以目標板任務為導向，整合嵌入式軟硬件教學

王　彥　李宏力　趙家華　徐　亮

摘 要:本文提出一種從工作原理和技術(shù)參數(shù)方面設計目標板的思路,并將設計、制作、調(diào)試、開發(fā)目標板的實驗引入教學中,對各種軟硬件教學都適用。使用目標板替代實驗箱、實驗臺,提高了學生的動手能力,培養(yǎng)了學生的實踐能力,是一種創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)方法。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);目標板;任務驅(qū)動;創(chuàng)新

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

創(chuàng)新是一個民族的靈魂,是人類社會發(fā)展的不竭動力。在建設創(chuàng)新型國家的過程中,高等學校承擔著培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的神圣使命。要以加強大學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)為核心目標,就必須積極推進大學人才培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新。

嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生是多學科融合的結(jié)果,這些學科包括計算機、電子、半導體、通信、控制等。嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)自動控制、智能交通、信息處理、儀器儀表、航空航天、汽車電子、通信技術(shù)、安防系統(tǒng)和信息家電中,它的設計方法的演化由應用需求牽引和IT技術(shù)推動。嵌入式系統(tǒng)通常面向用戶、面向產(chǎn)品、面向特定應用,產(chǎn)品具有較長的生命周期,軟件固化存儲,OS內(nèi)核小,OS和應用程序的區(qū)分不明顯。

1 嵌入式系統(tǒng)教學方法變化的背景

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備管理、網(wǎng)絡通信、圖形界面、文件系統(tǒng)等模塊。它具有通用操作系統(tǒng)的基本特點,能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源;能夠把硬件虛擬化,使開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來;能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及一些典型應用程序。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與桌面應用開發(fā)有很大區(qū)別,它的軟件和系統(tǒng)平臺緊密相關(guān);嵌入式系統(tǒng)將迅速發(fā)展和普及,但不會取代傳統(tǒng)的單片機嵌入式測控系統(tǒng),二者的發(fā)展空間并不沖突;嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)中的處理器、操作系統(tǒng)選擇比傳統(tǒng)的單片機具有低功耗高性能的優(yōu)點。

以“應用型”人才培養(yǎng)為目標的理工科院校的實踐教學中,應特別重視學生嵌入式系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng),加強實踐教學環(huán)節(jié),提高學生實踐能力、職業(yè)技能與就業(yè)能力。以下就結(jié)合地方高校通信工程專業(yè)的特點,對學生“嵌入式系統(tǒng)設計”能力培養(yǎng)的相關(guān)課程內(nèi)容、實踐教學方案和實踐教學環(huán)節(jié)等進行探索,探討地方高校理工科學生創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)體系。

目前,大多數(shù)學校嵌入式實驗實訓課授課都采用嵌入式實驗箱,它雖然降低了嵌入式課程的授課成本和實驗難度,但也帶來了一系列問題。嵌入式實驗箱的硬件相對固定,擴展其他硬件相對困難;硬件線路固定,相當于一個“黑匣子”,使用者無法知曉硬件線路就可以完成實驗;對使用者來說,使用機器碼輸入枯燥無味,只是查找輸入錯誤,與嵌入式程序調(diào)試概念大相徑庭。

長期使用嵌入式實驗箱會阻礙使用者對嵌入式學習的興趣,扭曲對嵌入式設計的概念:認為輸入些機器碼就是嵌入式設計了。其實嵌入式設計是一個范圍非常廣的概念,從系統(tǒng)設計到軟、硬件的設計,從嵌入式核心到外圍器件的選取,甚至非電量器件等交叉學科的內(nèi)容,都屬于嵌入式設計的內(nèi)容。

2 嵌入式系統(tǒng)設計最小目標板教學實踐

嵌入式系統(tǒng)設計最小目標板主要完成以嵌入式為核心的,包含存儲器、A/D、D/A、鍵盤顯示、輸入輸出端口、時鐘等外圍電路的幾種嵌入式目標板的硬件設計與制作,并編寫相應的軟件。核心板提供相對應微處理器的最小系統(tǒng),包括了處理器、RAM、ROM、寄存器接口等;擴展板提供電源、LCD顯示、串口、USB、以太網(wǎng)口等模塊,以利于學生學習及創(chuàng)新設計。設計工作以完成嵌入式最小系統(tǒng)板任務為導向,將理論與實踐進行有效合理的整合,將工程實踐分解成可供實際推廣操作的學習任務,輔以必要的教育技術(shù)支持手段,強調(diào)學生自主學習,在實際工程環(huán)境中掌握和內(nèi)化工程理念。

嵌入式系統(tǒng)最小目標板設計任務包括嵌入式系統(tǒng)硬件與軟件的設計,以模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)及計算機輔助設計與單片機原理與接口技術(shù)等課程教學為基礎,旨在加強對學生設計能力的培養(yǎng),提高學生的電路設計和軟件開發(fā)能力。通信技術(shù)專業(yè)的實踐教學可基于現(xiàn)代電子技術(shù)進行信息的采集、傳輸、處理、檢測、控制,應用現(xiàn)代通信網(wǎng)工程,以信息與通信工程技術(shù)為主線,融電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)于一體,軟硬件課程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

教學改革了考核方式,加強對學生動手能力的培養(yǎng),單片機技術(shù)、DSP技術(shù)、EDA技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、可視化程序設計等技術(shù)課程的考核成績?nèi)坎捎脤嵺`方式,實驗占總成績的40%,課程設計(要求有硬件和軟件制作)占總成績的40%,創(chuàng)意制作占總成績的20%。實驗與課程設計題目每年更新,學生在完成實驗的基礎上選定題目進行設計,根據(jù)自身能力選擇不同難度的題目,分值依據(jù)題目難易程度而定。學生在不斷改進、反復鍛煉中提高了分析問題、解決問題的能力,在實踐過程中真正做到舉一反三。

為了使實踐內(nèi)容和教學內(nèi)容聯(lián)系得更緊密,教師可結(jié)合前面所講的教學層面要求,要求學生設計實踐核心板與擴展板,將“嵌入式系統(tǒng)設計”系列課程實踐教學融合到地方理工科院校的人才培養(yǎng)體系中。通過加強開放實驗、科技制作及科技競賽等創(chuàng)新學分的管理,改革相關(guān)課程考核方式,綜合考慮知識、能力和素質(zhì)三者的關(guān)系,統(tǒng)籌實踐教學體系,提供豐富的工程設計課題,加強“嵌入式系統(tǒng)設計”的工程訓練,促進大學教育中創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

在教學過程中,學生完成了以計算機、電子、半導體、通信、控制等多學科相融合的嵌入式最小系統(tǒng)板的軟、硬件設計任務,加強了對嵌入式軟、硬件和“嵌入式設計”概念的了解,從而實現(xiàn)對軟、硬件課程教學的整合。

3 結(jié)束語

以目標板任務為導向,整合嵌入式軟硬件以嵌入式目標板的軟、硬件結(jié)構(gòu)的設計任務驅(qū)動教學,制定切實可行的教學計劃、大綱及實施細則,并在教學過程中逐漸完善,是一種新的嘗試,是創(chuàng)新。該項教學的主要特點有:

(1) 嵌入式系統(tǒng)是多學科融合的結(jié)果,包括計算機、電子、半導體、通信、控制等技術(shù)。教學過程以學生完成任務為導向,是對教學方法的創(chuàng)新嘗試。

(2) 嵌入式目標板的設計可以培養(yǎng)學習者對嵌入式學習的興趣,學生通過學習和完成嵌入式目標板的設計,掌握嵌入式系統(tǒng)設計和嵌入式軟、硬件設計的正確思路,熟悉嵌入式硬件和編程語言,增加對嵌入式外圍器件和非電量器件等交叉學科的了解,在完成任務的過程中整合有關(guān)的硬件課程,為以后的學習和工作打下良好的基礎。

(3) 學生設計嵌入式最小系統(tǒng)時熟悉硬件結(jié)構(gòu),再進行創(chuàng)新設計,突破了以往教學驗證實驗的單一模式。

(4) 嵌入式最小系統(tǒng)可以回收再利用,供軟件類專業(yè)學生仿真編程或練習用,節(jié)約了實驗成本。

(5) 嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速,學生在嵌入式最小系統(tǒng)的制作過程中可以更快地跟進技術(shù)的發(fā)展,有利于就業(yè)。

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