地方高校嵌入式實踐教學體系的應用

馮小燕，陳昌興

（肇慶學院教育技術與計算機中心，廣東肇慶526061）

地方高校嵌入式實踐教學體系的應用

馮小燕，陳昌興

（肇慶學院教育技術與計算機中心，廣東肇慶526061）

嵌入式實踐教學體系要求學生必須掌握有關嵌入式系統(tǒng)的軟硬件知識和技能。在嵌入式系統(tǒng)實踐教學中，要明確實踐教學的設計思想與預期目標；營造良好的嵌入式系統(tǒng)的實驗環(huán)境；構建嵌入式教學系統(tǒng)的實踐管理體系。為了保障嵌入式教學的質量，要強化組織管理；編訂適用的嵌入式系統(tǒng)教學實驗教程；更新實驗設備；加強師資隊伍建設；建立科學的考評體系。

地方高校；嵌入式系統(tǒng)；實踐教學體系；課程體系

一、引言

關于嵌入式實踐教學體系的理論分析，筆者已經有專文作了研究，這里不再復述[1]。嵌入式系統(tǒng)是一門涉及計算機體系結構、計算機軟件以及其他相關電子技術的綜合技術。目前，嵌入式系統(tǒng)技術已經成為最熱門的技術之一，各類企業(yè)對具備嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)能力人才的需求量非常旺盛，而傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學，課堂環(huán)節(jié)多是純理論教學，實踐環(huán)節(jié)一般也是使用傳統(tǒng)的實驗箱，實驗項目較少，內容固定，創(chuàng)新手段不足，很難滿足學生的創(chuàng)新實踐的需要。針對傳統(tǒng)教學模式中面臨的問題，筆者在嵌入式教學中認真選擇實驗硬件、軟件開發(fā)平臺，精心設計嵌入式實驗內容，加強創(chuàng)新性實驗內容，強化實踐效果的評估體系，這些措施將有利于提高該課程的教學和研究效果。

二、嵌入式系統(tǒng)實踐教學要求

嵌入式教學實踐課程是計算機科學及電子信息、自動化工程、通信等專業(yè)學生的必選課程之一。嵌入式教學實踐課程在強調理論的同時，更加強調對學生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，引導學生熟悉社會上流行的開發(fā)技術及技巧。

嵌入式實踐教學體系要求學生必須掌握有關嵌入式系統(tǒng)的軟硬件知識和技能。硬件方面，必須了解和掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理及相關微處理器、存儲器、周邊設備和接口的基本知識。軟件方面，必須熟悉和掌握軟件工程學、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程以及嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）等理論課程內容，并且掌握一些常用的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具，熟悉常用的開發(fā)方法，了解嵌入式系統(tǒng)的典型應用及產品設計開發(fā)的步驟等。嵌入式實踐教學體系具體教學內容包括：

1.了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程，掌握嵌入式系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別、嵌入式操作系統(tǒng)基本命令，并能夠運用基本命令查看嵌入式系統(tǒng)的基本信息。

2.了解嵌入式操作系統(tǒng)的分類及標準，掌握不同嵌入式操作系統(tǒng)的應用環(huán)境，并結合應用環(huán)境選擇嵌入式操作系統(tǒng)。以μC／OSII操作系統(tǒng)為基礎，掌握嵌入式操作系統(tǒng)的任務調度、內存管理等。

3.了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期各階段的作用，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)不同方法，并能設計嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程。

4.掌握ARM體系結構、內涵、工作模式、寄存器，以及數(shù)據類型之間的深層次關系，熟悉寄存器的使用，運用不同寄存器設置不同工作模式和狀態(tài)切換。

5.掌握中斷概念、存儲器映射方式、尋址方式、響應流程、不同狀態(tài)下的存儲器映射、具體尋址方式，并運用上述知識解決在嵌入式系統(tǒng)運行、具體編程、程序調試等諸多實際問題。

6.掌握嵌入式系統(tǒng)外設基本概念、分類、具體功能和接口使用，運用常用外設解決主機／嵌入式設備通信、調試等具體問題。

7.熟悉嵌入式系統(tǒng)的調試方法及調試技巧。

三、嵌入式實踐課程體系設計及實現(xiàn)方法

（一）明確實踐教學的設計思想與預期目標

在嵌入式系統(tǒng)實踐教學過程中，倡導“開放式和啟發(fā)式綜合設計”的實驗教學方式，克服傳統(tǒng)單純演示式和單純設計方法的弊端。授課教師結合演示實驗，具體給出綜合各演示嵌入式模塊的設計目標后，鼓勵學生獨立、主動地思考、設計和實驗，然后教師抽查學生的設計效果，并由學生在實驗課堂中交流解決方案，提出硬件資源充分的利用方向，改進硬件連接方法，并提高編程實現(xiàn)的可靠性、規(guī)范性。樹立“實驗教學就是項目開發(fā)”的理念，按照項目開發(fā)的思路和方式方法開展教學實驗活動，增強實驗教學的實效性和針對性。

運用這種教學實驗方法，旨在活躍學習氣氛，克服嵌入式系統(tǒng)實驗中硬件和軟件相互交織帶來的復雜性，調動學生主動性、責任心和學習興趣，極大地提高教學效果。同時，將學生引入嵌入式系統(tǒng)設計領域中，為其未來職業(yè)生涯打下良好的基礎。

（二）營造良好的嵌入式系統(tǒng)的實驗環(huán)境[2]

一個完整的嵌入式系統(tǒng)一般由微處理器及相關接口芯片、嵌入式操作系統(tǒng)、應用軟件組成。在嵌入式操作系統(tǒng)和RISC微處理器的結合的軟件和硬件平臺的支持下，嵌入式系統(tǒng)程序設計能夠實現(xiàn)復雜控制，進行多任務的處理。嵌入式開發(fā)環(huán)境一般由三部分組成：運行于PC機端的集成開發(fā)環(huán)境、仿真器和用戶的實驗板或開發(fā)用的目標板。（基本結構與連接形式如圖1所示）。

1.構建嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺。Samsung S3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作頻率在66MHz。為了降低系統(tǒng)總成本并減少外圍器件，這種芯片的片上還集成了8KB Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2通道UART、1個多主I2C總線控制器、1個IIS總線控制器，5通道PWM定時器及一個內部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、實時時鐘、8通道10位ADC等部件。

實驗系統(tǒng)硬件平臺主要包括：存儲器；JTAG仿真器接口；D/A和A／D接口；以太網接口；通用I/O接口；IIC總線接口電路與實時鐘接口電路；CPLD接口；LCD和LED接口；HDLC（面向位的傳輸協(xié)議）接口；USB接口等[3]，圖2中對兩者關系做了詳細說明[3]。

圖1 嵌入式實驗系統(tǒng)基本結構

圖2 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺與軟件關系

2.構建嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。在嵌入式開發(fā)環(huán)境中，準備工作需要3個步驟。首先，在PC中搭建Keil MDK或者ADS（ARM Developer Suite）編譯環(huán)境。其次，安裝嵌入式操作系統(tǒng)（Linux、uc/OS－Ⅱ、WINCE等），針對系統(tǒng)硬件進行裁剪和移植，建立交叉編譯環(huán)境。然后，安裝BSP及驅動程序，構建嵌入式操作系統(tǒng)映像文件，通過JTAG接口進行下載、調試[4]。最后，開發(fā)建立在選定的嵌入式操作系統(tǒng)之上的應用程序并調試。

（三）構建嵌入式教學系統(tǒng)的實踐管理體系

1.建設校內嵌入式綜合實驗室。根據地方高校的實際情況，按照“集中化、一體化和三層次”的思路進行實驗室建設。

集中化就是在學校層面集中成立校級實驗中心，將面向全校范圍的基礎課實驗教學、相同或相近的實驗課程等，歸并整合，由校級實驗中心所有，或掛靠某聯(lián)系密切的院（系）運行管理一體化是根據實際情況在有條件的院（系）合并系（教研室）和實驗室，采取兩塊牌子一套人馬的運行模式。三層次包括：第一層次是面向全校開放的公共服務體系，跨院（系）、跨學科的基礎課或專業(yè)基礎課校級實驗教學中心；第二層次是原則上為一個或幾個學院（系）開設專業(yè)基礎課實驗教學的院（系）級中心實驗室；第三層次是專業(yè)實驗室。專業(yè)實驗室分為教學與科研兩個體系。管理和運作體系可以概括為：四位一體、模塊化組織和因人設所。四位一體包括專業(yè)建設、課程建設、學科建設和實驗室建設。模塊組織是指按研究方向、學科（術）帶頭人、梯隊等構建模塊，進行項目論證和建設。因人設所是指為引進的高層次人才設置專門的研究機構，開展嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)和創(chuàng)新[4]。

2.選擇“產學研”的教學形式，提高學生的創(chuàng)新能力。嵌入式實踐教學體系的校外實習實訓基地可以通過產學研合作形式實現(xiàn)。企業(yè)提供實習實訓平臺，整合雙方人才和技術資源，建立集教學、科研、生產、培訓于一體的綜合性人才培養(yǎng)基地。從嵌入式實踐教學和學習的轉換可以看出，教與學是項目的兩端，往往可以借助項目這一載體有效實現(xiàn)對接。圍繞項目開展教學和學習活動，項目是教學活動的核心。隨著項目的推進，教與學的過程隨之進行。從項目的設計、實施到整個過程的結束，實際上是教學、實習和項目研發(fā)三者的緊密結合。學生通過完成項目，最大限度地學習和掌握了有關嵌

入式系統(tǒng)的知識和應用方法，并使之在理論與實踐的結合達到了較高層次的升華[2]。

在產學研合作過程中，教師也可以嘗試在總項目基礎上分解若干子項目，鼓勵學生獨立完成一些難度較小、完成周期短的項目,最大限度調動學生參與的積極性和創(chuàng)造性。

在具體教學活動中，除高校教師授課和輔導外，還可以聘請一批具有實踐經驗的企業(yè)工程師或技術人員帶領學生針對性的解決一些疑難問題。校外實習實訓基地建設，不僅有利于高效與企業(yè)開展產學研合作和學生應用能力培養(yǎng)，也可以通過校企雙方在合作中逐步形成關聯(lián)互動機制，為高校拓展產學研合作途徑和解決學生就業(yè)難題拓寬更加廣泛的途徑[5]。

3.逐步提高學生綜合實踐能力。按照驗證性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗3個層次逐漸培養(yǎng)學生開發(fā)應用程序和驅動程序的能力。針對實驗設備的多樣性，采用驅動程序屏蔽的方法，給學生提供一致的應用程序編程接口，利用實驗設備共性部分開設基礎驗證性實驗。同時，針對各種外設開發(fā)出各種實驗樣例程序，如液晶屏、觸摸屏、小鍵盤和攝像頭等，由學生自由組合成綜合性實驗。對于實驗設備選配件以及未開發(fā)的部分，允許學生自主命題，申請器件進行創(chuàng)新性設計。鼓勵高年級大學生選修嵌入式系統(tǒng)課，側重圖片顯示、觸摸屏和視頻采集的內容，通過開源手機平臺等提高學生對硬件類課程的興趣?？紤]到有些廠商對實驗設施支持的局限性，可以嘗試建立嵌入式系統(tǒng)教學聯(lián)盟，尋找提供交流平臺，通過多方位、多途徑提高學生應用能力，培養(yǎng)學生對嵌入式系統(tǒng)的實踐能力[5]。

四、保障措施

（一）強化組織管理

嵌入式實踐性教學質量的保障關鍵在于有效的管理。具體體現(xiàn)在建立完善、有效的教學管理體系。根據地方高校運行模式，建立由學校教學主管領導牽頭，教務部門統(tǒng)籌，教學執(zhí)行部門實施，各任課教師為個體的組織框架，并制定相應的管理制度，權責明晰，責任到人,形成符合嵌入式教學實踐的管理模式。建立檢查、評估和督導制度，安排專人負責教學和實習實訓過程的評估和考核。同時,教務部門還要組織二級學院、學生管理部門定期或不定期地對其教學和實習實訓環(huán)節(jié)進行具體檢查和指導。

（二）編訂適用的嵌入式系統(tǒng)教學實驗教程

該教程具體規(guī)定學生在嵌入式實驗室開展的實習實訓環(huán)節(jié)、完成的任務以及達到的效果。由教學承擔單位和教務主管部門嚴格組織實施，確保按規(guī)定完成相關教學、實驗計劃。對未能達到要求者,要責成其相關單位和個人制定和實施整改方案，確保達到預期效果。

（三）更新實驗設備

針對目前地方高校普遍存在的嵌入式實驗設備陳舊，利用效果較差的現(xiàn)狀，積極籌集資金引進較為適用的軟硬件實驗設備，保障學生從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本要求。目前一些高校普遍使用的實驗箱、實驗儀主要有：ARM實驗箱、單片機實驗儀、愛迪克實驗箱、三知DSP實驗箱等。尤其是ARM實驗箱，是ARM公司為了支持國內大學和科研機構開展嵌入式和ARM技術的教學和科研推出了大學計劃，價格比較優(yōu)惠，產品比較適用于地方高校用以完成基于ARM的嵌入式產品的開發(fā)[6]。

（四）加強師資隊伍建設

現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)實踐教學受到國內許多高校重視，但師資普遍短缺。一些原本就師資緊張的地方高校更是顯得捉襟見肘。以肇慶學院為例，教育技術與計算機中心、計算機學院和軟件學院共有80多位教師，但具有嵌入式系統(tǒng)專業(yè)背景，且一直從事該領域教學和研究的教師只有2～3位。因此，著力加大對嵌入式系統(tǒng)實踐教學師資的培養(yǎng)和引進力度，打造一支高學歷、高職稱、高素質的師資隊伍，對推進地方高校嵌入式系統(tǒng)實踐教學顯得尤為迫切。

（五）建立科學的考評體系

嵌入式實踐教學的考評體系側重于教學與實驗兩個環(huán)節(jié)在實踐層面的銜接和融合。其總體原則，一是在考核內容上突出嵌入式專業(yè)就業(yè)崗位需要的核心知識、能力、技能訓練目標，體現(xiàn)創(chuàng)新性；二是在考核體系上形成以嵌入式專業(yè)能力與技能為核心的嵌入式課程考核模塊,體現(xiàn)綜合性；三是在考核目標上定位于對嵌入式專業(yè)崗位核心能力教學實驗訓練質量的檢驗,體現(xiàn)實用性；四是在考核形式上倡導多樣化的知識和技能考核方法,體現(xiàn)針對性；五是在考核要求上注重考核內容和考核形式的辯證統(tǒng)一,體現(xiàn)科學性[7]。嵌入式實踐教學的實驗環(huán)節(jié)十分重要。對教學實驗環(huán)節(jié)的考評方式應側重于查閱和評審學生的實驗報告[8]。教師根據學生自行設計的綜合實驗報告，以及每次的實驗情況進行綜合評分，并將成績納入整體考評結果之中。對學生設計的實驗報告的考核指標主要包括：報告對所反映的相關技術理解程度、查閱相關資料的能力、技術方案的合理性、設計內容的深度，以及內容的完整性等。

五、結束語

嵌入式實踐教學體系的應用是一個復雜的系統(tǒng)工程，我們在實踐中的一些做法和設想也處在探索階段，有必要通過多方位的努力加以改進和提高。尤其是軟硬件環(huán)境和高素質師資隊伍建設對提高嵌入式實踐教學體系的應用十分重要，這方面有許多工作尚需我們做出進一步的努力。

[1]馮小燕，陳昌興，朱靈娟.地方高校嵌入式實踐教學體系的構建[J].實驗科學與技術，2011(1)：98-100.

[2]潘繼軍.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)實驗分析[J].微計算機信息，2006，2（2）：129-133.

[3]馬忠梅.嵌入式系統(tǒng)教學模式探討[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2008（11）：5-7,37,99.

[4]林耀海,程麗,孫奇燕.著眼嵌入式發(fā)展的操作系統(tǒng)教學探討[J].計算機教育,2010(24)：86-89.

[5]劉浩.一種嵌入式系統(tǒng)虛擬教學實驗環(huán)境的建立[J].中國管理信息化,2010(17)：116-119.

[6]劉曉光,侯殿有.獨立學院計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程的特點、教學現(xiàn)狀和教學體系的建設[J].科技創(chuàng)新導報,2010(33)：154-156.

[7]劉志強,劉利民.嵌入式系統(tǒng)教學體系的研究與實踐[J].內蒙古財經學院學報(綜合版),2009(1)：47-49.

[8]俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實驗教學[J].實驗室研究與探索，2006(7)：741-745.

（責任編輯：禤展圖）

G642.0

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1009－8445（2011）03－0094－04

2011－03－03

馮小燕（1962－），女，寧夏海原人，肇慶學院教育技術與計算機中心實驗師。