嵌入式系統(tǒng)原理課程創(chuàng)新型教學改革研究

摘要：分析目前高校嵌入式系統(tǒng)原理課程重理論輕項目應用實踐操作的教學方式，提出理論強化學習、實驗項目分析操作訓練、科研項目實訓和校企聯(lián)合訂單式培養(yǎng)四位一體的實踐教學模式。強調(diào)采用引導性筆記授課方式強化學生理論知識，單步引導學生實驗項目操作，結合綜合系統(tǒng)實例項目及企業(yè)需求訂單式針對性培養(yǎng)，可以鍛煉學生動手操作和實踐創(chuàng)新能力，以及在綜合性項目開發(fā)過程中的工程創(chuàng)新、團隊協(xié)作能力，從而解決理論教學與實踐相互脫節(jié)的問題。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)課程；項目分析操作；科研實訓；訂單式培養(yǎng)

0.引言

嵌入式系統(tǒng)是專業(yè)技術性、實踐性和綜合性都很強的學科領域，近年發(fā)展極為迅速，目前精通嵌入式系統(tǒng)專業(yè)技術的人才嚴重缺乏，學校培養(yǎng)的人才和企業(yè)實際需求嚴重脫節(jié)，使得嵌入式硬件和軟件研發(fā)工程師成為近年來較為熱門的職業(yè)之一。為縮小畢業(yè)生與用人單位實際需求間的差距，使高校的人才培養(yǎng)方向和培養(yǎng)目標更貼近現(xiàn)實，嵌入式系統(tǒng)的教學改革迫在眉睫。

1.授課方式及課程理論分析設置

嵌入式系統(tǒng)原理目前是通信工程和自動化專業(yè)的核心課程，也是計算機科學與技術、軟件工程等專業(yè)的重要課程。嵌入式系統(tǒng)更新?lián)Q代快，學習難度大，難以形成系統(tǒng)性的知識體系。同時嵌入式課程講授難度很大，它要求教師不僅具備一般的單片機開發(fā)系統(tǒng)的軟硬件知識，而且需要從事過嵌入式系統(tǒng)工程項目實際開發(fā)實踐，才能很好地講授該課程。

1.1授課方式分析

嵌入式系統(tǒng)原理理論知識點多，覆蓋學科面廣，命令操作多，采用引導性筆記的授課方式強化學生的理論知識水平。課堂上授課人數(shù)較多，授課教師營造學生積極參與的課堂氣氛，激發(fā)學生的課堂參與積極性。同時，改變以往將所有授課講義上課前給學生的做法，而是將引導性筆記提前給學生，引導性筆記包括本堂課內(nèi)容的信息提綱、基本概念、定理、公式關鍵環(huán)節(jié)、圖形圖表、最終結論觀點等，學生只需補充其中的細節(jié)內(nèi)容。學生邊記筆記邊理解重點內(nèi)容，注意力能夠相對集中在老師的授課重點，避免沒有經(jīng)過理解分析的簡單記錄，從而提高課堂的學習效率，使學生達到高強度的理論強化學習目的。天津商業(yè)大學嵌入式系統(tǒng)教學團隊緊緊圍繞ARM架構微處理器作為教學的理論和實驗主要對象，編寫了可作為引導性筆記的實驗教材《嵌入式系統(tǒng)原理開發(fā)與設計——基于SamsungS3C2410微處理器的設計與應用》。教學團隊采用課堂講授與實驗有機結合的教學模式，采用引導性筆記的授課方式，強化理論與應用實踐相結合，引導學生獨立思考，培養(yǎng)他們的學習興趣和學習積極性、主動性。

1.2課程理論分析設置

嵌入式系統(tǒng)課程是一門系統(tǒng)性強、軟硬件結合的綜合性課程，一般分為硬件開發(fā)方向和軟件開發(fā)方向，兩方向均要求學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)基本理論知識和簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，具有嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)、設計、調(diào)試和維護的基本能力。通信工程專業(yè)和自動化專業(yè)的學生授課重點偏向于嵌入式硬件開發(fā)方向，而計算機科學與技術專業(yè)和軟件工程專業(yè)的學生則偏向于嵌入式軟件開發(fā)。根據(jù)不同專業(yè)的專業(yè)特點以及學生的興趣愛好和素質(zhì)，可以建立一套適合嵌入式系統(tǒng)教學的課程體系，將嵌入式系統(tǒng)課程體系概括為3個階段，第一階段為偏軟和偏硬方向的學生均要求學的專業(yè)基礎課，主要有C語言程序設計、計算機組成原理、模擬電路和數(shù)字電路、匯編語言程序設計等基礎課程；第二階段為偏軟和偏硬方向的學生均要求學習，主要開設課程有Linux操作系統(tǒng)、WinCE操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結構、嵌入式系統(tǒng)原理及應用、操作系統(tǒng)原理、計算機網(wǎng)絡等課程；第三階段為偏軟專業(yè)學生重點學習基于操作系統(tǒng)的開發(fā)課程，如QT圖形界面設計、c++程序設計等開發(fā)應用性強的人機界面軟件設計；偏硬專業(yè)學生重點學習嵌入式系統(tǒng)結構、傳感器原理、PCB設計制作、Multisim和PADS等仿真設計類的課程。

2.課程實驗項目實踐

嵌入式系統(tǒng)教學的實驗項目分為基礎類實驗項目和提高類實驗項目?；A類實驗項目均要求學生掌握利用現(xiàn)有實驗設備理解嵌入式系統(tǒng)設計的原理和過程、掌握建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的開發(fā)方法和過程；提高類實驗項目主要是讓學生把所學本學科知識綜合起來，培養(yǎng)學生嵌入式系統(tǒng)綜合應用實際開發(fā)能力、軟硬件協(xié)同設計思想及解決開發(fā)過程遇到問題的能力。

基礎類實驗項目包括：①基于ARM的匯編語言程序設計；②基于ARM的c語言程序設計；③基于ARM的I/O接口實驗；④基于ARM的中斷實驗；⑤基于ARM的UART實驗；⑥基于ARM的A/D接口實驗；⑦pCOSII的內(nèi)核在ARM處理器上的移植；⑧Linux實驗環(huán)境的搭建；⑨Boot loader引導程序?qū)嶒灒虎釲inux的移植、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的生成與下載；11WinCE中的控件編程；12WinCE下的多線程編程；13WinCE下文件操作與通信編程。

提高類實驗項目包括：①觸摸屏實驗；②音頻錄放實驗；③USB設備收發(fā)數(shù)據(jù)實驗；④基于gCOSII的串口驅(qū)動編寫實驗；⑤基于gCOSII的LCD驅(qū)動編寫實驗；⑥基于Linux的鍵盤驅(qū)動程序編寫；⑦基于Linux的LCD驅(qū)動程序編寫；⑧USB播放mp3的實驗；⑨WinCE系統(tǒng)定制；⑩WinCE下的流接口驅(qū)動開發(fā)；11WinCE內(nèi)核調(diào)試。

其中提高類的實驗項目均為小系統(tǒng)設計，綜合性較強，有一定開發(fā)難度，授課教師在實驗項目分析操作中單步引導學生自己通過操作來尋求答案，讓學生由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，通過給學生分析項目需求、設計方法，進一步引導學生進行實例項目的學習。部分項目需要仿真測試的利用虛擬仿真軟件MATLAB、PROTEUS和AD6.3等各種繪圖仿真軟件進行試驗仿真測試。虛擬仿真實驗可以提高學生實驗項目的正確率，操作的便捷性，降低設備的損壞率，強化學生的理論知識。提高類的實驗項目均是具體的實例展開教學，從而達到培養(yǎng)能力的目的，進而激發(fā)學生的學習興趣。信息技術綜合實驗教學中心現(xiàn)有達盛ARM860教學實驗實訓平臺32套（cPU為SamsungS3C2410處理器）以及該平臺配套的硬件設備和軟件環(huán)境，結合2012版教學計劃，將課程實驗項目再設計為啟發(fā)型-綜合性-創(chuàng)新型實驗項目。學生3-4人為一個團隊，每人分工明確，完成項目的分析設計、編寫、調(diào)試代碼、功能演示，共同討論共同完成實驗項目。

3.科研項目培養(yǎng)結合企業(yè)訂單培養(yǎng)

在理論知識強化學習和必修的實驗項目后，很多學生認為學到的知識點相對零散，缺乏一條主線將各章的知識點結合起來，不能從全局角度整體看待問題，知識點得不到靈活運用。授課教師選取難度合適且有意義的綜合系統(tǒng)實例項目作為學生的課外拓展性教學補充㈣，這些軟硬協(xié)同設計的綜合系統(tǒng)實例項目盡量將各知識點貫通起來，增強學生對課程的整體把握。綜合系統(tǒng)實例項目來自于教師的縱向和橫向科研項目子課題、各類競賽項目、創(chuàng)新研究課題和企業(yè)的實際需求。

科研項目子課題、各類競賽項目開發(fā)設計過程中，3～5名學生組成項目應用開發(fā)興趣小組，共同完成項目的需求分析設計、功能實現(xiàn)和測試工作，便于學生理解各功能的實現(xiàn)原理，每個小組匯報該組項目的設計目的、實現(xiàn)原理、實現(xiàn)功能、開發(fā)調(diào)試及功能測試的過程，最后采取學生答辯、老師驗收的結題方式，達到鍛煉學生的團隊能力，協(xié)作能力及自學能力的目的，也可以使其他未做該項目的同學得到參考和借鑒。教師授課團隊在開發(fā)設計過程中提供必要的課外指導，各實驗教學中心和工程訓練中心提供相應的設備及開發(fā)平臺。目前，這種模式培養(yǎng)的學生已經(jīng)獲得全國大學生電子設計競賽、天津市大學生電子設計競賽、天津市大學生物聯(lián)網(wǎng)設計競賽、博創(chuàng)杯、合泰杯等多項大獎。

對于創(chuàng)新研究課題和企業(yè)的實際需求項目，對學生采用訂單式培養(yǎng)，要求學生有針對性地完成嵌入式系統(tǒng)的實際硬件電路設計、程序的編寫、調(diào)試環(huán)境搭建、各級功能的調(diào)試、系統(tǒng)的集成測試和文檔的編寫等環(huán)節(jié)，其中硬件電路設計和軟件編程需重點學習，通過項目需求分析、方案比較、資料歸納整理、系統(tǒng)方案定型、電路板級調(diào)試、軟件編程調(diào)試、系統(tǒng)功能測試、文檔編寫等全過程，完成一個標準的產(chǎn)品級的工程項目研發(fā)，鍛煉學生的工程項目研發(fā)和實際動手能力。在開發(fā)的不同階段，學校企業(yè)共同搭建平臺，學校提供必要設備和實驗室，企業(yè)提供部分研發(fā)平臺及資金支持，企業(yè)一線產(chǎn)品研發(fā)專家不定期到校內(nèi)和學生交流，學生近距離和企業(yè)嵌入式系統(tǒng)資深專家面對面探討問題，提高學生的工程項目經(jīng)驗、創(chuàng)新能力和實踐能力，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)，讓學生在實際項目研發(fā)環(huán)境中成長，也為日后的工作有針對性地積蓄經(jīng)驗和專業(yè)本領，提高學生就業(yè)率。這種教學模式實現(xiàn)了為企業(yè)量體裁衣式的培養(yǎng)，教師也達到對不同學生因材施教的目的。

4.結語

嵌入式技術發(fā)展突飛猛進，市場實際需求變化無窮，系統(tǒng)的展開嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容改革與實踐工作以適應市場需求，構建理論強化學習、實驗項目分析操作訓練、科研項目實訓和校企聯(lián)合訂單式培養(yǎng)四位一體的實踐教學模式，形成專業(yè)技術應用能力與綜合實踐技能相結合的實踐教學體系。在教學內(nèi)容上，要將理論與實踐相結合，課堂教學和實驗項目操作訓練相結合，科研項目訓練和企業(yè)需求相結合，提高學生分析問題和解決問題的能力，加強學生工程系統(tǒng)掌控能力和創(chuàng)新能力。

筆者所在教學團隊積極主動拓寬教學方法視野，掌握先進科學的教學理念，優(yōu)化和完善教學方法，經(jīng)過多學期的實踐教學證明這種教學模式具有較好的可行性，提升了學生工程實踐能力，激發(fā)了學生的學習興趣，教學實踐效果也較符合實際應用。