嵌入式系統(tǒng)平臺下創(chuàng)新實驗方案的探究與實踐

曹俊武， 何劍鋒， 何月順， 李 祥， 余 英

（東華理工大學軟件學院，江西南昌 330013）

新形勢下，面向就業(yè)、面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)實踐體系教學策略研究在國內本科教學中處于起步階段。嵌入式系統(tǒng)作為綜合性和工程性極強的應用型課程體系，課程的教學模式具有單向性、理論性、滯后性、交叉性等特點［1］。要使嵌入式系統(tǒng)教學實踐體系在學生的創(chuàng)新實驗平臺上得到有效體現，應與企業(yè)需求相結合，與產業(yè)結構相適應;要理順理論課程、實驗課程、生產實習、畢業(yè)實習實施體系等相關教學內容;要重新理解嵌入式系統(tǒng)教學實踐，使其有效服務于學生的創(chuàng)新活動。

1 嵌入式實驗教學實踐與實施計劃

東華理工大學軟件學院現有嵌入式系統(tǒng)實驗設備40套（XScale PXA270處理器）及相關配套實驗儀器及測試儀器，實驗教學內容涉及微處理器系統(tǒng)設計、嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式中間件平臺開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)等眾多嵌入式實驗。針對理論授課反思嵌入式系統(tǒng)教學，普遍認為嵌入式實踐教學解決問題可以從專業(yè)技術課配套的實驗課程入手。通過探索改革實驗課程的授課思路、內容和方式，弄清實驗教學的理念，鍛煉學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，有序做好如下實驗教學的建設實施規(guī)劃［2，3］。

（1）嵌入式基礎性實驗。采用理論授課與動手實驗相結合的方式，讓學生了解嵌入式開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，掌握嵌入式開發(fā)工具的使用方法，熟悉軟件編程環(huán)境。根據課程章節(jié)內容進行實驗的調試，讀懂實驗源程序和程序的運行過程，使學生能夠進行修改、組合和補充式的應用編程。這包括ARM集成開發(fā)環(huán)境ADS1．2的使用與仿真調試方法、ARM中的匯編程序與C語言調用的混合編程、系統(tǒng)引導實驗、八段數碼管實驗、鍵盤實驗、IRQ中斷處理實驗、定時器實驗、串口傳輸實驗、實時時鐘實驗、LCD控制器實驗、觸摸屏實驗、MMU實驗、CAN-BUS總線實驗、步進電機實驗等“章節(jié)單元型”或“驗證型”實驗。

（2）系統(tǒng)設計類實驗。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)設計的基本方法。由教師指定幾個系統(tǒng)設計課題，下達包括實驗題目、實驗內容、系統(tǒng)功能及實驗中應注意問題的任務書。通常需要在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下完成設計實驗方案，編寫實驗程序，選擇硬件接口并調試，并寫出設計實驗報告。EELIOD是基于Intel高性能的PXA270處理器并支持嵌入式Linux/Windows CE系統(tǒng)的針對教學與實驗多功能嵌入式開發(fā)平臺。該實驗平臺下支持的“系統(tǒng)編程開發(fā)”或“設計型”實驗，主要包括1）基于Windows CE平臺的設計實驗:Windows CE平臺的構建與配置、線程同步調試、驅動程序結構設計、進程通信調試、SQL數據庫編程、I/O接口控制編程、動態(tài)鏈接庫（DLL）、無線網絡通信編程、UDP和Ping實驗、串口編程設計（GSM和GPS實驗）、SD/CF存儲卡讀寫實驗、USB攝像頭驅動和應用實驗;2）基于嵌入式Linux 2．4平臺的設計實驗:Linux常用工具實驗、Makefile實驗、BootLoader實驗、內核編譯實驗、嵌入式文件系統(tǒng)的構建、嵌入式GUI應用程序實驗、驅動程序結構實驗、I/O口驅動實驗、USB驅動配置實驗、SD卡驅動程序實驗、QT/E移植實驗、串口通訊實驗（GPS和GSM通信）、Webserver的移植與網絡通訊實驗［2，4］。

（3）創(chuàng)新類實驗。從貼近市場對于嵌入式軟件人才的能力要求出發(fā)，錘煉學生的科研能力、創(chuàng)新思維能力和工程實踐能力，對當前嵌入式系統(tǒng)實踐教學中的“知識+能力+創(chuàng)新”應用，以“項目實訓”驅動機制，充分激發(fā)學生的主觀能動性，讓學生發(fā)揮創(chuàng)意，通過自己的創(chuàng)新思維，學生自己討論確定研究方法和研究手段，利用現有的實驗設備和條件進行課題研究，教師在一定階段給予必要的指導。最終在項目中解決現實生活中的問題。通過項目組織整個實驗的同時，需要在項目的過程中貫穿軟件工程的思想。例如借助于軟件工程管理工具進行進度管理、代碼管理、缺陷管理等。簡言之，讓學生在項目中不但可以掌握具體工程技術，還可以積累工程素養(yǎng)。

2 嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗方案探究

嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗方案分為基礎類、設計類和創(chuàng)新類等3類實驗。（1）嵌入式基礎類實驗是以“章節(jié)單元實驗”為基礎，驗證某個教學知識點或某個已知的系統(tǒng)功能的正確性，利用基礎開發(fā)語言服務基本系統(tǒng)功能，掌握基本嵌入式開發(fā)工具，對于學生更好地理解課堂知識點和掌握必要的技術技能是有幫助的，通常稱為“驗證型”實驗。（2）嵌入式系統(tǒng)設計類實驗方案:所有的應用實驗均在特定的嵌入式操作系統(tǒng)上進行，不同的操作系統(tǒng)編程、移植與驅動開發(fā)千差萬別，結合軟件學院學生自身特色，其實驗目的是由傳統(tǒng)的“芯片編程技術”向“系統(tǒng)編程開發(fā)”轉變。（3）針對嵌入式創(chuàng)新類實驗方案:其實驗內容安排應該由傳統(tǒng)的“章節(jié)單元實驗”向“項目單元實訓”過渡，把前期做過的章節(jié)單元實驗課程通過一個或多個項目的形式來組織，牽引2～4名學生為一個項目組在一學期（年）內完成該一項項目，以達到掌握嵌入式技術技能的目的［5］。同時，積極進行校企合作，建立實踐基地，聯合完成項目設計。嵌入式系統(tǒng)具體實驗平臺方案如圖1所示。

3 創(chuàng)新型實驗教學理念與預期效益

圖1 嵌入式系統(tǒng)實驗方案

創(chuàng)新實驗教學的基本做法是讓學生基于綜合實驗程序，自行編寫一個功能擴充的應用項目，或者在綜合實驗平臺的啟發(fā)下自行創(chuàng)意，開發(fā)一個新應用項目。針對不同教學的應用對象（包含軟件類、計算機類、信息工程類大學本科生）、應用條件、教學內容、教學方法、教學手段、教學目標、教學評價體系進行相關實踐理論研究。在理論指導下建立健全嵌入式系統(tǒng)教學實踐新體系，旨在加強對系統(tǒng)基礎知識、系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［6，7］。主要包括:（1）培養(yǎng)學生的知識拓展、應用能力和創(chuàng)新思維。采用啟發(fā)式、范例式等多種方法提高實踐教學質量，設計具有創(chuàng)新意義的應用型實驗項目。在實踐教學中，課程組充分運用先進優(yōu)越的實驗條件，并充分發(fā)揮教師在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面較強的科研經驗和成果，開發(fā)基于多種軟硬件開發(fā)平臺的、不同層次的實驗項目并形成實踐教學體系。有選擇地讓學生分析科研項目中的有關應用系統(tǒng)的硬件和軟件。（2）構建嵌入式創(chuàng)新型人才課程體系和培養(yǎng)方案。面對嵌入式技術快速發(fā)展和嵌入式系統(tǒng)本科專業(yè)快速增長的現狀，深入探索社會需求和人才培養(yǎng)規(guī)律，進一步明確嵌入式創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)模式，構建科學規(guī)范的、滿足不同特色需求的嵌入式創(chuàng)新型人才課程體系和培養(yǎng)方案。（3）通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺有效促進實踐嵌入式教學改革。通過對教學方法與手段的多項教學研究與改革，在增強教學效果、提高教學質量的實踐中取得實效。同時在提高課程教學質量、針對教學難點、研究教學方法、融入教學過程、探索教學改革中發(fā)揮創(chuàng)新平臺的有效作用。如通過電子及計算機設計競賽、學生興趣小組、實習基地培訓項目、參與教師科研項目、職業(yè)創(chuàng)新規(guī)劃、自主設計等方式激勵創(chuàng)新，有效構建大學生科技創(chuàng)新平臺。在教學實踐中設計多層次的實驗系統(tǒng)包括基礎實驗、選作實驗、創(chuàng)新實驗，開展學生知識學習、研究探索，并通過自制實驗設備加強學生的實踐動手能力等。

4 結束語

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展得如此迅速，嵌入式系統(tǒng)實踐教學還沒有成熟的模式去遵循，原有的嵌入式設計思想，操作系統(tǒng)還沒有被應用到科研項目中。東華理工大學軟件學院嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗平臺建設受到了學生的熱烈歡迎，提高了教學效果。但這僅僅是一個好的開始，還存在許多不足。本著培養(yǎng)學生分析問題、解決問題以及綜合應用知識的能力出發(fā)，積極開展理解基礎類實驗、掌握設計類實驗、開拓創(chuàng)新性實驗，鼓勵學生探索、創(chuàng)新和實踐，這樣才能共同提高嵌入式系統(tǒng)理論與實踐教學的水平。

［1］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，2006，25（7）:741-745．

［2］億道電子．XSBase270基礎實驗上機指導書［R］．深圳:億道電子技術有限公司，2005．

［3］黃曉玲，段鳳云，趙建科．嵌入式系統(tǒng)實驗教學體系的探索與實踐［J］．實驗技術與管理，2006（4）:85-87．

［4］億道電子．XSBase270 LINUX/WINCE 使用手冊［R］．深圳:億道電子技術有限公司，2005．

［5］李靜，喬峰．淺談嵌入式系統(tǒng)實驗對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］，高校實驗室工作研究，2009，3（1）:22-23．

［6］羅鈞，廖紅華，付麗，黃勇．嵌入式實驗教改與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的關系［J］．實驗室研究與探索，2006，25（8）:958-959，1018．

［7］黃杰，何宗鍵．基于項目的實驗課程改革探索與實踐［J］．計算機教育，2008，2（2）:30-33．