電氣信息類“嵌入式控制系統(tǒng)”課程改革與探索

黨曉圓 馬冬梅 周立勇 黨丹鳳

摘要：嵌入式控制系統(tǒng)是一門綜合性強、技術(shù)發(fā)展十分迅速的前沿性、交叉性學(xué)科，其理論性和實踐性都很強。以培養(yǎng)符合社會需求的工程應(yīng)用型人才為目的，通過對目前在電氣信息類專業(yè)中引入和強化“嵌入式控制系統(tǒng)”課程的必要性進(jìn)行分析，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和學(xué)習(xí)特點，闡述了“嵌入式控制系統(tǒng)”課程的改革目標(biāo)，并從理論教學(xué)內(nèi)容、實驗實踐教學(xué)、教學(xué)方法及教材建設(shè)等四個方面提出了具體的改革措施和建議。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；課程改革；工程應(yīng)用型

作者簡介：黨曉圓（1983-），女，甘肅張掖人，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院自動化系，講師；馬冬梅（1984-），女，四川遂寧人，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院實訓(xùn)中心，講師。（重慶 401520）

基金項目：本文系重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院校級教改項目（項目編號：20100206）、獨立學(xué)院自動化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0055-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)以其小型、專用、易攜帶、可靠性高等特點，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、智能儀器儀表、機器人控制、數(shù)控系統(tǒng)等領(lǐng)域都需要大量技能型和工程應(yīng)用型的嵌入式人才。除此之外，工業(yè)控制系統(tǒng)集成技術(shù)日趨完善，工程人員使用組態(tài)軟件的水平不斷提高，用戶對組態(tài)軟件的要求已不再像過去那樣主要側(cè)重畫面。而是要考慮一些實質(zhì)性的應(yīng)用功能，如軟PLC、過程控制策略、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)、冗余等。因此，在電氣信息類專業(yè)引入和強化“嵌入式控制系統(tǒng)”課程，使學(xué)生掌握嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計方法是十分必要的。

一、課程改革目標(biāo)

近年來，在知識化和信息化的形勢下，根據(jù)行業(yè)需求，以行業(yè)為導(dǎo)向，培養(yǎng)具有一定的理論基礎(chǔ)，工程意識強，應(yīng)用能力、實踐能力、技術(shù)能力強，收集、消化、提升信息能力高，具有良好的綜合能力、動手能力和解決問題能力為主要特征的新型本科工程應(yīng)用型人才，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。在高校就業(yè)壓力和人才結(jié)構(gòu)性矛盾的雙重壓力下，如何增強畢業(yè)生市場價值是目前比較重要的課題?！扒度胧娇刂葡到y(tǒng)”作為一門“軟硬兼施”的綜合性課程，涉及計算機、電子及自動控制等多門專業(yè)基礎(chǔ)類課程內(nèi)容并具有較強的應(yīng)用針對性，不僅要具有較好的計算機軟硬件基礎(chǔ)知識，還要具有其他門類專業(yè)的常規(guī)知識，如通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，是一門入門門檻較高的課程。而獨立學(xué)院學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)相對薄弱，所以必須設(shè)計適合獨立學(xué)院學(xué)生發(fā)展的理論課程教學(xué)體系和實驗實踐教學(xué)體系，重新編寫以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為導(dǎo)向的教材，合理調(diào)整理論課課時，增加綜合實驗課課時和實踐課時，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力，從而提高獨立學(xué)院畢業(yè)生的就業(yè)率。

二、課程改革內(nèi)容

近些年來，國內(nèi)學(xué)者出版了不少關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的教材，但是嵌入式系統(tǒng)主流產(chǎn)品的多樣性決定了嵌入式教學(xué)內(nèi)容的多選擇性，各教材講授的處理器和操作系統(tǒng)不盡相同。并且目前國內(nèi)除了河北工業(yè)大學(xué)孫鶴旭教授主編的《嵌入式控制系統(tǒng)》這本教材是面向電氣信息類專業(yè)的學(xué)生，其他的教材大多都適用于計算機類專業(yè)的學(xué)生。

本文針對理論教學(xué)內(nèi)容、實驗實踐教學(xué)、教學(xué)方法及教材建設(shè)等四個方面提出一些具體的改革措施和建議。

1.教學(xué)內(nèi)容改革

目前，工業(yè)控制領(lǐng)域主要采用ARM微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)有教材的內(nèi)容，根據(jù)課程目標(biāo)的要求，有所側(cè)重地選擇教學(xué)內(nèi)容。注重外圍接口設(shè)計，以軟件開發(fā)為主，包括應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序開發(fā)，并選擇主流、有發(fā)展前景的ARM微處理器、嵌入式Linux和嵌入式MCGS組態(tài)軟件作為主要授課內(nèi)容。以智能家居系統(tǒng)為例，提煉適用于電氣信息類工程應(yīng)用型人才的課程內(nèi)容，簡要講述嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，詳細(xì)講解系統(tǒng)總體設(shè)計中嵌入式處理器選型和嵌入式操作系統(tǒng)選擇的原則。重點討論嵌入式硬件系統(tǒng)的設(shè)計，結(jié)合Protel軟件講述原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計的過程，并演示部分模塊的原理圖設(shè)計。結(jié)合嵌入式MCGS組態(tài)軟件講述開發(fā)控制系統(tǒng)界面的方法和過程，闡述嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法，為該系統(tǒng)選擇合適的設(shè)計方法，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)系統(tǒng)中的某一功能，介紹嵌入式系統(tǒng)的測試項目和方法，使學(xué)生熟練掌握常用微處理器、存儲器和外設(shè)接口的設(shè)計方法，熟悉典型嵌入式操作系統(tǒng)、底層內(nèi)核移植、編譯下載調(diào)試過程、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序開發(fā)，對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)有一個全景掌握，并對嵌入式系統(tǒng)的硬軟件系統(tǒng)構(gòu)成和硬軟件協(xié)同開發(fā)有初步的認(rèn)識。

2.實驗實踐教學(xué)改革

工程應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)要著重體現(xiàn)以一線生產(chǎn)和活動的實際需要構(gòu)建的知識、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)，注重管理能力、設(shè)計能力和操作能力的培養(yǎng)。在第六學(xué)期，利用現(xiàn)有教學(xué)資源，開設(shè)了PROTEL和MCGS集中上機課，為“嵌入式控制系統(tǒng)”課程實驗和課程設(shè)計做好鋪墊。

再者，嵌入式控制系統(tǒng)實踐性很強，對于本科學(xué)生來說，具有一定的難度。所以，在實驗實踐教學(xué)方面，多開展專業(yè)綜合設(shè)計性實驗，且針對“嵌入式控制系統(tǒng)”課程綜合性強的特點，秉著嵌入式控制系統(tǒng)教學(xué)的實驗不應(yīng)重復(fù)單片機實驗的內(nèi)容，應(yīng)具有綜合性和創(chuàng)新性，適當(dāng)加入操作系統(tǒng)內(nèi)容，采取自頂向下的教學(xué)模式，讓學(xué)生從硬件到軟件完全自己做，不僅要進(jìn)行軟件的設(shè)計，而且還要進(jìn)行硬件電路的設(shè)計和制作，以及軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，使學(xué)生建立相關(guān)課程之間知識的有機聯(lián)系，讓學(xué)生熟悉需求分析、方案設(shè)計、原理圖和PCB繪制、元器件采購、電路板焊接和調(diào)試、嵌入式軟件開發(fā)等各個環(huán)節(jié)，使他們的工程實踐能力得到真正提高。除此之外，利用24學(xué)時的課程設(shè)計，針對不同的專業(yè)，采用8人為一小組的形式，給定不同的題目，讓學(xué)生自己動手設(shè)計，從芯片選型、操作系統(tǒng)選型、硬軟件設(shè)計、系統(tǒng)啟動、底層編程、操作系統(tǒng)應(yīng)用編程、圖形界面等方面進(jìn)行設(shè)計，并在實驗設(shè)備上完成一個實際的控制系統(tǒng)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.教學(xué)方法改革

采用形式多樣的課程教學(xué)方式，根據(jù)“嵌入式控制系統(tǒng)”課程的特點，認(rèn)真對課程內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計安排，配合課程實驗、課程設(shè)計形成靈活多樣的教學(xué)方式。在課堂講授中，采用自上而下的教學(xué)方法，選擇簡單、基礎(chǔ)、易于理解的內(nèi)容及實際應(yīng)用中最常用到的內(nèi)容進(jìn)行講解，重點講述處理器和外設(shè)的編程結(jié)構(gòu)；變灌輸式學(xué)習(xí)為引導(dǎo)式、啟發(fā)式和互動式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生自發(fā)地學(xué)習(xí)各種系統(tǒng)、模塊、外設(shè)、協(xié)議和庫函數(shù)的“邊界”，搭建簡單系統(tǒng)；充分利用多媒體手段的優(yōu)勢，將抽象的概念具體形象地表現(xiàn)出來；對教學(xué)中的重點和難點問題，采用集體討論、觀摩教學(xué)等形式。建立資源庫，尤其是師生互動的教學(xué)資源，建立答疑庫，逐漸積累豐富。

4.教材建設(shè)

確定了適合電氣信息類專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容之后，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)有教材和實際情況，積極展開自編教材和實驗指導(dǎo)書的相關(guān)工作，適當(dāng)加入工程實例設(shè)計與實驗教學(xué)內(nèi)容，將嵌入式系統(tǒng)和控制系統(tǒng)有機結(jié)合起來，建立適用的、成系統(tǒng)的教材體系。

三、結(jié)論

“嵌入式控制系統(tǒng)”已成為一門順應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)改革發(fā)展趨勢的課程，目前，該課程的教學(xué)改革還處在起步階段，存在許多的不足，在今后的教學(xué)中將會在課程體系、實驗體系和教材體系等方面做進(jìn)一步的研究與探索，努力實現(xiàn)理論與實踐并重的教學(xué)體系，為所培養(yǎng)的學(xué)生在嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)方面打下良好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）