基于ARM體系的嵌入式方向課程設(shè)置與教學(xué)

牛薌潔 李小順

[摘要]隨著嵌入式技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展，許多高等院校計算機、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求，開設(shè)了嵌入式方向相關(guān)課程，本文結(jié)合實際教學(xué)經(jīng)驗，提出了基于ARM體系的嵌入式方向課程設(shè)置與教學(xué)方案，力求達(dá)到適應(yīng)學(xué)生畢業(yè)后的實際應(yīng)用所具有的知識與能力的培養(yǎng)又滿足社會就業(yè)需求的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)而探討了嵌入式方向構(gòu)建三位一體的教學(xué)體系，并且給出了一些建議。

[關(guān)鍵詞]ARM體系 嵌入式方向 課程設(shè)置

[中圖分類號]G643 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，許多高等院校計算機、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求，開設(shè)了嵌入式方向相關(guān)課程，然而同嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展和巨大的產(chǎn)業(yè)需求相比，我國高等教育體系下的嵌入式方向相關(guān)課程設(shè)置存在教學(xué)知識陳舊，缺乏實踐鍛煉，無法適應(yīng)企業(yè)的實際需要等問題，本文首先結(jié)合我校辦學(xué)特色和實際教學(xué)情況，闡述了基于ARM體系的嵌入式方向課程設(shè)置與教學(xué)方案，進(jìn)而探討了農(nóng)業(yè)院校應(yīng)用型計算機類嵌入式方向教學(xué)過程中存在的問題，最后對存在的問題給出了一些建議，對其他地方院校應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才培養(yǎng)將起到一定的借鑒作用。

一、計算機專業(yè)嵌入式方向培養(yǎng)目標(biāo)與課程設(shè)置

（1）計算機專業(yè)嵌入式方向培養(yǎng)目標(biāo)

我校計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)整體目標(biāo)是注重工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)目標(biāo)，尤其側(cè)重嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用編程等軟件設(shè)計開發(fā)。根據(jù)學(xué)生的接受能力以及我校的辦學(xué)特色，具體嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)體現(xiàn)層次性、漸進(jìn)性、注重操作性，在教學(xué)中注重培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用能力。

（2）嵌入式方向課程設(shè)置

我校于2012年購買了30套基于ARM體系的嵌入式開發(fā)實驗平臺設(shè)備，可實現(xiàn)每人一臺的教學(xué)環(huán)境，其中嵌入式開發(fā)平臺采用ARM11的UP-Magic6410核心開發(fā)板，所以嵌入式方向的課程設(shè)置都是圍繞ARM體系展開教學(xué)內(nèi)容。

嵌入式方向課程設(shè)置遵循四個“1”，即“一種主流嵌入式微處理器、一門開發(fā)語言、一種嵌入式操作系統(tǒng)、一套開發(fā)工具”，嵌入式微處理器采用S3C6410X（ARM11），嵌入式開發(fā)語言主要以C語言為主，其他如匯編語言、C++語言、Java語言等為輔；嵌入式操作系統(tǒng)采用Linux；集成開發(fā)工具以ADS為主，輔助Windows CE開發(fā)工具，這樣就能達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的要求。表1是我校嵌入式方向?qū)I(yè)課設(shè)置時間和學(xué)時整體情況。

表1：專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)課設(shè)置情況

嵌入式導(dǎo)論課程：介紹嵌入式的主要應(yīng)用領(lǐng)域、嵌入式軟件開發(fā)的基本概念、嵌入式軟件開發(fā)的基本流程和基本方法、嵌入式系統(tǒng)的特點。

嵌入式操作系統(tǒng)課程：介紹嵌入式系統(tǒng)基本知識，嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的差別。結(jié)合典型的嵌入式操作系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作機制、系統(tǒng)移植剪裁和實時任務(wù)調(diào)度等內(nèi)容進(jìn)行介紹。我校根據(jù)具體情況選擇、Linux、WinCE等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)。

嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)：介紹嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、軟件編程及外圍設(shè)備接口和驅(qū)動等。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解和掌握必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)的概念、方法和工具嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計開發(fā)思想，學(xué)生能完成簡單的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

JAVA開發(fā)語言：介紹Java語言的體系結(jié)構(gòu)、Java語言的基本概念和程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計的思路和方法。培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，使學(xué)生能夠運用Java語言作為完成應(yīng)用程序設(shè)計。

嵌入式接口技術(shù)：介紹鍵盤接口、LED顯示器接口、觸摸屏、通信接口、中斷接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、ARM的JTAG接口。

嵌入式高級編程：介紹Android嵌入式開發(fā)環(huán)境搭建的方法，項目結(jié)構(gòu)；Android的體系結(jié)構(gòu)，嵌入式軟件開發(fā)流程；嵌入式特性開發(fā)，多媒體開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲開發(fā)，聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等開發(fā)方法，學(xué)生通過實踐能達(dá)到獨立完成開發(fā)單機、網(wǎng)絡(luò)嵌入式軟件的能力。

嵌入式課程是實操性極強的課程，因此實踐教學(xué)在嵌入式培養(yǎng)體系中占有重要的地位，既是理論講解的驗證與升華，又是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和獨立分析解決問題能力的重要途徑。我校的嵌入式方向?qū)嵺`教學(xué)課程設(shè)置時間和學(xué)時大致如下表2所示。

表2：嵌入式課程實踐教學(xué)設(shè)置情況

嵌入式操作系統(tǒng)實驗內(nèi)容：典型的嵌入式操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作機制、系統(tǒng)移植剪裁和實時任務(wù)調(diào)度等。我校根據(jù)具體情況選擇Linux嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)。

嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)實驗內(nèi)容：在現(xiàn)有的嵌入式開發(fā)平臺上完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、軟件編程及外圍設(shè)備接口和驅(qū)動等，學(xué)生掌握必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)的概念、方法和工具嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計開發(fā)思想，能完成簡單的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

JAVA開發(fā)語言實驗內(nèi)容： Java語言程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計的思路和方法，學(xué)生能夠運用Java語言作為完成應(yīng)用程序設(shè)計。

嵌入式接口技術(shù)實驗內(nèi)容：包括鍵盤接口、LED顯示器接口、觸摸屏、通信接口、中斷接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、ARM的JTAG接口等實驗。

嵌入式高級編程實驗內(nèi)容：基于Android嵌入式開發(fā)環(huán)境搭建的方法；Android嵌入式軟件開發(fā)流程；嵌入式特性開發(fā)，多媒體開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲開發(fā)，聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等開發(fā)方法，學(xué)生通過實踐能達(dá)到獨立完成開發(fā)單機、網(wǎng)絡(luò)嵌入式軟件的能力。

二、三位一體的嵌入式課程教學(xué)體系建設(shè)

我校嵌入式系統(tǒng)方向?qū)W習(xí)側(cè)重嵌入式軟件設(shè)計部分，實驗室選用UP-Magic6410嵌入式實驗開發(fā)平臺，著重培養(yǎng)學(xué)生在該平臺下進(jìn)行嵌入式Linux程序開發(fā)的相關(guān)環(huán)境搭建與軟件設(shè)計方法的能力。針對各模塊以及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景，按照由淺入深，不同課程層次對應(yīng)不同實驗項目等原則，循序漸進(jìn)，逐步提高，以滿足不同階段的教學(xué)要求，為學(xué)生提高了動手能力，為進(jìn)一步的實踐開發(fā)和畢業(yè)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)，因此，我們提出了三位一體的嵌入式方向課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1：嵌入式方向教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

（1）基礎(chǔ)型

基礎(chǔ)性包括基礎(chǔ)知識和基本技能，主要是為了滿足基本的教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)，課程包括ARM體系的基本知識、基本技能以及基礎(chǔ)類實驗的開展。

教師在基礎(chǔ)性課程實施時，可以根據(jù)各自的科研項目按照模塊化將案例分解到各個部分，鼓勵學(xué)生對實例所采用的技術(shù)和方案進(jìn)行不同角度的評價，變被動知識灌輸為主動探索思考，使教學(xué)理論知識與科研實踐有機地結(jié)合在一起。

（2）提高型

提高型包括ARM體系基礎(chǔ)型知識的深化和提升，包括理論知識和實踐內(nèi)容的進(jìn)一步深化，理論知識包括嵌入式編程的設(shè)計思想和設(shè)計方法的提高，實踐教學(xué)包括設(shè)計類實驗，每個實驗課題規(guī)定1周或更長的時間讓學(xué)生動手設(shè)計開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序，在強調(diào)基礎(chǔ)性知識掌握的同時，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新的綜合設(shè)計。使得學(xué)生既掌握了一些具體的通用的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法，也能發(fā)揮主觀能動性，獨立設(shè)計并實現(xiàn)較完整的嵌入式系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)習(xí)、創(chuàng)造熱情。要求學(xué)生課外查找資料進(jìn)一步地學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動性學(xué)習(xí)，對某些問題進(jìn)行深入的分析研究，進(jìn)而提出自己的設(shè)計思想，教師全程指導(dǎo)學(xué)生答疑指導(dǎo)工作，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行嵌入式編程，為學(xué)生提供一些解決問題的方法。

（3）綜合型

綜合型主要指的是依托科研項目實踐來鍛煉和提高學(xué)生動手能力?？蒲许椖靠梢园ń處煹目蒲许椖俊W(xué)生的科研項目以及依托科研項目或?qū)嵺`基地完成的畢業(yè)設(shè)計項目。

嵌入式方向課程授課教師可以鼓勵學(xué)生參與到教師科研項目之中，如筆者主持的嵌入式系統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用項目，學(xué)生直接參與到前沿的課題和項目中去，成立了興趣小組，將溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分解成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項目的形式實踐開發(fā)，真正做到“在學(xué)中做，在做中學(xué)”，以務(wù)實的項目培養(yǎng)學(xué)生的實踐科研能力。

近年來，北京地區(qū)大學(xué)生課外科技活動開展的力度逐年加大，筆者指導(dǎo)的學(xué)生主持的北京市大學(xué)生科研計劃，利用嵌入式平臺，對溫室環(huán)境等參數(shù)檢測，進(jìn)而對溫室大棚實現(xiàn)智能化控制，學(xué)生在該課題中，運用所學(xué)理論知識，系統(tǒng)的完成了整個項目，獲得了北京市大學(xué)生科研計劃成果二等獎，尤其值得一提的是，畢業(yè)的學(xué)生在擔(dān)任京郊村官期間，將課題成果應(yīng)用于所服務(wù)的村鎮(zhèn)，取得了良好的效果。實踐證明，鼓勵學(xué)生參與課外科技活動，將會拓展學(xué)生的知識體系，并學(xué)以致用，對進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)合作精神發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計是所學(xué)知識的綜合運用的過程，學(xué)生從事的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)不僅僅是課程實踐教學(xué)，而且還是從事科學(xué)研究的過程。為了保證提供充分的畢業(yè)設(shè)計時間，提高設(shè)計論文和專業(yè)課的學(xué)習(xí)質(zhì)量，做到有的放矢，我們將畢業(yè)論文提前到第七學(xué)期安排任務(wù)，進(jìn)行設(shè)計任務(wù)的前期準(zhǔn)備及調(diào)試工作。

三、建議

（1）采取層次化的知識體系

嵌入式方向的理論知識體系體現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)知識、專業(yè)綜合知識、專業(yè)系統(tǒng)知識由易到難的漸進(jìn)性和層次化。

專業(yè)基礎(chǔ)知識包括嵌入式導(dǎo)論、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)等課程，這些課程的學(xué)習(xí)包括嵌入式系統(tǒng)基本概念、典型的嵌入式操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作機制、系統(tǒng)移植剪裁和實時任務(wù)調(diào)度等；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、軟件編程及外圍設(shè)備接口和驅(qū)動等內(nèi)容。學(xué)生通過這些課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué)的概念、方法和工具嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ)，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計開發(fā)思想，能完成簡單的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

專業(yè)綜合知識包括嵌入式高級編程、通過實踐課程獲得的綜合性知識。這些內(nèi)容包括智能終端的嵌入式軟件開發(fā)方法、編程開發(fā)流程；數(shù)據(jù)存儲開發(fā)、聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等開發(fā)方法，學(xué)生通過學(xué)習(xí)能達(dá)到獨立完成開發(fā)單機、網(wǎng)絡(luò)嵌入式軟件的能力。

專業(yè)系統(tǒng)知識包括基于行業(yè)背景的嵌入式軟件開發(fā)知識，這一層次是通過專業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的環(huán)節(jié)完成的，也就是通過實踐綜合完成的項目后獲得的知識，這不僅涵蓋了符合社會需求的嵌入式方向的新知識、新技術(shù)，還包括企業(yè)的項目實施機制等無法從學(xué)校課本學(xué)習(xí)到的知識，為學(xué)生順利走向社會工作崗位提供了重要的支持。

（2）采取多方位的實踐教學(xué)體系

嵌入式系統(tǒng)作為實操性極強的課程，通過強化夯實基礎(chǔ)實驗、豐富實踐綜合教學(xué)內(nèi)容，獲取更多的實踐項目的多方位立體化實踐教學(xué)模式對培養(yǎng)高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才至關(guān)重要，目前，我院嵌入式實踐教學(xué)改革還處在起步階段，今后我們將在智慧農(nóng)業(yè)背景下，立足于農(nóng)業(yè)院校發(fā)展特色，將嵌入式系統(tǒng)實驗實踐體系作進(jìn)一步完善，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨立分析解決問題能力。

針對在校學(xué)生缺少行業(yè)背景知識這一問題，需要大力開展與企業(yè)的相關(guān)合作，直接把學(xué)生派到企業(yè)進(jìn)行16周的專業(yè)實習(xí)甚至12周的畢業(yè)設(shè)計，在工程實踐項目選擇上，應(yīng)該盡量選擇企業(yè)的實際項目，盡可能覆蓋嵌入式領(lǐng)域的內(nèi)容，比如嵌入式項目一般包括需求分析、硬件平臺設(shè)計、軟件平臺設(shè)計（包括嵌入式OS的選擇）、應(yīng)用程序的開發(fā)與系統(tǒng)測試等多方面，使學(xué)生能夠通過查閱一定的資料，利用所學(xué)的知識解決工程實際中的問題。學(xué)生在實踐工程項目中完成畢業(yè)設(shè)計和論文，綜合能力得到極大的提升，同時學(xué)生可以掌握企業(yè)項目的實施機制，為畢業(yè)后快速進(jìn)入項目開發(fā)打下良好和基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)人才培養(yǎng)和社會需求的無縫對接。

四、結(jié)語

隨著嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式方向課程體系也應(yīng)不斷改進(jìn)與之相適應(yīng)。本文從ARM體系的嵌入式方向培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，提出了三位一體的課程體系結(jié)構(gòu)，采取層次化理論知識和多方位的實踐教學(xué)方式，使學(xué)生在學(xué)校就具備扎實的專業(yè)知識和技能，最后將學(xué)生送入實訓(xùn)基地做企業(yè)實際項目，為學(xué)生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)，最終達(dá)到計算機專業(yè)嵌入式方向的教學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)。

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（作者單位：北京農(nóng)學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院 北京）