應(yīng)用型本科院?！扒度胧綉?yīng)用”課程群建設(shè)模式的探討

姚文卿　董良威　韓益鋒

摘 要： 文章以常州工學(xué)院“嵌入式應(yīng)用”重點課程群建設(shè)為背景，針對應(yīng)用型本科院校嵌入式類課程知識老化、結(jié)構(gòu)不合理等實際情況，從課程群體系、課程理論和實驗教學(xué)等方面進行了探討。該課程群圍繞嵌入式應(yīng)用由淺入深，課程內(nèi)容緊貼工程實際，理論和實踐有機結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐動手能力培養(yǎng)方面進行了有益的嘗試和探索。

關(guān)鍵詞： 嵌入式應(yīng)用 教學(xué)體系 實驗教學(xué)

嵌入式技術(shù)是21世紀(jì)計算機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。嵌入式技術(shù)的發(fā)展，是當(dāng)今新型技術(shù)時代的一個重大標(biāo)志。

在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時代，技術(shù)的飛速進步及市場對高端智能產(chǎn)品需求的日趨增長，8/16位微處理器已無法滿足高端智能產(chǎn)品對微處理器性能的最低要求。而32位嵌入式微處理器因其高主頻、低功耗、高性價比、可運行嵌入式操作系統(tǒng)等特點，已經(jīng)在高端智能產(chǎn)品、工業(yè)控制、信息家電等領(lǐng)域已取得了廣泛應(yīng)用[1，2]。

近年來，在電子信息學(xué)科單片機原理及應(yīng)用課程、16位及32位微機原理及接口電路等課程的教學(xué)中，仍以匯編語言、接口編程等作為主要知識點進行講授，現(xiàn)有課程內(nèi)容、教學(xué)設(shè)施和教學(xué)手段與現(xiàn)今嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，技術(shù)差距在不斷加大，傳統(tǒng)的課程體系和教學(xué)方法已經(jīng)無法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。為此，更新嵌入式應(yīng)用相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容，進行課程改革和實驗建設(shè)迫在眉睫。

1.循序漸進，構(gòu)建三位一體的課程群體系

目前嵌入式應(yīng)用的實現(xiàn)主要有三種形式：面向?qū)崟r性要求較低、無需多線程的簡單系統(tǒng)，一般選用單片機等8位或16位處理器的解決方案，適用于低端應(yīng)用場合；面向處理速度較快、需要操作系統(tǒng)支持的場合，可選用基于FPGA或ARM的片上系統(tǒng)（SOC）的解決方案，適用于高端應(yīng)用場合；而在如汽車電子、航空航天等工業(yè)級應(yīng)用場合，一般自主開發(fā)專用數(shù)字集成電路實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用[3]。

圖1 嵌入式應(yīng)用的實現(xiàn)形式

嵌入式應(yīng)用課程群針對這三個方向開設(shè)三門主干課程：單片機原理與應(yīng)用、片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用和數(shù)字集成電路設(shè)計，《單片機原理與應(yīng)用》以8051為代表，主要講授8位微處理器的結(jié)構(gòu)和工作原理，讓學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)形成基本概念，學(xué)習(xí)一般微處理器的指令集、工作原理、硬件配置和軟件開發(fā)?！镀舷到y(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》以FPGA為平臺，著重講授SOPC系統(tǒng)設(shè)計方法，在先修課程的基礎(chǔ)上逐步深入，讓學(xué)生從這門課程的講授中既能學(xué)習(xí)到實用性較強的簡單數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)，又能接觸到如底層驅(qū)動程序、實時操作系統(tǒng)等嵌入式應(yīng)用的前沿技術(shù)。最后，特別針對本專業(yè)微電子的專業(yè)特點，開設(shè)《數(shù)字集成電路設(shè)計》，專門講授嵌入式處理器數(shù)字IC的開發(fā)和使用，培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計具有自主系統(tǒng)架構(gòu)嵌入式專用IC芯片的能力，形成本專業(yè)特色鮮明的培養(yǎng)模式。

圖2 嵌入式應(yīng)用課程群體系

2.教學(xué)科研并重，不斷更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

嵌入式領(lǐng)域的技術(shù)更新?lián)Q代速度十分的快，因此，要求教師在教學(xué)過程中不斷跟蹤新技術(shù)，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在“嵌入式應(yīng)用”課程群建設(shè)的過程中，我們將課程的教學(xué)內(nèi)容和教師所承擔(dān)各級科研項目中所獲得的工程實踐經(jīng)驗緊密結(jié)合起來，在每個輪次的教學(xué)中，都會根據(jù)目前最新的前沿技術(shù)，加入一部分新的教學(xué)內(nèi)容，以達到更好地提升學(xué)生知識水平的效果。我們編寫了適合我校辦學(xué)特色的嵌入式系統(tǒng)實驗（實訓(xùn)）指導(dǎo)書、PPT教學(xué)課件、AVI視頻教學(xué)動畫等教學(xué)資料。目前，課程群中三門課程在教學(xué)內(nèi)容和方法方面都進行了有益的探索。

（1）《單片機原理與應(yīng)用》課程采用目前工程實踐廣泛采用的C程序設(shè)計語言進行描述，改變了以往使用匯編語言講授枯燥、乏味的特點，更易于學(xué)生理解和實際應(yīng)用。同時，我們還在課堂教學(xué)中引入了Proteus單片機仿真軟件進行案例教學(xué)。在講授完單片機的基本原理之后，教師以講授實際案例為手段訓(xùn)練學(xué)生對于各知識點的理解和應(yīng)用能力[4]。在此過程中，學(xué)生與教師同步在課堂中用自己的計算機完成案例的復(fù)現(xiàn)，并用Proteus仿真軟件驗證程序運行的實際效果。應(yīng)用案例教學(xué)法，學(xué)生的學(xué)習(xí)不再是一味地聽，而轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H動手實踐，在實踐中嘗試、總結(jié)和提升，學(xué)生學(xué)習(xí)效果顯著強化。

（2）《片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》是一門新開課程，主要講授Nios II軟核處理器的體系結(jié)構(gòu)、外圍設(shè)備和SOPC系統(tǒng)的開發(fā)流程。在課程內(nèi)容上，側(cè)重嵌入式處理器的應(yīng)用而非原理，避免與單片機課程重復(fù)。在上一學(xué)期學(xué)生學(xué)習(xí)過單片機課程的基礎(chǔ)上，重點講授SDRAM存儲器、Flash存儲器、UART接口等低端單片機系統(tǒng)不涉及的內(nèi)容和應(yīng)用實例。在教學(xué)方法上，采用任務(wù)驅(qū)動法來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以一個簡單的設(shè)計實例為主體，介紹軟硬件的開發(fā)流程，開發(fā)環(huán)境的使用和編程思想，使學(xué)生循序漸進，逐步深入[5]。例如：設(shè)計一個點陣顯示屏控制器，圍繞這個任務(wù)讓學(xué)生熟悉構(gòu)建SOPC系統(tǒng)所要用到的外部RAM接口、外部Flash接口、Avalon三態(tài)橋、定時器、鎖相環(huán)、自定義點陣等外設(shè)的特點和編程方法。這種教學(xué)方法將學(xué)習(xí)的難點分散到各個任務(wù)中，能使學(xué)生在完成任務(wù)的同時深刻理解所學(xué)內(nèi)容。

（3）《數(shù)字集成電路設(shè)計》課程以Verilog語言設(shè)計為切入點，從最簡單的邏輯電路設(shè)計開始，逐步深入復(fù)雜的微處理器電路設(shè)計。在教學(xué)內(nèi)容上，針對嵌入式應(yīng)用課程群的特點，圍繞微處理器的主要結(jié)構(gòu)如ALU、ROM、寄存器組、RISC模型機等電路的原理和設(shè)計方法進行講授，學(xué)生在經(jīng)過這門課程的學(xué)習(xí)后，可以掌握自己動手開發(fā)一塊具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用嵌入式處理器芯片的能力。

3.開設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

應(yīng)用型本科人才并不是“狹窄于技術(shù)”的工匠，應(yīng)具有開放的辯證思維和創(chuàng)新精神。在嵌入式課程群實踐體系的建設(shè)過程中，除了開設(shè)常規(guī)的基礎(chǔ)性實驗以外，在《片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》和《數(shù)字集成電路設(shè)計》課程設(shè)計中開設(shè)了一系列的綜合性和創(chuàng)新性實驗，這些課題來源于實際的工程設(shè)計和科研項目，由學(xué)生自行提出可行的設(shè)計方案，與指導(dǎo)老師共同討論后實施，整個過程由學(xué)生主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力。我們將實驗內(nèi)容分為以下三類。

（1）基礎(chǔ)性實驗。主要是讓學(xué)生在實驗指導(dǎo)書的指導(dǎo)下將理論課上所掌握的知識和概念通過實驗的方式進行鞏固，通過直觀、具體的實驗結(jié)果驗證理論結(jié)果，熟悉軟件使用方法和設(shè)計流程。包括PWM直流電機控制、標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備字符串流控制、PIO控制流水燈、自定義外設(shè)點陣控制等實驗。

（2）綜合性實驗。這部分實驗區(qū)別于基礎(chǔ)性實驗，并不給出具體的實驗過程，只給出基本原理和大致方案，要求學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，周全考慮，自行確定具體的實驗步驟和方法。這部分實驗往往涉及多門知識點甚至是多門課程，包括無線溫度數(shù)據(jù)采集、μC-OS多任務(wù)操作系統(tǒng)、觸摸屏人機交互等實驗。

（3）創(chuàng)新性實驗。這部分實驗主要面向部分基礎(chǔ)知識過硬、動手能力強的優(yōu)秀學(xué)生，利用課外時間提高他們在嵌入式應(yīng)用方面的實際能力。這類實驗以省、校兩級大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目為載體，不拘泥于理論和實驗課程的范圍，由學(xué)生自主選題，形成創(chuàng)新團隊，由團隊指導(dǎo)老師負責(zé)。我們成立了開放的嵌入式創(chuàng)新實驗室，實驗室由老師、實驗員和高年級學(xué)生共同值班，學(xué)生可以隨時申請使用實驗設(shè)備，完成相應(yīng)的實驗。通過這種形式的鍛煉，嵌入式創(chuàng)新實驗室的同學(xué)在省大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國電子專業(yè)人才設(shè)計與技能大賽中都取得了優(yōu)異成績。

4.結(jié)語

嵌入式應(yīng)用課程群經(jīng)過以上所述課程體系的調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容的豐富及實驗教學(xué)的改革，不斷增加新知識，改進教學(xué)手段和教學(xué)方法，通過課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和教學(xué)科研的結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐動手能力培養(yǎng)方面進行了有益嘗試和探索。未來我們將在深化教學(xué)改革的過程中不斷探索，不斷完善，探索出一套適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的嵌入式應(yīng)用教學(xué)培養(yǎng)模式。

參考文獻：

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[2]宋彩利，康磊.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與SOPC技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2012.

[3]李蘭英，崔永利，李妍等.基于FPGA技術(shù)的嵌入式應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)體系[J].計算機教育，2011（16）：18-21.

[4]陳林，魏淑桃，石林祥等.應(yīng)用型本科“SOPC設(shè)計與應(yīng)用”課程教學(xué)改革探索[J].計算機教育，2012（19）：82-85.

[5]金劍波.可編程片上系統(tǒng)教學(xué)方法的探討[J].新課程研究，2010（1）：92-93.

基金項目：2010年常州工學(xué)院重點課程群建設(shè)項目。