嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的若干問題與對策分析

王 恒，桑元俊

(1、南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 211156;2、上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Operating System)按照美國電氣和電子工程師協(xié)會IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)定義為:用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置。

嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計算機系統(tǒng)，或者作為設(shè)備或裝置的一部分。其軟硬件設(shè)計就是微處理器的應(yīng)用設(shè)計。

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛深入，對掌握其技術(shù)設(shè)計的人才需求量日益旺盛。國內(nèi)外高校也紛紛開設(shè)了相關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的課程體系，或者嵌入式方向的課程群，來培養(yǎng)各個層次的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才［1］。

對于嵌入式系統(tǒng)，研究生、本科生、?？粕踔林小⑿W(xué)生都在學(xué)習(xí)、研究與應(yīng)用。所以，嵌入式人才是分層次的。高校針對本科生、研究生的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的培養(yǎng)，則是瞄準高級應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)人才層次。

高級嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)中“高級”的含義需要澄清:隨著嵌入式微處理器的發(fā)展，“高級”的含義也是一直在變化的。一般來說，微處理器功能越復(fù)雜，其對設(shè)計人員的能力需求就越高級。目前，社會普遍認為基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需求較為復(fù)雜、高級，但是這不能保證后續(xù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究與人才培養(yǎng)還是要以發(fā)展的眼光來看待。基于上述關(guān)于現(xiàn)今嵌入式系統(tǒng)的社會需求與發(fā)展，各大院校在開設(shè)單片機教學(xué)、DSP教學(xué)和FPGA教學(xué)外，也紛紛開設(shè)了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)課程或課程群［2］。

我校作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的高校，嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和研究一直是我校的特色之一。早在2009年面向自動化、測控技術(shù)及儀器等三個專業(yè)就開設(shè)了“ARM控制器實用技術(shù)”課程。在基于ARM控制器的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，我們遇到了若干問題。

1 存在的問題

我校在基于ARM控制器的嵌入式教學(xué)實踐中出現(xiàn)的問題分為兩類。一類是和其他課程出現(xiàn)的問題相同或者相似，稱之為共性問題;另一類是ARM控制器教學(xué)特有的問題，稱之為特性問題。針對共性問題，因為是這些課程普遍存在的問題，可以根據(jù)其他課程的教學(xué)實踐經(jīng)驗結(jié)合本課程來解決;針對特性問題，因為是ARM教學(xué)特有的問題，只能根據(jù)教學(xué)實踐探索其最優(yōu)的解決方案。

1.1 共性問題

具有共性問題的這類課程大部分教學(xué)均采用理論+實驗的教學(xué)模式，產(chǎn)生的問題如下:

(1)理論教學(xué)內(nèi)容難度較大:概念較多且抽象;教材不足，各章內(nèi)容缺乏聯(lián)系。

(2)實驗內(nèi)容設(shè)置簡單，導(dǎo)致創(chuàng)造性不足，實驗條件不足(實驗時間少，設(shè)備不足，實驗室開發(fā)程度不夠等)，學(xué)校對實驗教學(xué)不重視(學(xué)時少，工作量比重小)，教師自身工程實踐經(jīng)驗不足。

這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是，學(xué)生在理論掌握上不夠扎實，部分概念搞不清楚;在實踐操作上表現(xiàn)為依賴實驗說明書，動手能力與自主創(chuàng)造的能力欠佳，往往知其然而不知其所以然。這樣學(xué)生難以達到系統(tǒng)級設(shè)計開發(fā)的能力要求。

1.2 特性問題

當(dāng)學(xué)生對ARM控制器學(xué)習(xí)達到初步的認知后，能開始動手設(shè)計硬件電路、編制運行程序，并調(diào)試實現(xiàn)后，便可認為學(xué)生學(xué)習(xí)已經(jīng)達到基本入門要求。后續(xù)的實踐學(xué)習(xí)會突現(xiàn)該課程的特性問題:

(1)實際工程項目的ARM芯片應(yīng)用涉及到大量硬件設(shè)計，且需在多層板上布線，線路信號多為高頻信號，抗干擾設(shè)計需要著重考慮。

(2)目前ARM的教材內(nèi)容一般為入門級的，而軟件設(shè)計需要Linux等操作系統(tǒng)支持，且實際工程項目軟件代碼量也很龐大。

這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是，學(xué)生在初步掌握某一款基于ARM的微處理器的設(shè)計后，還無法應(yīng)對實際工程項目，不管這個項目是人為設(shè)計出來的，還是實際客戶需求的。我校的培養(yǎng)目標是能夠初步應(yīng)對簡化的實際工程項目，這是該課程教學(xué)的難點。

2 相應(yīng)對策

2.1 共性問題的對策

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，在對待共性問題上，可以借鑒其他類似的課程的教學(xué)經(jīng)驗，比如單片機教學(xué)、PLC教學(xué)、甚至機械設(shè)計教學(xué)等。

課程設(shè)置方面，我校在單片機教學(xué)上有很好的經(jīng)驗，該課程除了理論教學(xué)+課程實驗外，還增開了“接口技術(shù)”課程設(shè)計，供學(xué)生選修。實踐證明，該課程設(shè)計的設(shè)置促進學(xué)生對單片機學(xué)習(xí)進一步融會貫通，初步達到社會單位關(guān)于單片機的實用要求。在ARM的教學(xué)上，我們也采用了課程設(shè)計的方式，但不是單獨開課，而是讓學(xué)生課后根據(jù)選題，3～5人一組，協(xié)作完成該課程設(shè)計。雖然增加了教師的工作，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，但是這對學(xué)生掌握程度的提高幫助很大。

課程內(nèi)容教學(xué)方面，借鑒其它課程采用的項目化教學(xué)方法［4］。該方法把課程內(nèi)容設(shè)計為多個子項目，按照知識點對子項目進行分解教學(xué)，最后形成幾個小型的完整項目。學(xué)生從這一學(xué)習(xí)過程中認知到課程各知識點的相關(guān)性并建立起項目或者系統(tǒng)的概念。我校的項目教學(xué)法，不僅僅局限在課程內(nèi)容的項目化設(shè)計上，還以實際的工程項目流程來管理項目進展［2］。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，項目教學(xué)法和系統(tǒng)教學(xué)法對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力非常有效。學(xué)生不再認為課程知識是孤立、不切實際的。學(xué)生認識到該課程知識能解決實際工程問題，這就會激發(fā)他們濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

課程實踐教學(xué)方面，采用開放實驗室，通過自制設(shè)備和企業(yè)贊助設(shè)備等方式來增加學(xué)生實際動手的時間、空間，最終提高學(xué)生的實踐動手能力。我校在2009年就開放一間160m2實驗室作為學(xué)生創(chuàng)新實驗室，教師自制基于STM32的教學(xué)開發(fā)設(shè)備，和基于S3C2410的教學(xué)開發(fā)儀器，并在授課時給學(xué)生講解，從而激發(fā)學(xué)生自己設(shè)計一套開發(fā)套件或設(shè)備的興趣。

2.2 特性問題的對策

基于ARM嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，由于其理論復(fù)雜性、強實踐性都遠遠超過其他類似課程，因此需要采取如下多個措施。

(1)補充課程內(nèi)容:三星公司的S3C2410控制器在三星公司網(wǎng)站上有非常豐富的設(shè)計內(nèi)容，我們要求學(xué)生在下載閱讀芯片datasheets后，還必須閱讀User＇s Guide以及其他的設(shè)計文檔。雖然英文文檔對部分學(xué)生來說存在閱讀困難，但是所獲得的信息是現(xiàn)有教材極為重要的補充。這也培養(yǎng)學(xué)生在沒有教材，或者沒有合適教科書的時候，如何得到學(xué)習(xí)嵌入式芯片設(shè)計的途徑。除此之外，也推薦學(xué)生參閱其它網(wǎng)絡(luò)資源，有些嵌入式設(shè)計論壇提供的實踐經(jīng)驗，也非常有價值［5］。

(2)學(xué)科競賽、創(chuàng)新活動的參與:積極參與國家、企業(yè)發(fā)起的各種有關(guān)ARM的嵌入式競賽、創(chuàng)新計劃，學(xué)校組織培訓(xùn)學(xué)生積極參與。我校自動化系也自行組織了嵌入式競賽，組織了多次校內(nèi)的基于ARM的嵌入式設(shè)計大賽，旨在促進學(xué)生對實踐和理論學(xué)習(xí)的熱情。

(3)提高教師能力:教師的理論和工程能力對教學(xué)非常的重要，作為教學(xué)的補充，我報邀請國內(nèi)外嵌入式設(shè)計專家來校作理論前沿講座;也邀請企業(yè)的專家來做實際工程應(yīng)用前沿報告。當(dāng)然，更重要的是，鼓勵教師積極參與企業(yè)的工程項目，成為雙師型人才。

我校的教學(xué)實踐表明，上述這些措施很大程度培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，尤其是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力［6］。

3 其他建議

目前各大高校都注意到校企合作的重要性［7］。我校在校企合作過程中，發(fā)現(xiàn)企業(yè)對嵌入式人才需求的崗位設(shè)置和學(xué)校教學(xué)存在矛盾。

(1)企業(yè)實際系統(tǒng)設(shè)計崗位分割很細，要求具體。但是割裂了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中系統(tǒng)的概念，進入企業(yè)，嵌入式高級應(yīng)用型人才或者復(fù)合型人才往往被分割成了螺絲釘式人才、專才。更嚴重的是，員工更換工作的時候，就發(fā)現(xiàn)他們只會就崗的一點知識，其他都不會。所以，學(xué)校就要強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的觀念，不能像對口公司一樣，簡單培訓(xùn)就上崗，只會某個局域點。這與高校培養(yǎng)的高級應(yīng)用型人才的目標不符合。

(2)高校教學(xué)還要重視理論基礎(chǔ)知識。公司培訓(xùn)注重實際能力，雖然表面上實際能力得到了熟練化，但是應(yīng)對復(fù)雜工程項目，員工沒有基礎(chǔ)知識的支撐，不能靈活應(yīng)對，知其然，不知其所以然。學(xué)校在培養(yǎng)人才時要注意理論基礎(chǔ)與實踐并重，希望學(xué)生不要做淺層次的應(yīng)用型人才，而要做高層次的應(yīng)用型人才。

(3)要培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力。許多教學(xué)方法的改革，并不能整體提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。比如慕課，對于學(xué)習(xí)能力強的人或者有主動學(xué)習(xí)能力的人，的確提供了更多的機會和選擇，然而對于本身缺乏學(xué)習(xí)能力和熱情的人，他們本身應(yīng)對變化的能力就差，在這種改變中就顯得更加措手不及。此外，在項目教學(xué)等起始階段，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣還是很高的，感覺挺新鮮的，但是持續(xù)性不強，這促使我們?nèi)ニ伎几嗟膯栴}。那就是外在的這些課程改革的方法究竟能解決多少問題，我們還需要進行更多的嘗試。但是，我們認識到，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是不能忽視的方面，這個能力不僅僅影響嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，在任何課程學(xué)習(xí)中均有重要意義。

4 結(jié)語

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)任重而道遠，需要不斷地進行教學(xué)改革去完善。改革的終極目的不僅僅是讓這門課程內(nèi)容更加清晰明了、簡單易懂，更重要的是，要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，讓他們自己能去主動學(xué)習(xí)掌握嵌入式系統(tǒng)方面的知識。即使學(xué)生在走上社會崗位后，隨著新的嵌入式知識的更新，他們也能利用在學(xué)校時培養(yǎng)的能力，去比較輕松地應(yīng)對。這是我們課程教學(xué)改革的終極目的。

［1］王麗，張燕，王恒.單片機原理及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2014.

［2］凌明，劉昊，時龍興.關(guān)于嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中幾個問題的思考［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，S1):94-6+106.

［3］汪湛清，彭熙偉，郭玉潔，等.嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)中的挑戰(zhàn)問題［J］.上海:實驗室研究與探索，2013，11):364-6+92.

［4］冀常鵬，馬飛，徐維.項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，06):26-7+45.

［5］劉森，慕春棣.自動化專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)探討［J］.北京:實驗技術(shù)與管理，2007，01):115-7.

［6］羅怡桂.基于問題解決的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)實踐［J］.上海:實驗室研究與探索，2012，10):377-9.

［7］周俊，雷家勇，顏為向.校企共建實驗室運行機制研究與實踐［J］.北京:實驗技術(shù)與管理，2013，11):234-6+46.