以電子設(shè)計競賽推進嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)改革

黃麗

摘 要 實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在嵌入式系統(tǒng)課程中具有極其重要的作用，傳統(tǒng)的實驗多為驗證性項目，學(xué)生動手實踐能力較差。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，本文主要探討了競賽驅(qū)動的實驗?zāi)Ｊ?，從三個方面分層次、有步驟地推進教學(xué)改革，以提高學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞 電子設(shè)計競賽 嵌入式系統(tǒng) 實踐教學(xué)改革

中圖分類號：H191 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.051

1電子設(shè)計競賽需求

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽是由教育部組織的、面向全國大學(xué)生的科技活動，主要目的是推動電子信息類學(xué)科發(fā)展，促進教學(xué)內(nèi)容改革，同時培養(yǎng)大學(xué)生的團隊合作精神和創(chuàng)新意識。①促使學(xué)生理論聯(lián)系實際，加強學(xué)生工程實踐能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，選拔優(yōu)秀人才， 因此得到各個高等院校的高度重視，大學(xué)生參與的積極性也較高。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽在奇數(shù)年的暑假舉行，比賽時間是四天三夜，每支隊伍由三名學(xué)生參賽。由于比賽時間短，要在四天內(nèi)完成實物制作和設(shè)計報告，并達到較高的性能指標(biāo)，必須在課程教學(xué)中深化知識內(nèi)容，并加強模塊訓(xùn)練，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽題目共分為7大類，每類題目都涉及軟硬件知識，偏硬件的題目以高頻無線電、放大器、電源、信號源為主，偏軟件的題目以儀器儀表、數(shù)據(jù)采集處理和控制為主。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中使用的微處理器性能要求逐漸提高，CPU也從16位單片機轉(zhuǎn)換到32位。近幾年競賽隊伍多采用低成本、低功耗的32位ARM單片機作為主控芯片，廣泛應(yīng)用于各類題目中，例如信號源、高頻無線電、儀器儀表、數(shù)據(jù)采集與處理、控制等。

全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽為了培養(yǎng)創(chuàng)新意識強的實踐型人才，既是對傳統(tǒng)教學(xué)方法的挑戰(zhàn)， 同時也能夠反應(yīng)課程教學(xué)水平和教學(xué)改革的成敗。題目涉及眾多科目，要求學(xué)生具備綜合應(yīng)用能力。以理論設(shè)計為基礎(chǔ)，更強調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)。近年來電子設(shè)計競賽題目趨于高頻化和智能化，以單片機為教學(xué)重點的嵌入式系統(tǒng)課程成為必須掌握的知識技能。

2嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

目前嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課教學(xué)中，通常以32位單片機為例講授相關(guān)的知識和設(shè)計方法。②嵌入式系統(tǒng)作為一門綜合性專業(yè)課程，涉及的知識點較廣泛，但往往課堂時間有限，學(xué)生能夠投入動手實踐的機會較少。高校中嵌入式系統(tǒng)教學(xué)還有許多值得探討改進之處，例如實驗環(huán)節(jié)中學(xué)生創(chuàng)新性不足；學(xué)生在系統(tǒng)開發(fā)時不具備整體設(shè)計意識，底層硬件驅(qū)動軟件開發(fā)水平不足。③傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)偏理論、輕實踐；重分析、輕綜合；重個體、輕協(xié)作。實驗課程內(nèi)容陳舊、形式呆板、方法單一。④按照傳統(tǒng)方法培養(yǎng)的學(xué)生，在參賽時往往會出現(xiàn)很多問題。比如理論設(shè)計正確卻無法在工程上實現(xiàn)；單元電路仿真正確卻無法實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；軟件編程邏輯正確，卻達不到所需的精度和性能指標(biāo)。

由于電子設(shè)計競賽對硬件設(shè)計和軟件編程等實踐能力要求都高于常規(guī)教學(xué)，因此如何利用競賽推進嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)改革，成為眾多高校關(guān)注的問題。⑤而嵌入式系統(tǒng)教學(xué)同時強調(diào)軟件開發(fā)和硬件設(shè)計相結(jié)合，使其設(shè)計的系統(tǒng)能滿足應(yīng)用要求，從而制作出符合工程應(yīng)用要求的作品。⑥

3嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)改革

嵌入式系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中具有極其重要的作用，關(guān)鍵是要在有限的課堂中有效安排符合課程內(nèi)容的實驗項目。⑦為此本文主要探討了競賽驅(qū)動的教學(xué)實驗?zāi)Ｊ剑环矫媸菫榱烁玫貛椭鷮W(xué)生發(fā)揮能動性和創(chuàng)新性，同時也是為了促進教學(xué)內(nèi)容跟上科技高速發(fā)展的步伐。

3.1 建立實踐教學(xué)平臺，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

為適應(yīng)嵌入式課程教學(xué)和電子設(shè)計競賽的需求，中南民族大學(xué)近十年來投入數(shù)百萬元建立電子類實驗室。例如，基礎(chǔ)實驗室包括數(shù)字電子和模擬電子實驗室、數(shù)字信號處理實驗室、單片機實驗室、電子設(shè)計自動化實驗；綜合實驗包括嵌入式系統(tǒng)仿真實驗室、SOC實驗室等。與此同時，電子與信息工程學(xué)院的學(xué)生還建立了電子設(shè)計協(xié)會，組織選拔有興趣的學(xué)生參與學(xué)習(xí)競賽小組，并進行電子（數(shù)字和模擬電子）、單片機和電源設(shè)計等課程的專門訓(xùn)練。實行導(dǎo)師制，安排專業(yè)老師進行具體指導(dǎo)，并建立專門的電子設(shè)計競賽實驗室和創(chuàng)新項目實驗室。較有特色的智能車實驗室，通過教學(xué)實訓(xùn)平臺開發(fā)機器人智能車，控制智能車在實際賽道上行駛，使學(xué)生熟悉智能車的各個模塊設(shè)計原理，激發(fā)了學(xué)生對ARM系統(tǒng)開發(fā)的濃厚興趣。

另外電子信息工程學(xué)院還組建了導(dǎo)師團隊，選拔優(yōu)秀學(xué)生加入導(dǎo)師制，從大學(xué)二年級開始進行“一對一”的專業(yè)指導(dǎo)。每年學(xué)校都設(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，舉辦大學(xué)生電子競賽等科技實踐活動，鼓勵學(xué)生積極參與包括電子設(shè)計大賽與藍橋杯等計算機競賽活動。

3.2 實驗體系分層次，以競賽促進教學(xué)

根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)不同我校將實踐教學(xué)細分為三個體系層次，并在每個層次中都設(shè)計了必修實驗和選修實驗項目。從基本的電路設(shè)計調(diào)試開始培訓(xùn)，分階段、按步驟增加實驗難度，逐步培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。最后在綜合應(yīng)用設(shè)計實驗項目中融入競賽內(nèi)容，提高學(xué)生的自學(xué)能力，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力。三個層次的詳細實驗項目介紹如下。

3.2.1基礎(chǔ)實驗

實驗?zāi)康模簽轵炞C性實驗，目的是使學(xué)生熟悉基本開發(fā)工具和軟件編程環(huán)境，可讀懂程序并進行調(diào)試。

必修項目：C語言、匯編語言、ARM開發(fā)環(huán)境實驗；串口通訊實驗；中斷、定時器實驗；A/D、D/A轉(zhuǎn)換實驗等；鍵盤、LED、LCD 及觸摸屏實驗。

選修項目：DMA實驗；看門狗實驗；Boot Loader實驗等。

3.2.2進階實驗

實驗?zāi)康模褐饕才挪僮飨到y(tǒng)移植、應(yīng)用程序編程，并結(jié)合競賽中的知識點加強模塊訓(xùn)練。

必修項目：Linux基本應(yīng)用程序?qū)嶒灒籐inux文件系統(tǒng)實驗；Linux 內(nèi)核移植實驗。

選修項目：Linux串口通信實驗；Linux中斷處理實驗；Linux下的 Socket通信實驗。

3.2.3綜合實驗

實驗?zāi)康模喝渴沁x修項目，訓(xùn)練自學(xué)能力強、基礎(chǔ)較好、預(yù)備參加競賽的學(xué)生。綜合課題涉及多門學(xué)科知識，增加了硬件設(shè)計內(nèi)容，加強了學(xué)生對軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力，選拔競賽人選，分組進行競賽訓(xùn)練。

必修項目：選取往年典型的電子設(shè)計競賽題目，限定時間內(nèi)完成，根據(jù)性能指標(biāo)進行評測。

3.3 政策扶持，積極推進教改

學(xué)校實驗管理中心、科研處以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心每年都投入大量人力和經(jīng)費組織競賽，以保證課程教學(xué)改革和競賽工作的順利進行。其中大學(xué)生電子競賽在奇數(shù)年和偶數(shù)年分別開展全國性競賽和省級競賽，同時學(xué)院也制定了相關(guān)的制度政策，給予強有力的技術(shù)支持和后勤保障。首先，為競賽提供專用的實驗場地、儀器設(shè)備、資金資助，并配備教師團隊進行專門的競賽指導(dǎo)，優(yōu)先解決競賽的各種問題。其次，為激勵學(xué)生積極參與競賽，對參賽學(xué)生給予支持獎勵，安排競賽期間的食宿，提供良好的后勤保障。同時，學(xué)院會為綜合素質(zhì)好、競賽中取得較好名次的學(xué)生，推薦免試研究生或者優(yōu)先就業(yè)的機會。電子與信息工程學(xué)院給予優(yōu)先政策支持，在電子設(shè)計競賽和智能車比賽中，每屆都有參賽隊伍獲得全國一等獎，從而極大地帶動了大學(xué)生學(xué)習(xí)和參賽的積極性。

4結(jié)語

以應(yīng)用為目的、以競賽為動力、分層次有步驟地推進教學(xué)改革，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐過程中取得了良好的效果。首先從嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)的驗證性實驗入手，在此基礎(chǔ)上逐步增加操作系統(tǒng)實驗項目，并針對技術(shù)難點按模塊進行實驗，最后開展實際競賽項目的綜合訓(xùn)練。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的宗旨是提升學(xué)生綜合應(yīng)用實踐能力，訓(xùn)練學(xué)生電子電路設(shè)計基本技能，提高學(xué)生軟件及算法的編程水平，以培養(yǎng)出“基礎(chǔ)扎實、動手能力強、有創(chuàng)新意識”的高素質(zhì)電子信息技術(shù)人才。

注釋

① 姚有峰，趙江東，汪明珠.從電子設(shè)計競賽談電子類實踐教學(xué)改革.實驗技術(shù)與管理，2009.26（7）：131-133.

② 樓旭陽.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教學(xué)中學(xué)生實踐能力培養(yǎng)問題的探索與實踐.高教學(xué)刊，2015.5：73-74.

③ 冼進，賈德良，畢盛.嵌入式系統(tǒng)實驗課的教學(xué)改革初探.實驗室研究與探索，2011.30（8）：282-285.

④ 王維博，王海濱，葉凱.電子信息工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的改革探討.中國電力教育，2010.10：58-59.

⑤ 楊奕，徐鵬，彭小峰.電子設(shè)計競賽與實踐教學(xué)改革.2013.32（4）：172-175.

⑥ 周佳社，任愛鋒，蘇濤，王新懷，郭濤，閆衛(wèi)利.大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計競賽機制實踐與探索.高校實驗室工作研究，2014（1）：84-87.

⑦ 王君.以電子設(shè)計競賽，促嵌入式技術(shù)實踐教學(xué)改革.金陵科技學(xué)院學(xué)報，2009.25（4）：37-39.