嵌入式系統(tǒng)教學的探索和實踐

張慶輝 王學梅

摘 要：在分析了嵌入式系統(tǒng)教學的特點和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究了嵌入式系統(tǒng)教學模式，包括理論教學、實驗教學和課程設(shè)計，提出實驗環(huán)節(jié)在嵌入式系統(tǒng)教學中的重要地位，重點分析了課程設(shè)計的教學模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 教學 探索 實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（a）-0113-02

近年來，隨著科技的發(fā)展和社會需求的推動，嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用已成為當今世界IT行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用有了有力的技術(shù)支持和巨大的市場前景。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在國防、航天航空、機器人、移動通訊、醫(yī)療儀器、工業(yè)控制、汽車電子、信息家電、儀器儀表、數(shù)碼產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。社會對掌握嵌入式技術(shù)的人才需求越來越大，但目前相關(guān)技術(shù)人才卻嚴重匱乏，可以預(yù)見，嵌入式工程師將成為未來幾年內(nèi)最為熱門的職業(yè)之一。

嵌入式領(lǐng)域的人才需求日益旺盛，人才缺口在逐步擴大，目前很多高職高專院校的相關(guān)專業(yè)都針對市場需求開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程；但是由于嵌入式系統(tǒng)具有實踐性和應(yīng)用性極強的特點，多數(shù)院校嵌入式系統(tǒng)教學起步較晚，普遍存在設(shè)備更新緩慢的問題，或者受人才儲備不足以及教學改革研究經(jīng)費難以保障等因素的影響，在嵌入式系統(tǒng)教學上障礙重重，缺乏嵌入式系統(tǒng)人才的問題已經(jīng)阻礙嵌入式產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一[1]。因此，嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)問題是高校嵌入式系統(tǒng)教學正在面臨與必須解決的問題。為更好地為社會培養(yǎng)實踐型、技能型人才，本文對嵌入式系統(tǒng)教學改革進行了探索和研究。

1 嵌入式系統(tǒng)教學特點和現(xiàn)狀

與國外相比，我國嵌入式系統(tǒng)起步較晚，真正得到發(fā)展還是近幾年的事情。高等院校作為培養(yǎng)嵌入式人才的主要基地，課程零散，無系統(tǒng)性，還沒有形成統(tǒng)一的教學體系和人才培養(yǎng)模式，還沒有發(fā)揮各個課程間的協(xié)同優(yōu)勢，沒有一個全局的教學規(guī)劃，是各大高校教學中亟待解決的共同難題。

（1）現(xiàn)在國內(nèi)的部分高校對嵌入式技術(shù)的概念模糊，對內(nèi)容沒有徹底了解。如何同大學的前期課程的學習結(jié)合起來，這是教學的關(guān)鍵所在。另外，需要合理的規(guī)劃和研究如何確定主流的微控制器芯片和主流的操作系統(tǒng)。

（2）實踐性強是嵌入式系統(tǒng)課程的特點，對于初學者，必須有足夠的必要實驗環(huán)節(jié)和重要的驗證性實驗，這樣教學過程就不會簡單枯燥、內(nèi)容乏味，學生也不會失去興趣；否則，老師教好、學生學好將是無從談起。所以說開展好實踐教學非常重要。

（3）學生專業(yè)不同，所掌握的背景知識不同，具體表現(xiàn)在：計算機類專業(yè)學生的電路與硬件基礎(chǔ)薄弱，對模電數(shù)電知識模糊；而電子類專業(yè)學生軟件基礎(chǔ)薄弱，不具備操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，雖然都學過“電路”、 “C語言編程”等課程，但是他們一般都缺乏大型軟件項目的開發(fā)經(jīng)驗，尤其缺乏操作系統(tǒng)方面的相關(guān)知識。因此在嵌入式系統(tǒng)課程體系中，針對不同的學生，需要首先增加一些用于彌補學生硬件電路、軟件知識和操作系統(tǒng)的課程。

2 嵌入式系統(tǒng)教學模式探索

2.1 理論教學

學生在校期間的學習時間畢竟有限，而嵌入式控制領(lǐng)域又涉及到很廣的知識面，需要學習很多東西，并且知識枯燥。為解決這個矛盾，嵌入式系統(tǒng)課程的目標是：實驗教學輔助理論教學，以理論教學為主，以實驗教學為輔，通過教學培養(yǎng)研究開發(fā)型人才。因此本課程的教學模式最好采取“啟發(fā)-強化-實踐”逐步深入的方法。課程教學的前期要通過講述嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)越性及其廣闊的應(yīng)用前景，來調(diào)動和激發(fā)學生的學習興趣。

教學中間階段是對課程基礎(chǔ)知識的學習和強化。國家標準對于嵌入式系統(tǒng)的定義是這樣的：置入應(yīng)用對象內(nèi)部起操作控制作用的專用計算機系統(tǒng)。即凡是能置入一個大的對象內(nèi)部、起到控制作用的芯片就可以叫嵌入式系統(tǒng)。實際上最基礎(chǔ)、最典型的嵌入式系統(tǒng)就是單片機系統(tǒng)。嵌入式教學的起步應(yīng)該是教授8位單片機系統(tǒng)。隨著單片機等微處理器的應(yīng)用越來越廣泛，8位單片機的處理速度、存儲容量和開發(fā)手段等方面越開越不能滿足需要，于是開始向更高的處理速度、更方便的操作方式以及16位和32位系統(tǒng)進展[2]，例如DSP、ARM等，最后出現(xiàn)了能夠支持操作系統(tǒng)的嵌入式芯片和技術(shù)[3～4]，比如SOPC。而對于芯片而言，根據(jù)不同的廠家，有多種選擇，同一個廠家也根據(jù)處理速度和管腳多少有不同的產(chǎn)品。操作系統(tǒng)一般應(yīng)用嵌入式Linux系統(tǒng)，或者Windows CE系統(tǒng)，能夠放在很多嵌入式芯片上應(yīng)用，比如ARM和FPGA。所以當我們循序漸進的教學時，應(yīng)當先從單片機入手，熟練后學習ARM的有關(guān)知識，最后是Linux操作系統(tǒng)的掌握。

課程學習的最后階段是實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，該階段可以驗證學生對所學知識的理解和掌握情況，能夠讓學生充分理解和掌握嵌入式芯片的工作原理和軟硬件開發(fā)平臺。課程的實驗環(huán)節(jié)主要包括實驗教學、課程設(shè)計以及科研訓(xùn)練項目。

2.2 實驗教學

在嵌入式系統(tǒng)課程教學中，實驗教學非常重要。本文結(jié)合自己的教學和實踐經(jīng)驗，主要介紹實驗教學環(huán)節(jié)的實施過程。該過程是這樣的：以工程應(yīng)用為主，循序漸進、逐漸深入。課內(nèi)實驗是必修教學環(huán)節(jié)，包含驗證性實驗和設(shè)計性實驗。驗證性實驗以各種專用實驗箱為主，與相應(yīng)的課堂教學同步進行，配合相應(yīng)的理論課學習，采用理論授課與動手實驗相結(jié)合的方式。通常單片機實驗是這樣的，依賴某一個特定的實驗箱或是實驗板，提供了幾個固定的經(jīng)典實驗。學生通過這樣的試驗箱，能夠快速的學習各個模塊的使用，親自驗證各個功能模塊的實驗，記憶深刻，等到綜合性實驗時就可以靈活運用它們了。同時驗證課堂上學到的相關(guān)理論知識，使學生加深對理論知識的理解和掌握；了解嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試工具和測試工具的使用方法[5]，了解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。

設(shè)計型實驗則在理論課所學知識的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計相關(guān)應(yīng)用型實驗。在充分驗證課堂上所學到的理論性知識的同時，培養(yǎng)學生的自主動手設(shè)計能力。實驗中，老師根據(jù)知識難易程度給出實驗課題，要求在學生掌握單片機或者ARM架構(gòu)、尋址方式、指令系統(tǒng)和外圍接口等知識的基礎(chǔ)上，提倡學生自主設(shè)計實驗方案，自行設(shè)計外圍電路，編寫實驗程序，調(diào)試運行，使學生具備在嵌入式平臺上設(shè)計開發(fā)的能力。對于嵌入式微處理器，該能力包括匯編語言編程、C語言編程及匯編語言和C語言混合編程、調(diào)試及對外圍接口編程和運用能力。同時學校提供一些核心板和功能擴展模塊，配合學生的設(shè)計性實驗。

2.3 課程設(shè)計

（1）課程設(shè)計的重要內(nèi)容是綜合性實驗。在驗證性實驗和設(shè)計性實驗的基礎(chǔ)上，在課程結(jié)束時進行課程設(shè)計。根據(jù)老師給定的一些綜合性選題，學生自由選擇感興趣的題目，根據(jù)整個課程的知識，利用學校實驗臺資源，制定出實驗方案和步驟。通過設(shè)計硬件電路，編寫程序，仿真調(diào)試，獨立完成一個比較復(fù)雜的綜合性實驗項目。通過課程設(shè)計的綜合性實驗，使學生掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有更深入的理解，并初步具備進行具體應(yīng)用和綜合設(shè)計的能力。

（2）引入案例教學和項目教學模式，激發(fā)學生學習的積極性。針對社會對應(yīng)用型人才的要求，結(jié)合學生的情況和學科的前沿技術(shù)，引入以案例教學和項目教學為主體的教學模式，遵循“學以致用、以用促學、邊學邊用、熟能生巧、追求創(chuàng)新”的理念。嵌入式課程教學可以一開始就可以下達課程設(shè)計任務(wù)讓學生選擇與了解，課題可以選用教師教學科研項目和各種大學生創(chuàng)新競賽項目。這樣可以讓學生更積極地去學習實踐環(huán)節(jié)，學生從“強迫學”變成“主動學”，同時學生也比較了解自己將要用到什么知識需要學什么知識。另外，實際應(yīng)用能力的提高讓學生更有動力，使他們充分利用課余時間，既鞏固了知識點，又提高了設(shè)計經(jīng)驗。

（3）建立學生為主力的研發(fā)團隊。對于基礎(chǔ)牢、悟性高、有一定開發(fā)能力的學生，通過選拔建立研發(fā)團隊，教師引進橫向課題，帶領(lǐng)學生完成這些面向應(yīng)用的創(chuàng)新性項目。踐行“導(dǎo)師負責制”，篩選一批技術(shù)扎實、專業(yè)經(jīng)驗豐富的教師隊伍，親手指導(dǎo)和教授學生，形成一支教師為帶頭人、學生為主力軍的研發(fā)團隊。同時在實踐教學中，強調(diào)以學生為認知的主體，通過學生的“感受”提出問題，在教師的指導(dǎo)下解決問題，能夠在大學期間更好地提高自己的工程實踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

上述教學改革措施，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標，把理論教學與實踐教學有機結(jié)合起來，進而提高嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的綜合素質(zhì)，使學生能成功地運用嵌入式芯片這門工具進行創(chuàng)造性開發(fā)設(shè)計。

參考文獻

[1] 李成華，江小平.嵌入式Android操作系統(tǒng)實踐教學改革[J].石家莊：教育教學論壇，2011，20（7）：153-154.

[2] 范劍，李軍，夏如艇.單片機課程現(xiàn)場實驗教學改革與實踐[J].北京：中國教育技術(shù)裝備，2012，3（6）：63-64.

[3] 高國旺，黨瑞榮，任志平.DSP課程教學改革與創(chuàng)新實踐探索[J].北京：理工高教研究，2010，29（1）：131-133.

[4] 倪福銀，朱幼蓮，錢志文.“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學改革研究[J].南京：江蘇技術(shù)師范學院學報，2010，16（6）：85-88.

[5] 宋金華.單片機實驗教學的研究[J].成都：中國西部科技，2011，30（10）：93-95.