多層次嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)與探索

張益嘉，宋嘉琳，丁 男

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部， 大連 116023)

多層次嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)與探索

張益嘉，宋嘉琳，丁 男

(大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部， 大連 116023)

實(shí)踐環(huán)節(jié)是嵌入式教學(xué)的重要組成部分，對學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要作用。文中針對國家對于高層次嵌入式人才的巨大需求，結(jié)合高校的嵌入式實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際情況，提出構(gòu)建多層次嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系。經(jīng)過近3年的教學(xué)實(shí)踐表明，多層次嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有效提高了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊意識。

嵌入式課程；實(shí)踐教學(xué)；創(chuàng)新能力；建設(shè)

隨著后PC時代的到來，以智能手機(jī)為代表的嵌入式智能設(shè)備已經(jīng)滲入到人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹母鱾€領(lǐng)域[1-2]，嵌入式技術(shù)作為后PC時代的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著重要的研究意義和巨大的產(chǎn)業(yè)需求[3-4]。嵌入式技術(shù)不是一個獨(dú)立的學(xué)科，與計算機(jī)、電子電氣、通信、自動化等諸多專業(yè)課程有關(guān)，更與具體的應(yīng)用背景相聯(lián)系[5]。這使得嵌入式專業(yè)教學(xué)既要突出專業(yè)性問題又要覆蓋基礎(chǔ)性問題，更要強(qiáng)化對學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以更好地適應(yīng)嵌入式產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求。高等院校擔(dān)負(fù)著為國家培養(yǎng)高層次嵌入式人才的責(zé)任，如何在實(shí)踐教學(xué)中不僅使學(xué)生真正掌握嵌入式開發(fā)的基本技能，而且有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力是目前高校嵌入式教學(xué)亟須解決的重要問題。針對這一現(xiàn)狀，大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部結(jié)合多年嵌入式實(shí)踐教學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗，在實(shí)驗課程設(shè)置、專業(yè)實(shí)驗室建立和實(shí)驗教學(xué)方法等方面做了一些探索和嘗試。通過構(gòu)建多層次的嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系，達(dá)到培養(yǎng)具有扎實(shí)的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力的高水平嵌入式人才的目標(biāo)。

1 嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)置

實(shí)踐教學(xué)是對理論教學(xué)的必要補(bǔ)充，嵌入式領(lǐng)域的專家目前一致認(rèn)為，嵌入式實(shí)踐教學(xué)對于高素質(zhì)的嵌入式人才培養(yǎng)有著極其重要的作用。由于嵌入式課程內(nèi)容相對復(fù)雜，對學(xué)生綜合能力的要求較高，因此很難通過一門實(shí)驗課程使學(xué)生真正地掌握嵌入式開發(fā)的基本技能。通過多年的實(shí)踐和探索，針對目前社會對嵌入式人才的需求，我們構(gòu)建了多層次的嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系，來培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型嵌入式人才。

1.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗是多層次嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)，目標(biāo)是使學(xué)生能夠理解并掌握嵌入式系統(tǒng)基本的組成結(jié)構(gòu)及原理，掌握最新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法和典型開發(fā)工具，為后續(xù)嵌入式實(shí)踐環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗中，通過嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)實(shí)驗內(nèi)容，如串口通信實(shí)驗、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗、觸摸屏驅(qū)動實(shí)驗等，使學(xué)生理解嵌入式系統(tǒng)基本硬件電路的工作原理；掌握ADS嵌入式開發(fā)集成環(huán)境的使用方法；掌握基于Bootloader的下載調(diào)試過程。在此基礎(chǔ)上，開設(shè)uCOS_II操作系統(tǒng)的移植與應(yīng)用實(shí)驗，通過uCOS_II操作系統(tǒng)的移植和開發(fā)使學(xué)生真正理解uCOS_II操作系統(tǒng)內(nèi)核的組織結(jié)構(gòu)；搶占式任務(wù)調(diào)度原理；文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理機(jī)制等。

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗

嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗基礎(chǔ)上開設(shè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，目標(biāo)是在學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有了一定的理解的基礎(chǔ)上使學(xué)生掌握Linux嵌入式操作系統(tǒng)的基本原理和基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計方法。

嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗的內(nèi)容主要包括：Linux交叉編譯環(huán)節(jié)的搭建、Linux內(nèi)核的裁剪、基于Linux的多線程編程、基于Linux的驅(qū)動開發(fā)和QT移植實(shí)驗。由于Linux操作系統(tǒng)相對uCOS操作系統(tǒng)要復(fù)雜得多，因此對于實(shí)驗內(nèi)容要根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、學(xué)時的設(shè)置和培養(yǎng)目標(biāo)的不同進(jìn)行調(diào)整。此外，針對“基礎(chǔ)較好”、“學(xué)習(xí)熱情高”的學(xué)生，可以開設(shè)Linux源代碼閱讀分析實(shí)驗，通過對Linux核心代碼的剖析，能夠使學(xué)生更深入的理解Linux操作系統(tǒng)的核心工作機(jī)制，并熟悉內(nèi)核代碼的組織方式和編程風(fēng)格，對學(xué)生編程能力的提高有重要的作用。

1.3 生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)

為了進(jìn)一步提高學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力，我們在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)開設(shè)基于嵌入式技術(shù)的實(shí)習(xí)項目，如“智能家居系統(tǒng)的設(shè)計”等。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中學(xué)生面對的是一個相對完整的實(shí)訓(xùn)項目，這與針對某個接口或功能開設(shè)實(shí)驗項目相比有本質(zhì)的區(qū)別，能有效提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。由于生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)需要多個學(xué)生一組，共同完成一個題目，因此學(xué)生的團(tuán)隊意識和協(xié)作能力也得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

在這個環(huán)節(jié)中，老師設(shè)計幾個可選的實(shí)訓(xùn)題目，學(xué)生根據(jù)自己的愛好和興趣進(jìn)行選擇，并自行組成項目組。實(shí)習(xí)過程中，老師提供實(shí)驗器材和必要的指導(dǎo)，項目組內(nèi)每個學(xué)生的分工不同，共同協(xié)作完成整個項目，最后以項目的形式進(jìn)行驗收。以“智能家居系統(tǒng)的設(shè)計”為例，學(xué)生通過這個實(shí)訓(xùn)項目，能夠?qū)⑶度胧较到y(tǒng)設(shè)計實(shí)驗和嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗的實(shí)驗內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，能夠在一個整體的水平上設(shè)計并理解嵌入式系統(tǒng)，更能夠根據(jù)項目的需求主動地學(xué)習(xí)嵌入式相關(guān)知識。

1.4 創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)

創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)是根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，利用課余時間開設(shè)的由學(xué)生和指導(dǎo)教師共同參與的實(shí)踐環(huán)節(jié)，所以鼓勵學(xué)生參加嵌入式創(chuàng)新實(shí)驗是強(qiáng)化學(xué)生嵌入式開發(fā)技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的有效途徑。指導(dǎo)教師是創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)的核心保障，不但和學(xué)生一起設(shè)計實(shí)驗的內(nèi)容，而且根據(jù)選題需要給學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的輔導(dǎo)，進(jìn)一步拓寬了學(xué)生的知識面。我們嵌入式教學(xué)團(tuán)隊還將最新的科研成果融入到創(chuàng)新實(shí)驗中，使學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)中面對的不單是一個虛擬的課題而是一個實(shí)際的項目。從近三年指導(dǎo)的創(chuàng)新實(shí)驗情況看，由于學(xué)生有學(xué)習(xí)興趣支撐，能夠主動學(xué)習(xí)相關(guān)知識，并閱讀大量文獻(xiàn)，因此學(xué)生能夠通過創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)有效的提升自我學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 嵌入式專業(yè)實(shí)驗室的建設(shè)

嵌入式專業(yè)實(shí)驗室的建設(shè)是嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的重要組成部分，是提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前市場上嵌入式教學(xué)產(chǎn)品有很多，單就嵌入式處理器來說就有ARM、MIPS、Rambus等，但ARM處理器憑借著自身的優(yōu)勢及特點(diǎn)市場份額占有絕對優(yōu)勢[6-7]。所以嵌入式專業(yè)實(shí)驗室以ARM9 2410和ARM11 6410處理器為核心的兩款實(shí)驗教學(xué)平臺為主，這使我們的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和社會主流的需求相一致。

ARM9 2410處理器是一款目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的基于ARM920T 內(nèi)核的16位/ 32 位RISC 嵌入式處理器，主頻 203MHz，由ARM9TDMI、存儲管理單元( MM U) 和高速緩存三部分組成。其中M MU 能夠有效管理虛擬內(nèi)存, 高速緩存由獨(dú)立的16 KB 地址和16 KB 數(shù)據(jù)高速Cache 組成[8]。此外，ARM9 2410處理器還集成了大量的功能單元：內(nèi)置外部存儲器控制器( SDRAM 控制和芯片邏輯選擇)、三個通用異步串行接口、2 通道SPI接口、一個多主IIC 總線、一個IIS 總線控制器、四個PWM 定時器等。因此以ARM9 2410處理器為核心的嵌入式實(shí)驗平臺能夠很好適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗和嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗的相應(yīng)要求。

ARM6410處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，主頻高達(dá)667 MHz，除了擁有ARM2410處理器的基本功能單元外，更進(jìn)行了多媒體處理擴(kuò)展，使其對視頻、音頻的編碼解碼性能大幅度提高[9]。因此以ARM6410處理器為核心的嵌入式實(shí)驗平臺能夠提供更強(qiáng)大的嵌入式處理性能，非常適合生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。

我們在滿足基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上還補(bǔ)充了其他不同類型的嵌入式平臺，例如：基于ARM和DSP雙核架構(gòu)的OMAP5910嵌入式實(shí)驗臺[10]、基于PAX272的ARMScale嵌入式平臺[11]、基于Virtex-5的高性能FPGA開發(fā)平臺[12]等。這些高性能嵌入式實(shí)驗設(shè)備的補(bǔ)充進(jìn)一步完善了嵌入式專業(yè)實(shí)驗室的建設(shè)，同時也更好地滿足多層次的嵌入式實(shí)踐教學(xué)的需要。

3 嵌入式實(shí)踐教學(xué)方法改革

嵌入式專業(yè)實(shí)驗內(nèi)容多、難度大，對學(xué)生動手實(shí)踐能力要求高。針對嵌入式實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)，我們采用啟發(fā)式實(shí)踐教學(xué)方法，重在培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過合理安排驗證性實(shí)驗和綜合性實(shí)驗的比例，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。在遇到問題時，鼓勵學(xué)生自己動手解決，必要時教師和學(xué)生一起討論分析，通過這種方式學(xué)生對實(shí)驗中出現(xiàn)的問題理解更加透徹，印象也更深。在具體實(shí)驗項目中，給學(xué)生提供開放的實(shí)驗空間，倡導(dǎo)多種實(shí)驗設(shè)計方案，既激發(fā)了學(xué)生的實(shí)踐熱情，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

為了讓不同層次的學(xué)生都能得到很好的鍛煉，在實(shí)驗中設(shè)置難易程度不同的必做項目和選做項目。在必作項目中我們針對實(shí)驗難點(diǎn)，通過設(shè)置小案例、小問題的方式啟發(fā)學(xué)生；在選做項目中學(xué)生可以根據(jù)自己的能力，利用實(shí)驗室提供的實(shí)驗平臺選擇不同難度的實(shí)驗項目。

培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊精神和協(xié)作能力也是實(shí)踐教學(xué)的目的之一。我們的具體做法是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗和嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗中，要求兩名學(xué)生組成一組，以組為單位完成實(shí)驗；在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新實(shí)驗環(huán)節(jié)完全采用項目組的方式進(jìn)行管理，由學(xué)生自行組隊搭配。實(shí)驗過程中，學(xué)生逐漸學(xué)會如何溝通交流，如何解決爭端，如何協(xié)同合作。通過這種方式，學(xué)生的團(tuán)隊意識和協(xié)作能力都有不同程度的提高，使學(xué)生畢業(yè)后能更快地融入到實(shí)際工作環(huán)境中。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合兄弟院校的成功經(jīng)驗和我們多年嵌入式實(shí)踐教學(xué)體會，從培養(yǎng)高層次嵌入式人才出發(fā)，在多層次嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)方面做了一些有益的探索和實(shí)踐。其中多層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置，專業(yè)實(shí)驗室建設(shè)以及實(shí)踐教學(xué)方法的改革都已經(jīng)在實(shí)際教學(xué)過程中得到了實(shí)踐，提高了實(shí)踐教學(xué)的有效性，取得了顯著的成效。學(xué)生針對嵌入式實(shí)踐環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了更強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣和熱情，解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新意識也有了切實(shí)的提高。特別是從2005年開始，我們指導(dǎo)30余人參加國家各級嵌入式相關(guān)競賽，包括全國電子設(shè)計大賽、英特爾杯嵌入式設(shè)計大賽、博創(chuàng)杯嵌入式大賽等，共取得3個一等獎，6個二等獎的優(yōu)異成績。

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Construction and Exploration of Multilevel Embedded Curriculum Practical Teaching System

ZHANG Yijia, SONG Jialin, DING Nan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Practical teaching is a considerable part of embedded course, which plays a crucially important role in the training of student practical and innovative ability. In this paper, we aimed at our country’s demand for high level embedded talents, aligned with the realities of college and university embedded practical teaching, and proposed construction of multilevel embedded practical teaching system. The results of three years practical teaching shows that multilevel embedded practical teaching system can not only stimulate student’s interest but also effectively improve the student’s practical ability, innovative ability and team awareness.

embedded course; practical teaching; innovative ability; construction

2013-08-22

張益嘉(1979-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、生物信息學(xué)。

G642.423；TP319

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.050