應用型本科嵌入式系統(tǒng)課程教學探討

施昕昕

南京工程學院 江蘇南京 211167

嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。在現(xiàn)代社會，嵌入式系統(tǒng)的應用十分廣泛，大到航空航天裝備、國防武器，小到手機、日用“智能”家電(全自動洗衣機、電飯煲等)都使用了嵌入式系統(tǒng)?？梢哉f，在21世紀，嵌入式系統(tǒng)無處不在。

嵌入式系統(tǒng)課程的特點是多學科交叉融合、實踐性強，是自動化專業(yè)、電氣工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課。嵌入式系統(tǒng)的相關知識和技術發(fā)展日新月異，越來越多的硬件和功能不斷涌現(xiàn)，這不但給學生的學習增加了難度，同時也要求教師不斷補充新的知識，掌握相關技術，站在領域發(fā)展的前沿[1]。應用型本科院校的最大特色是“學以致用”，因此，針對嵌入式系統(tǒng)這門課程，需要從授課內容、教學方法、實踐練習、科研訓練等方面進行有效的改革，培養(yǎng)滿足現(xiàn)代社會需求的高級工程應用型人才。

1 理論教學改革

1.1 優(yōu)化教學內容

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性課程，涉及電子、計算機、自動控制等諸多專業(yè)知識，綜合性強，可包括微機原理、單片機設計、操作系統(tǒng)、C語言編程等課程內容。嵌入式系統(tǒng)是軟件、硬件設計的完美結合[2]。

對于計算機專業(yè)的學生而言，軟件編程、操作系統(tǒng)等可謂他們的“看家本領”，理解和掌握起來也相對容易；但對于自動化專業(yè)、電氣工程專業(yè)的學生來說，要理解操作系統(tǒng)的工作原理、用C語言等高級語言進行編程就不那么容易了。嵌入式系統(tǒng)涉及的內容非常廣泛，在短短的課堂教學中，不可能也沒有必要完全講授，教師需要根據(jù)學生的具體情況，對教學內容進行精選，以提高課堂教學效率。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件包括嵌入式處理器和外圍設備等，軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和各種應用程序等。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。嵌入式處理器的選擇范圍非常廣，要學好嵌入式系統(tǒng)，首先要對嵌入式處理器進行選型。所選處理器必須有代表性，學生學好之后就能舉一反三地推廣至其他處理器的應用。以前，51系列單片機可謂嵌入式處理器的典型，但現(xiàn)在已不適應技術的發(fā)展。綜合考慮多種因素，目前比較適合用于教學的嵌入式處理器有ARM(Advanced RISC Machine，先進精簡指令集計算機器)、DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)等。

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中最基本的程序，負責系統(tǒng)中全部軟硬件資源的分配與回收、控制與協(xié)調等并發(fā)的活動。嵌入式操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統(tǒng)龐大的應用中顯得愈來愈重要。嵌入式操作系統(tǒng)的分類有很多種，各自的功能特點均有所側重。在本課程中，筆者選擇了一款當前非常流行、源代碼完全開放的嵌入式操作系統(tǒng)，即Linux。Linux可根據(jù)需要進行適當裁剪，所占空間小，運行效率高，是學生學習嵌入式操作系統(tǒng)的理想選擇[3]。

1.2 教學方法改革

掌握方法，事半功倍。在學習任何一門課程時，掌握有效的方法顯得十分重要，尤其是在課堂教學中，如何在短短的45分鐘時間內，既能把知識講透，又能讓學生很好地掌握，這是教師的一項基本功[4]。

學生剛接觸嵌入式系統(tǒng)，往往是一頭霧水，因此，筆者在第一節(jié)課專門進行嵌入式系統(tǒng)介紹，而且從學生最熟悉的“手機”開始進行分析。手機作為最典型的一種嵌入式系統(tǒng)，學生人手一部，再熟悉不過了。筆者先介紹手機的硬件，如處理器、LCD顯示器和觸摸屏等；然后介紹手機的軟件，從操作系統(tǒng)開始，如Android，ios等，繼而介紹應用程序，如QQ、微信等。通過這樣的介紹，學生好理解，既對嵌入式系統(tǒng)建立了初步的概念，又激發(fā)了學生的學習興趣。接下來，教師可與學生互動，讓每位學生從日常生活中尋找嵌入式系統(tǒng)并進行分析，如校園里的自動售貨機、校園一卡通等。最后，教師進行點評，從學生熟悉的事物著手，教學形象生動[5]。

在講授嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)軟件Linux時，學生理解起來會有一定難度，因為Linux以字符操作界面為主，而學生接觸最多的操作系統(tǒng)是圖形化的Windows，兩者的操作方式不同，但在組織結構上有一定的相通之處，如文件都是以目錄的形式組織的，所不同的是Windows中有多個目錄樹，而Linux中只有一個目錄樹。通過與學生熟悉的Windows相比較，找出Linux與Windows的相同和不同之處，進行對比分析講解，學生很容易理解，并且知識掌握得也很扎實。

由于在Windows操作系統(tǒng)下安裝Linux操作系統(tǒng)，需要先安裝虛擬機，這對系統(tǒng)的硬件要求比較高，并且很耗時，不太適合在教室多媒體機器上安裝。但在講解Linux操作系統(tǒng)時，一些命令和操作最好能現(xiàn)場演示，以方便學生理解。教師可事先在自己電腦上操作，通過屏幕截圖或屏幕錄像工具保存下來，再在教室多媒體上演示，同樣可以達到較好的效果。嵌入式系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中有很多應用，教師也可以搜索相關視頻，在課堂上放映，并加以講解。

嵌入式系統(tǒng)相關技術發(fā)展日新月異，許多新技術是在國外雜志上發(fā)表的，要了解這些前沿技術，要求學生有較好的英文閱讀能力。在課堂上，教師可以穿插介紹一些專業(yè)術語對應的英文，便于學生理解專業(yè)的英文文獻。同時，嵌入式系統(tǒng)的硬件數(shù)據(jù)手冊也基本是英文的，從中也反映了在課堂上介紹英文專業(yè)術語的必要性。有條件時還可嘗試采用雙語教學，讓教學與國際接軌。

1.3 完善考評體系

嵌入式系統(tǒng)課程的知識較為廣泛，不太適合通過閉卷考試的形式進行考核。目前我校嵌入式系統(tǒng)課程成績由三部分組成：課程論文占總成績的70%；實驗成績占20%；平時成績占10%。平時成績從學生的出勤情況、作業(yè)、課堂表現(xiàn)、學習主動性等方面進行評價。該考核方式中，平時成績所占的比重較小，容易造成學生課堂表現(xiàn)不好，缺勤率高。

提高出勤率，有很多種方法，如點名、排座位等，但這些都不能從根本上解決問題，相反，還可能引起學生的反感，造成有些學生來上課就是為了點名，點完名就走的現(xiàn)象。教師可適當提高平時成績所占的比重，對課堂回答問題、積極參與互動等表現(xiàn)好的學生加分，讓更多的學生參與到課堂教學中。

對于課程論文，很多學生直接從互聯(lián)網(wǎng)上復制內容。為了杜絕該類現(xiàn)象，筆者要求學生的課程論文必須手寫，并且內容原創(chuàng)性越強，得分就越高。鼓勵學生通過獨立思考，自己動手設計一個嵌入式系統(tǒng)。在條件允許的情況下，教師可以提供支持，使學生的設計能夠實現(xiàn)，從而激發(fā)學生不斷探索的興趣。

2 實踐教學改革

2.1 實踐環(huán)節(jié)

嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性非常強的課程，本課程的實踐環(huán)節(jié)包括實驗、課程設計和畢業(yè)設計等。目前該課程的理論教學和實驗教學由不同的教師承擔，為了使理論與實踐相結合，要求理論教學的任課教師事先了解實驗系統(tǒng)，最好能親自動手操作完成實驗，這樣在課堂講解時就有具體的應用案例，而不至于使理論教學過于枯燥。

課程設計是在實驗的基礎上進行的拓展，本課程共提煉出7個課題進行設計，分別為：基于串行端口的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計、基于GPRS的雙機通信系統(tǒng)設計、指紋采集識別與控制系統(tǒng)設計、直流電機控制系統(tǒng)設計、射頻卡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設計、條形碼采集與顯示系統(tǒng)設計、溫度濕度傳感器數(shù)據(jù)采集與顯示設計。與課程設計配套的硬件平臺如圖1所示。這些題目貼近生活，學生容易理解，學習興趣很高。筆者將學生分成7個小組，每個小組為一個團隊，完成一個課題的設計。學生之間可以相互討論，提高了團隊協(xié)作能力。學生普遍很喜歡這種設計模式[6]。

圖1 課程設計配套硬件平臺

畢業(yè)設計是大學生在畢業(yè)之前完成的最后一項學習任務，它可以全面檢驗學生在大學期間的知識掌握程度。畢業(yè)設計也可圍繞嵌入式系統(tǒng)展開—嵌入式系統(tǒng)本身涵蓋了多門課程的內容。例如：基于Android智能終端的WiFi溫度采集系統(tǒng)。這個題目要求學生自己設計一個溫度采集系統(tǒng)，并且將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送到Android智能終端上進行顯示，這比課程設計的要求更進了一步，對學生的要求也更高。該畢業(yè)設計選題新穎，學生通過自己的努力完成了設計(如圖2所示)，并最終獲得學院的優(yōu)秀畢業(yè)設計。

圖2 學生的畢業(yè)設計作品—基于Android智能終端的WiFi溫度采集系統(tǒng)

2.2 創(chuàng)新比賽

嵌入式系統(tǒng)覆蓋面廣，很容易出創(chuàng)新點，但也需要學生積極進行探索。我校通過舉辦各類創(chuàng)新比賽，如嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新大賽、微處理器系統(tǒng)設計大賽等，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。在各類創(chuàng)新比賽上，產生了許多優(yōu)秀作品，如智能點菜單系統(tǒng)、移動小車、無人機操縱系統(tǒng)等，讓人在贊嘆學生創(chuàng)新能力的同時，也在思考，作為教師，要盡可能多地提供平臺，引導學生進行創(chuàng)新探索。

我校的創(chuàng)新學院，本身就是一種創(chuàng)新。該院招收學校里的優(yōu)秀人才，經(jīng)過嚴格訓練，推薦他們參加全國甚至全球機器人大賽。機器人系統(tǒng)實際上是一個典型的嵌入式系統(tǒng)。學生通過對這一具體應用對象的研究，并自己動手制作一些部件，不但深刻理解了嵌入式系統(tǒng)相關知識，而且大大提高了動手能力。

2.3 科研訓練

學生在大學期間，除了學習科學文化知識，還可以申請各類科研項目，為自己的研究爭取一些經(jīng)費，更好地進行創(chuàng)新研究，如校級和省級大學生科技創(chuàng)新項目。教師可以在課題的選擇上給予一些指導，引導學生選擇創(chuàng)新性強、應用前景廣的項目進行研究。

為了使理論知識與實踐更好地結合，學?？裳堉镜那度胧焦こ處熥鲌蟾妫榻B公司的研究現(xiàn)狀以及對嵌入式人才的需求。學生可對自己感興趣的問題提問，提前了解公司的人才需求，為以后的就業(yè)做好準備。這也很好地回答了“為什么要學習嵌入式系統(tǒng)課程”“學習這門課程到底有什么用”等一系列問題，從而使學生的學習有的放矢。

教師還可讓學生參與到自己的科研項目中，讓學生提前感受科學研究的過程，還可以將科研項目和其他的實踐環(huán)節(jié)相結合，如課程設計、畢業(yè)設計等，不但可以推進項目的研究，而且能讓更多的學生接受到基本的科研訓練。這對考研學生的幫助非常大；而對準備找工作的學生而言，這樣的經(jīng)歷也很難得，可以提高就業(yè)競爭力。

3 結束語

筆者針對嵌入式系統(tǒng)的課程特點，結合學校的辦學理念、專業(yè)特色以及學生的特點，對嵌入式系統(tǒng)課程的理論教學和實踐教學進行了改革探索。優(yōu)化教學內容，使教學貼近實際，不斷嘗試有效的教學方法，完善評價機制，確保理論教學收到良好的效果。學校通過主抓實踐環(huán)節(jié)，提供高品質的實驗平臺，舉辦各類創(chuàng)新比賽，參加各級科研訓練，多方位鍛煉學生的動手能力和工程實踐能力。

[1]徐開蕓,汪木蘭,朱昊.ARM+FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺教學項目設計與實施[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(21):15-17.

[2]張慶輝,王學梅.嵌入式系統(tǒng)教學的探索和實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2014(10):113-115.

[3]馮濟琴,朱革,陳古波.ARM嵌入式系統(tǒng)教學方法研究及實踐探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(7):63-65.

[4]孫曉玲,鄭勉,劉建生.嵌入式系統(tǒng)課程教學方法研究[J].科技創(chuàng)新導報,2013(28):213-214.

[5]萬軍,馬正華.嵌入式系統(tǒng)及應用課程實踐教學的研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(15):77-79.

[6]潘登,陳啟軍.面向卓越人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學改革[J].計算機教育,2013(13):1-5.