基于“以芯為主、軟硬結(jié)合”的嵌入式方向課程教學方法改革

王鵬舉

【摘要】分析嵌入式方向課程教學過程中存在的各種問題，結(jié)合嵌入式方向課程目前的教學現(xiàn)狀以及嵌入式方向課程的教學特點，以提高學生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力為主要目標，提出“以芯為主、軟硬結(jié)合”的嵌入式方向課程教學改革方法。對于提高嵌入式方向課程的教學質(zhì)量以及提高嵌入式方向?qū)W生的學習積極性，都具有積極的意義。

【關(guān)鍵詞】嵌入式方向課程 教學改革 模塊化

【基金項目】湖南省教育廳科研項目（編號：15C0742）。

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）01-0038-02

引言

嵌入式開發(fā)技術(shù)是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、醫(yī)療電子、工業(yè)控制和交通系統(tǒng)等社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域中。因此，社會對嵌入式技術(shù)人才的需求日趨上升，嵌入式工程師成為職場上的緊缺人才。據(jù)統(tǒng)計，嵌入式人才缺口達到了每年50萬人左右[1]。相比一般的職位，嵌入式技術(shù)崗位具有薪酬高、工作強度相對小、發(fā)展前景好等特點。尤其是國家戰(zhàn)略發(fā)展方向《中國制造2025》以及《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年）》等文件的發(fā)布與實施，嵌入式技術(shù)的發(fā)展以及嵌入式技術(shù)崗位的薪酬更是水漲船高，未來的市場應(yīng)用和發(fā)展前景將非常廣闊[2]。

1.目前嵌入式方向課程教學存在的問題

由于嵌入式是一門涉及計算機、電子技術(shù)、自動控制等領(lǐng)域的新興技術(shù)，目前我國高校的嵌入式人才培養(yǎng)還比較薄弱和滯后，難以滿足高速發(fā)展的行業(yè)對于嵌入式人才的需求[3]，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

（1）嵌入式方向教學師資匱乏

教師是教學的主要執(zhí)行者，教師的教學水平關(guān)系到嵌入式方向教學的最終效果。嵌入式教學難度大，對教師的要求高，需要授課教師不但具備一般的計算機系統(tǒng)的軟硬件知識，而且要有實際的嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)經(jīng)驗，對授課教師的實際動手操作能力要求非常高。目前，在開設(shè)嵌入式方向教學的高校里，從事嵌入式教學的大部分老師是直接從教室到講臺，從學生直接轉(zhuǎn)變?yōu)槔蠋煟緵]有任何實際的嵌入式項目開發(fā)經(jīng)驗[4]。這些老師給學生上課只會照本宣科，實訓實驗課更是只能做一些非常簡單的基礎(chǔ)實驗，學生學習的積極性以及學生動手能力的提高，受到嚴重的阻礙。甚至有些講授嵌入式課程的教師沒有相應(yīng)的專業(yè)背景，自身對嵌入式技術(shù)認識不清，這都會嚴重影響嵌入式方向課程教學的效果。

（2）嵌入式方向教學內(nèi)容陳舊

現(xiàn)在許多高校的嵌入式方向教學內(nèi)容是從單片機的教學內(nèi)容直接引入進來的，仍停留在以MCS-51為代表的低檔8位單片機為平臺的教學水平上，仍然使用傳統(tǒng)單片機教學體系和設(shè)備，缺乏創(chuàng)新性，致使學生動手能力較差。有些年齡偏大的高校老師在教授學生編程的時候，還在使用移植性很差的匯編指令，甚至是機器指令，而不是使用移植性較好的C語言等高級語言，這對學生的學習積極性以及以后的專業(yè)發(fā)展都產(chǎn)生非常大的影響。嵌入式方向的教材普遍比較少且陳舊，嵌入式技術(shù)往往和行業(yè)背景結(jié)合緊密，由于嵌入式技術(shù)日新月異，很難找到一套普遍適用的系列教材，有些院校還在使用5年前甚至10年前的教材，學生學完之后就發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過時了，這也給嵌入式方向教學帶來負面影響。

此外，有些院校的嵌入式方向教學課程體系設(shè)置不合理，培養(yǎng)模式定位不準確，沒有形成一套完整成熟的嵌入式方向教學體系，對嵌入式方向的教學也會產(chǎn)生不良的影響。許多高校的嵌入式方向課程和教學內(nèi)容設(shè)置很隨意，因人施教現(xiàn)象比較嚴重。如果嵌入式方向開設(shè)在計算機類的院系，就偏重于軟件編程；如果嵌入式方向開設(shè)在電子類專業(yè)院系，就偏重于硬件電路設(shè)計；忽視整個嵌入式知識結(jié)構(gòu)的完整性。

（3）嵌入式方向教學設(shè)備參差不齊

嵌入式技術(shù)是一門實踐性很強的技術(shù)，對學校的教學設(shè)備和實驗設(shè)備要求比較高。目前各個高校嵌入式方向教學的設(shè)備配置水平參差不齊。有些高校的設(shè)備仍以8/16位單片機為平臺，且教學內(nèi)容陳舊，驗證性實驗多，綜合設(shè)計性實驗少，缺乏創(chuàng)新性；有些學校的教學實驗設(shè)備種類繁雜，微處理器類型繁多，既有ARM，也有Rambus、MIPS等。甚至有些高校為了節(jié)省辦學成本，和一些芯片生產(chǎn)廠家聯(lián)合，實驗室只使用某個公司或廠家的設(shè)備，這使得教學重點無法把握，教學風格無法統(tǒng)一；還有些學校的嵌入式方向教學設(shè)備以實驗箱為主，學生只能進行簡單的驗證。這種情況下，學生只能依葫蘆畫瓢，把實驗箱的測試程序編譯之后，直接燒寫進實驗箱，只能看到最終的結(jié)果，至于硬件原理是什么，軟件程序如何編寫的，原理又是什么，采用什么標準接口進行通信，一概不知，學生的發(fā)揮空間非常有限，無法培養(yǎng)學生的動手創(chuàng)新能力，與實際的嵌入式開發(fā)應(yīng)用項目需求嚴重脫節(jié)，學生發(fā)展后勁不足。

2.嵌入式方向教學方法改革

針對以上嵌入式方向教學過程中存在的問題，本文提出了基于“以芯為主，軟硬結(jié)合”的嵌入式方向課程教學改革方法。具體的思路是：首先選擇一款性能較高、當前市場上應(yīng)用最廣泛的嵌入式處理器芯片，以該芯片為核心，即“以芯為主”，設(shè)計一款模塊化的嵌入式處理器硬件實驗平臺。再次，以該平臺為基礎(chǔ)，編寫、調(diào)試出實驗平臺各個分模塊以及綜合實驗程序，實現(xiàn)嵌入式開發(fā)中的“軟硬結(jié)合”的設(shè)計思想。最后，基于該實驗平臺進行嵌入式方向課程的教學方法改革，在嵌入式方向課程教學過程中，讓學生以實驗平臺為設(shè)計目標，從學習、選擇嵌入式處理器芯片開始，設(shè)計實驗平臺外圍電路，繪制PCB板，焊接實驗平臺電路板，調(diào)試模塊測試程序，調(diào)試綜合功能程序，完成整個實驗平臺的開發(fā)過程，提高學生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力。

2.1 模塊化實驗平臺的硬件設(shè)計

根據(jù)嵌入式方向教學改革的思路，首先選擇一款嵌入式處理器為“芯”，進行硬件實驗平臺設(shè)計。硬件平臺設(shè)計由6個基本實驗?zāi)K和4個提升實驗?zāi)K組成?；緦嶒?zāi)K包括：嵌入式處理器最小系統(tǒng)電路設(shè)計、電源電路設(shè)計、JTAG下載仿真電路設(shè)計、USART串行通信接口下載電路設(shè)計、按鍵接口電路設(shè)計、A/D及D/A電路設(shè)計；提升實驗?zāi)K包括：wifi模塊接口電路設(shè)計、LCD顯示屏接口電路設(shè)計、超聲波測距模塊設(shè)計、智能小車驅(qū)動電路接口設(shè)計，如圖1所示。