（如傳感器接口、通信模塊）與調試；2.具備基于Keil、IAR或Linux開發(fā)環(huán)境的嵌入式程序開發(fā)、編譯與燒錄能力；3.能夠運用狀態(tài)機、中斷處理等技術解決實時性控制問題（如電機調速、數據采集）。（三）素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)工程思維，在項目開發(fā)中兼顧成本、可靠性與可維護性；2.強化團隊協(xié)作能力，通過小組項目實現(xiàn)角色分工與成果整合；3.樹立終身學習意識，關注嵌入式領域的技術迭代（如邊緣計算、低功耗設計）。三、教學內容與學時分配課程總學時64（理論32+實踐32），內容分為四大模塊：（一）嵌入式系統(tǒng)基礎（12學時：理論8+實踐4）知識點：嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程、分類（微控制器/微處理器型）、典型應用場景（智能家居、工業(yè)物聯(lián)網）；硬件架構（CPU、存儲器、外設接口）；數?；旌想娐吩O計基礎（電源濾波、信號隔離）。實踐任務：基于STM32最小系統(tǒng)板，完成LED閃爍、按鍵輸入的硬件電路搭建與程序調試，理解“硬件電路—寄存器配置—程序邏輯”的關聯(lián)。（二）嵌入式硬件設計（16學時：理論6+實踐10）知識點：原理圖設計規(guī)范（AltiumDesigner使用）、PCB布局布線原則（電磁兼容、信號完整性）；傳感器與執(zhí)行器接口設計（如溫濕度傳感器I2C通信、步進電機驅動）；通信總線（UART、SPI、CAN）原理與協(xié)議解析。實踐任務：分組完成“環(huán)境監(jiān)測節(jié)點”硬件設計，包括傳感器選型、電路原理圖繪制、PCB制作與焊接，通過示波器/邏輯分析儀驗證信號傳輸。（三）嵌入式軟件編程（20學時：理論10+實踐10）知識點：嵌入式C語言進階（位操作、中斷函數、內存管理）；RTOS（FreeRTOS）任務創(chuàng)建、同步與通信；Linux驅動開發(fā)基礎（字符設備驅動框架、設備樹配置）；應用層程序開發(fā)（基于Qt/GTK的界面設計）。實踐任務：在FreeRTOS環(huán)境下實現(xiàn)“多任務數據采集與處理”（如同時采集溫濕度、控制電機，通過消息隊列同步數據）；基于Linux開發(fā)“LED字符設備驅動”并編寫測試程序。（四）系統(tǒng)集成與應用（16學時：理論8+實踐8）知識點：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程（需求分析、原型設計、迭代優(yōu)化）；低功耗設計策略（休眠模式、電源管理）；工業(yè)級嵌入式系統(tǒng)的可靠性設計（看門狗、冗余設計）。實踐任務：團隊完成“智能倉儲物流小車”項目，整合硬件（STM32主控、RFID識別、電機驅動）與軟件（路徑規(guī)劃算法、無線通信），通過功能測試與性能優(yōu)化實現(xiàn)自主導航與貨物搬運。四、教學方法與策略（一）理實一體化教學將理論講解與實驗操作同步推進，例如講解“中斷系統(tǒng)”時，即時開展“外部中斷控制電機啟?！睂嶒?，使學生在實踐中理解“中斷觸發(fā)條件—服務函數編寫—優(yōu)先級配置”的邏輯，避免理論與實踐脫節(jié)。（二）項目驅動教學以“環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”“智能小車”等真實項目為載體，分解為“硬件選型—電路設計—程序開發(fā)—系統(tǒng)調試”子任務，學生分組承擔角色（硬件工程師、軟件工程師、測試工程師），在迭代開發(fā)中掌握全流程技能。（三）案例教學法選取行業(yè)典型案例（如無人機飛控系統(tǒng)、工業(yè)PLC），拆解其硬件架構（如飛控的IMU傳感器接口）與軟件邏輯（如PID算法在RTOS中的實現(xiàn)），通過“案例分析—原理提煉—拓展應用”的步驟，培養(yǎng)學生的工程遷移能力。（四）翻轉課堂模式對于“嵌入式操作系統(tǒng)原理”等理論性內容，課前發(fā)布微課視頻、知識點手冊，學生自主學習并完成預習測驗；課中通過小組討論、答疑解惑、案例拓展深化理解，提升自主學習與問題解決能力。五、教學過程設計（以“嵌入式Linux驅動開發(fā)”章節(jié)為例）（一）課前預習（2學時）學習資源：《Linux設備驅動開發(fā)詳解》章節(jié)、驅動開發(fā)微課視頻（含“helloworld”驅動編寫流程）。任務要求：學生自學字符設備驅動的“驅動注冊—設備文件創(chuàng)建—讀寫函數實現(xiàn)”流程，完成預習報告（含驅動框架思維導圖、疑問點記錄）。（二）課中探究（4學時）1.知識回顧（0.5學時）：隨機抽取學生展示預習思維導圖，教師點評并補充“驅動與應用層的交互機制”等易錯點。2.案例演示（1學時）：教師現(xiàn)場演示“LED驅動”開發(fā)過程：①編寫驅動代碼（probe函數初始化GPIO、file_operations結構體實現(xiàn)）；②編譯驅動模塊（Makefile編寫、交叉編譯）；③加載模塊并創(chuàng)建設備節(jié)點；④編寫應用程序控制LED亮滅。演示中強調“內核空間與用戶空間的內存隔離”“驅動調試技巧（printk日志）”。3.分組實操（2學時）：學生分組完成“按鍵驅動”開發(fā)，硬件為STM32+Linux開發(fā)板，軟件需實現(xiàn)“按鍵中斷檢測—驅動上報按鍵事件—應用層讀取按鍵狀態(tài)”。教師巡視指導，針對“中斷下半部處理（tasklet）”“并發(fā)訪問保護（自旋鎖）”等難點進行小組輔導。4.總結拓展（0.5學時）：各組匯報實操成果，教師總結驅動開發(fā)的“分層思想”（硬件抽象層、驅動層、應用層），拓展“設備樹在驅動中的應用”“平臺驅動與設備驅動的分離”等進階內容。（三）課后拓展（2學時）實踐任務：基于課中驅動框架，開發(fā)“溫濕度傳感器（DHT11）驅動”，實現(xiàn)數據采集與上報；反思任務：分析“驅動開發(fā)中遇到的最難問題及解決思路”，形成技術博客或報告。六、教學評價與反饋（一）多元化評價體系1.過程性評價（60%）：包括課堂參與度（預習報告、小組討論）、實驗實操（硬件電路調試、代碼規(guī)范性）、階段項目（如“環(huán)境監(jiān)測節(jié)點”的功能完整性、文檔規(guī)范性）。2.終結性評價（40%）：期末項目答辯（團隊展示“智能倉儲小車”項目，答辯內容含需求分析、技術方案、成果演示、改進方向），結合理論筆試（側重嵌入式系統(tǒng)原理、驅動開發(fā)流程等）。（二）反饋與改進1.學生反饋：每模塊結束后發(fā)放匿名問卷，收集“知識點難度”“實踐任務合理性”“教學方法有效性”等反饋，例如若超過60%學生反饋“RTOS任務調度”理解困難，則增加“任務優(yōu)先級搶占”的可視化仿真實驗。2.教師反思：通過“教學日志”記錄課堂問題（如硬件調試工具使用不熟練），針對性優(yōu)化實驗指導手冊，或邀請企業(yè)工程師開展“嵌入式調試實戰(zhàn)”講座。七、教學資源與保障（一）教材與參考資料主教材：《嵌入式系統(tǒng)原理與實踐——基于STM32和FreeRTOS》（注重理論與實踐結合）；參考書：《嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊》《ARMCortex-M3與Cortex-M4權威指南》；在線資源：MOOC平臺“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”課程、GitHub開源項目（如FreeRTOS官方例程、STM32CubeMX工程模板）。（二）實驗平臺基礎平臺：STM32F103/407開發(fā)板（含傳感器擴展模塊）、AltiumDesigner軟件；進階平臺：ARM+Linux開發(fā)板（如樹莓派、JetsonNano）、邏輯分析儀、示波器；仿真工具：Proteus（硬件電路仿真）、QEMU（嵌入式系統(tǒng)虛擬化）。（三）師資保障校內教師：需具備嵌入式系統(tǒng)開發(fā)項目經驗（如參與過工業(yè)控制、智能硬件項目），定期參加企業(yè)技術培訓（如ST、NXP的原廠培訓）；企業(yè)導師：邀請嵌入式開發(fā)工程師