軟件類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學探究與實踐

何劍鋒 姜 林 劉 琳

摘要:嵌入式系統(tǒng)教學體系建設(shè)是高校教學改革的一個重要組成部分,在高校開設(shè)嵌入式系統(tǒng)的課程已是大勢所趨。本文從不同角度分析了嵌入式系統(tǒng)教學,詳細討論適應(yīng)社會需求的本科階段軟件類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向理論課程體系和實驗課程體系。同時,闡述了在嵌入式系統(tǒng)教學實踐中運用的多種教學方法和思想。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);教學體系;教學方法;教學實踐

中圖分類號:G642文獻標識碼:A

1引言

網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電時代的到來,無疑為32位嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用提供了空前巨大的發(fā)展空間;同時,也為力不從心的8位單片機向高端發(fā)展起到了接力作用。嵌入式技術(shù)及產(chǎn)品的快速成長成了全球IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的顯著特征,嵌入式技術(shù)是二十一世紀最有活力和生命力的新技術(shù)之一。然而在中國,嵌入式軟件復(fù)合型人才的缺乏,已成為嵌入式產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,作為對新技術(shù)研究和探索最活躍的群體之一——高等院校中獨立軟件學院,如何接受嵌入式技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),學習嵌入式、研究嵌式、使用嵌入式,已成為一個重要的研究課題,加強與完善高校嵌入式系統(tǒng)教學迫在眉睫。由于國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)教學起步較晚,目前還沒有形成適應(yīng)高校教學的一個統(tǒng)一的教學體系和教學規(guī)范。由此強調(diào)要以信息技術(shù)為手段,深化教學改革和人才培養(yǎng)模式改革,如何根據(jù)社會的實際需要,培養(yǎng)具有一定專業(yè)特色的和特定能力強的軟件實用型、復(fù)合型人才是我們學院應(yīng)首要解決的問題。因此必須深入探究嵌入式系統(tǒng)課程體系結(jié)構(gòu),尋求各專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實踐教學解決方案,積累教學實踐經(jīng)驗,建立較規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)教學體系,使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)更好地融入到教學與科研活動中,以適應(yīng)社會對嵌入式系統(tǒng)人才的需求,對于深化我國高校的教學改革具有重要的現(xiàn)實意義。

2嵌入式系統(tǒng)教學體系探究

嵌入式系統(tǒng)作為一個新興的課程體系,目前在教學過程中相關(guān)先修課程與基礎(chǔ)知識的準備教學內(nèi)容(包括硬件平臺與軟件平臺)的選擇、實驗教學與實踐環(huán)節(jié)組織等問題依然處于爭論和探索階段。國內(nèi)高校對于嵌入式系統(tǒng)的教學研討從嵌入式課程體系的設(shè)置、嵌入式理論教學的開展、嵌入式實驗教學的開展、嵌入式綜合設(shè)計與學生工程實訓等幾方面展開。

2.1嵌入式系統(tǒng)教學分析

(1) 從應(yīng)用角度來分析,具有世界最大嵌入式技術(shù)市場的中國,嵌入式系統(tǒng)教學中更多的強調(diào)以“應(yīng)用”為中心。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)還必須具有一定的行業(yè)領(lǐng)域知識,教學中最好要在一個實際的應(yīng)用項目開發(fā)環(huán)境中去實踐,提高嵌入式軟件開發(fā)方面的綜合應(yīng)用能力。

(2) 從學科專業(yè)角度來分析,嵌入式系統(tǒng)涉及多門交叉學科致使將嵌入式系統(tǒng)的教學大致分為三類:軟件學院專業(yè)嵌入式教學;計算機專業(yè)嵌入式教學;微電子、電子信息工程、自動化等相關(guān)專業(yè)嵌入式教學。在嵌入式系統(tǒng)教學中應(yīng)重視不同專業(yè)嵌入式課程體系建設(shè)、課程目標和內(nèi)容等方面展開。

(3) 從技術(shù)角度來分析,嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件有機的結(jié)合體。要考慮什么樣的硬件設(shè)計更容易編寫驅(qū)動程序,軟件處理效率等因素就必須要學習操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序開發(fā)相關(guān)的知識,同時需要考慮如何取舍軟硬件設(shè)計。由此嵌入式系統(tǒng)教學中應(yīng)注重培養(yǎng)同時具備軟件和硬件兩方面及綜合性知識分析能力。

2.2嵌入式系統(tǒng)方向理論課程體系

本科階段的按專業(yè)方向課程規(guī)劃既要重視基礎(chǔ)理論的學習,又要注重實踐性,既要突出專業(yè)自身特點,又要把握嵌入式系統(tǒng)在多學科知識領(lǐng)域中相互滲透的規(guī)律。不同專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向課程體系如圖1所示。信息工程專業(yè)涉及的專業(yè)基礎(chǔ)課包括數(shù)字電路、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理與接口技術(shù)、計算機組成原理、可編程邏輯器件、EDA設(shè)計等課程。而軟件工程專業(yè)涉及的專業(yè)基礎(chǔ)課則為C/C++語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)編成、編譯原理、軟件工程、操作系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)課程體系包含兩個專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容。數(shù)字電路的知識是從事嵌入式系統(tǒng)的必備,關(guān)鍵要增強邏輯思維能力。C語言作為一種“高級的低級”語言、易移植、易維護、可讀性強、具有強大的內(nèi)存操作能力,成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最佳選擇。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法在嵌入式系統(tǒng)教學中要作為重點,可適當增加實驗課時,無論學生以后從事嵌入式系統(tǒng)的軟件還是硬件開發(fā),這門課的思想將貫穿其中,這兩門課程教師應(yīng)當要求學生加強上機實驗的操作,鼓勵相互交流,體會編程的思想。

嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu):在嵌入式領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。ARM公司引發(fā)了嵌入式領(lǐng)域的一場革命,在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位,是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器,學習以ARM為架構(gòu)的嵌入式技術(shù)具有非常廣闊的前景。對于嵌入式操作系統(tǒng):目前比較適合用于本院教學主要有VxWorks、Windows CE、Linux(uClinux)和μC/OS-Ⅱ等。基于Linux內(nèi)核穩(wěn)定可靠、源碼免費開放等優(yōu)勢成了教學和學習嵌入式操作系統(tǒng)的首選。嵌入式的軟件開發(fā)從智能手機開發(fā)(SYMBIAN)、J2ME程序設(shè)計、數(shù)字媒體終端等實踐編程。嵌入式軟件開發(fā)語言主要有匯編語言、C/C++語言、Java語言等。

2.3嵌入式系統(tǒng)方向?qū)嶒炚n程體系

嵌入式系統(tǒng)是實踐性很強的課程體系,學好嵌入式系統(tǒng)課程不僅有助于學生了解系統(tǒng)設(shè)計的基本方法,而且能提高學生對于相關(guān)學科的理解和實際應(yīng)用能力。在嵌入式系統(tǒng)教學中,實驗是最重要的環(huán)節(jié)之一,是學生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵。為滿足不同專業(yè)學生的學習要求,我?，F(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)實驗設(shè)備40套(XScale PXA270處理器)及相關(guān)配套實驗儀器及測試儀器,實驗教學內(nèi)容涉及微處理器系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式中間件平臺開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)等內(nèi)容。為達到教學目標,將實驗教學體系分為基礎(chǔ)類實驗、系統(tǒng)設(shè)計類實驗和創(chuàng)新類實驗?；A(chǔ)類實驗:采用理論授課與動手實驗相結(jié)合的方式,讓學生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程,掌握實驗開發(fā)工具的使用方法,熟悉軟件編程環(huán)境,根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容進行實驗的調(diào)試,讀懂實驗源程序和程序的運行過程,使學生能夠進行修改、組合和補充式的應(yīng)用編程。包括ARM集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2的使用與仿真調(diào)試方法、ARM中的匯編程序與C語言調(diào)用的混合編成等15個實驗。系統(tǒng)設(shè)計類實驗:主要采取精講精練的方式進行,使學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。教師指定幾個設(shè)計課題,并提供任務(wù)書,任務(wù)書內(nèi)容包括實驗題目、實驗所涉及的主要內(nèi)容、要實現(xiàn)的功能說明及實驗中應(yīng)注意的問題。學生自行設(shè)計實驗方案,編寫實驗程序,選擇硬件接口并調(diào)試,獨立進行課題設(shè)計,并寫出設(shè)計實驗報告,教師在設(shè)計過程中僅起指導(dǎo)作用。包括嵌入式Linux內(nèi)核分析、裁減、移植和燒寫在內(nèi)的10個實驗。創(chuàng)新類實驗:為了培養(yǎng)學生的科研能力、創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力,研究課題和內(nèi)容由他們自己提出,或是來自教師的科研課題,或是與企業(yè)相結(jié)合的科研項目,學生自己討論確定研究方法和研究手段,利用現(xiàn)有的實驗設(shè)備和條件進行課題研究,教師在一定階段給予必要的指導(dǎo)。

3嵌入式系統(tǒng)教學實踐

(1) 注重理論知識和實踐訓練相結(jié)合教學,著力培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

結(jié)合實例講解理論,使理論來源于實踐,又進一步指導(dǎo)實踐。在課堂教學中,要求教師注重體現(xiàn)工科特色,突出本課程在嵌入式軟件開發(fā)中的基礎(chǔ)性作用。由于嵌入式系統(tǒng)是一個實踐性很強的課程體系,學生的動手能力的培養(yǎng)是嵌入式系統(tǒng)教學中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。在教學方式上,注重采用理論與案例相結(jié)合的課堂教學、系統(tǒng)的多級課程實踐、工程實習以及前沿技術(shù)講座等多種形式的教學與實訓,使學生在掌握扎實的嵌入式軟件基礎(chǔ)理論、開發(fā)技術(shù)和工具的基礎(chǔ)上,進行嵌入式軟件的設(shè)計和開發(fā)。實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)的感性認識和理性認識相統(tǒng)一。在實踐教學手段上,除了繼續(xù)加強畢業(yè)設(shè)計(論文)、畢業(yè)實習、課程設(shè)計和理論課內(nèi)實踐教學外,還提出了“實驗選修課”的新模式,要求各專業(yè)大學生必須修滿一定的實驗選修課學分。實驗選修課面向全校各專業(yè)開放,課程強調(diào)以實踐為主,進行綜合性、設(shè)計性的訓練。而該課程的教授中占據(jù)著核心地位的是創(chuàng)新能力的培養(yǎng):采取學校與企業(yè)合作,企業(yè)中有工程經(jīng)驗豐富的一線工程人員和高水平的技術(shù)團隊,構(gòu)建這樣一個高水平的學生工程實踐環(huán)境,為學生提供實際項目開發(fā)機會,完善自身職業(yè)素質(zhì)和工程能力;通過大學生嵌入式設(shè)計競賽可以針對具體問題使學生在實踐中提高發(fā)現(xiàn)問題,解決問題的能力。

(2) 配套立體化教材,共享嵌入式系統(tǒng)教學資源。

如果僅僅是購買了一個開發(fā)套件而沒有相應(yīng)的配套技術(shù)資料,可想而知學習的效果肯定是很差的,因為只有配套的資料才能體現(xiàn)出設(shè)計者的原創(chuàng)思想,更為重要的是在學習過程中遇到了困難,配套的技術(shù)資料可以幫助老師和學生加深理解、解決問題。各硬件廠商提供的產(chǎn)品芯片說明和開發(fā)參考以及嵌入式操作系統(tǒng)的源代碼和相應(yīng)軟件環(huán)境使用說明是最好的教材。但資料多為英文,學生使用起來比較吃力,所以此時教材的選擇非常重要,課程開始給學生推薦經(jīng)典的教材,在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學生盡快過渡到英文資料的閱讀和使用上。多媒體教學比傳統(tǒng)教學的模式具有更大的優(yōu)勢,多媒體教學把枯燥的計算機內(nèi)容轉(zhuǎn)化為生動的圖像、交互和視聽媒體,把教學內(nèi)容直觀化,有利于學生更好地接受知識。同時,加強教師的培訓,提高教師應(yīng)用網(wǎng)上資源進行教學、整合網(wǎng)上資源的技能。

(3) 總結(jié)教學方法,提高實際教學效益。

運用“學教并重”進行課程教學設(shè)計、采取了互動式教學、采用啟發(fā)式、范例式課堂教學、現(xiàn)代與傳統(tǒng)教學手段相結(jié)合,直觀、生動的等多種教學方法,激發(fā)學生主動學習熱情,讓他們成為教學中的主體,并培養(yǎng)其收集相關(guān)領(lǐng)域信息、拓寬知識面的能力。將教學的重點放在培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析問題、解決問題能力上。從而達到能理解嵌入式軟件設(shè)計文檔;獨立負責嵌入式軟件組件編碼和調(diào)試;執(zhí)行軟件組件的單元測試;符合嵌入式軟件開發(fā)企業(yè)的入職要求等教學效益。

4結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)在國內(nèi)真正得到發(fā)展還是近幾年的事情,還沒有形成統(tǒng)一的教學體系和規(guī)范,加之社會對高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才的需求日益增加,各個高校迫切要求建立嵌入式系統(tǒng)課程體系、實驗體系、教材體系和教師培養(yǎng)體系,本文所探究的針對軟件本科專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)理論課程體系和實驗課程體系,積累嵌入式系統(tǒng)的教學實踐,融合了社會企業(yè)的需求和軟件專業(yè)的特點,符合實際應(yīng)用。當然,獨立軟件學院的嵌入式方向的教學還任重道遠,需要從事嵌入式系統(tǒng)教學的教師在實踐中不斷地進行研究、不斷地積累經(jīng)驗,不斷地創(chuàng)新,才能培養(yǎng)出社會所需要的高素質(zhì)嵌入式技術(shù)人才。

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The Teaching Research and Practice of Embedded System for the Software Speciality

HE Jian-feng, JIANG Lin, LIU Lin

(College of Software , East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Abstract:The teaching system construction of embedded system is an important component of teaching reform in higher educational institutions. Setting up embedded system courses is an irresistible trend in colleges and universities. In this article, the embedded system teaching is analyzed from a different point of view, and the curriculum theory and experimental curriculum of the professional software for embedded systems in undergraduate stage which adapts to the social needs on teaching is discussed in detail. At the same time, a variety of teaching methods and ideas in embedded systems teaching are proposed and used in the teaching practice.

Key words: Embedded System; teaching system; teaching method; teaching practice