嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

鄧小武?

摘 要：嵌入式系統(tǒng)作為智能技術(shù)的核心技術(shù)，使嵌入式行業(yè)成為時(shí)下最熱門、最有發(fā)展前景的行業(yè)，嵌入式研發(fā)工程師以突出的優(yōu)勢(shì)成為IT職場(chǎng)的緊缺人才。文中結(jié)合《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)中存在的問題，以嵌入式行業(yè)崗位需求為導(dǎo)向，并以提升學(xué)生工程實(shí)踐能力為目的，對(duì)此類課程教學(xué)如何進(jìn)行改革作了探索與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；教學(xué)改革；工程實(shí)踐能力；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：TP39；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-0-04

0 引 言

在嵌入式、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等熱門技術(shù)日益普及的今天，以實(shí)現(xiàn)智能化為核心目標(biāo)的典型技術(shù)已成為整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)毋庸置疑的主旋律。特別是近1年，以智能家居、智能醫(yī)療、可穿戴設(shè)備等為首的大量智能硬件批量進(jìn)入到人們的生活，更讓這一場(chǎng)智能技術(shù)的變革成為勢(shì)不可擋的潮流。事實(shí)上，隨著產(chǎn)業(yè)的變革和發(fā)展，IT行業(yè)已被重新定義，從 Information Technology（信息技術(shù)）領(lǐng)域發(fā)展為 Intelligent Technology（智能技術(shù)）領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)正是這些熱門產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)中最核心、最關(guān)鍵的部分，是推動(dòng)這些產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的中堅(jiān)力量。嵌入式行業(yè)更憑借其“應(yīng)用領(lǐng)域廣、人才需求大、就業(yè)薪資高、行業(yè)前景好”等眾多優(yōu)勢(shì)成為時(shí)下最熱門、最有發(fā)展前途的行業(yè)之一，與此同時(shí)，嵌入式研發(fā)工程師更是以突出優(yōu)勢(shì)成為IT職場(chǎng)的緊缺人才[1]。

針對(duì)市場(chǎng)對(duì)嵌入式人才的大量需求，國(guó)內(nèi)高等院校都設(shè)置了嵌入式方向、嵌入式專業(yè)（職業(yè)院校），并開設(shè)了嵌入式相關(guān)課程。雖然如此，但目前高校在嵌入式人才培養(yǎng)模式方面大多仍沿用傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，使學(xué)生的工程能力與市場(chǎng)需求脫節(jié)，無法滿足市場(chǎng)需求。基于對(duì)嵌入式多年的教學(xué)和科研體會(huì)，本文從培養(yǎng)學(xué)生工程能力角度以《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》課程為例對(duì)嵌入式教學(xué)模式進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)階段嵌入式教學(xué)存在的問題

1.1 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相分離問題

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件相結(jié)合面向應(yīng)用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，只有通過不斷的實(shí)踐才能掌握其技術(shù)。國(guó)內(nèi)高校的嵌入式相關(guān)課程的教學(xué)計(jì)劃都設(shè)置了理論課時(shí)和實(shí)驗(yàn)課時(shí)。理論教學(xué)在教室授課，而教師在授課時(shí)往往采用傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，沒有與學(xué)生互動(dòng)、交流，不能掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解情況，而實(shí)踐教學(xué)通常在理論教學(xué)講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或一個(gè)模塊后，過一段時(shí)間才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至有的高校在上完理論課時(shí)后才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種做法本質(zhì)上會(huì)導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相分離，無法把理論知識(shí)融入到實(shí)踐教學(xué)中，更無法取得理想的教學(xué)效果。

1.2 教材問題

近年來，國(guó)內(nèi)出版社出版了許多有關(guān)嵌入式技術(shù)方面的教材和圖書，但難度較大，且多數(shù)教材以嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)來組織相關(guān)章節(jié)，以講解原理開始，從抽象的ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)原理到ARM指令集及其匯編程序設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用層，內(nèi)容多來自開發(fā)手冊(cè)和數(shù)據(jù)手冊(cè)，內(nèi)容生硬，缺乏自己的經(jīng)驗(yàn)、理解和相關(guān)的工程項(xiàng)目，導(dǎo)致課程缺乏實(shí)例和直觀性，使學(xué)生很難將抽象的知識(shí)和工程實(shí)踐結(jié)合起來并加以應(yīng)用，往往是當(dāng)課程學(xué)完了學(xué)生卻不知道學(xué)到了什么[2]。

1.3 實(shí)踐教學(xué)問題

絕大多數(shù)高校都建立了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)買供應(yīng)商的試驗(yàn)箱或開發(fā)板，都配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教程，但大部分都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)踐性強(qiáng)、提供源代碼、理論講解精煉清晰的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。很多開發(fā)板提供商提供的開發(fā)板實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中講解完開發(fā)板硬件資源后就立即移植操作系統(tǒng)（移植Linux2.6內(nèi)核）。這也是使得很多人認(rèn)為使用ARM就必須使用操作系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，即使有部分實(shí)驗(yàn)教程是講裸機(jī)開發(fā)，也是在Linux環(huán)境下講解，這無形中給學(xué)生增加了入門難度，因?yàn)長(zhǎng)inux環(huán)境下的Makefile編寫本身就有許多內(nèi)容要學(xué)習(xí)。在操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生不能將自己的想法融入實(shí)驗(yàn)中，存在很大的局限性，實(shí)驗(yàn)往往缺乏創(chuàng)新性和綜合性。

1.4 考核評(píng)價(jià)問題

考核評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成績(jī)和效果仍以筆試為主，對(duì)于具有實(shí)踐性強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)來說，這種考核評(píng)價(jià)方式通常不能反映學(xué)生的真實(shí)情況，特別是學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。這種考核評(píng)價(jià)方式本末倒置，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣。

2 課程教學(xué)改革措施

針對(duì)以上在嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)中出現(xiàn)的各種問題，筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐做出了一些改進(jìn)。

2.1 理論教學(xué)融入實(shí)踐教學(xué)

理論教學(xué)為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)提供了必要的知識(shí)基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)則在鞏固理論基礎(chǔ)的同時(shí)，能進(jìn)一步提高實(shí)踐動(dòng)手能力并創(chuàng)造潛能。如何把握和實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合？懷化學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系為將理論教學(xué)融入實(shí)踐教學(xué)，對(duì)《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》整個(gè)課程只開設(shè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，沒有設(shè)置理論課時(shí)。在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)理論知識(shí)和基本原理進(jìn)行取舍，將理論知識(shí)化整為零，歸結(jié)到各模塊中，在實(shí)驗(yàn)中講授。模塊都以實(shí)例為基礎(chǔ)，詳細(xì)講解了相應(yīng)模塊所需的基礎(chǔ)知識(shí)。恰當(dāng)去掉對(duì)于初學(xué)者暫時(shí)不用或很少用到的知識(shí)點(diǎn)，盡量突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》主要涉及基于非操作系統(tǒng)下的程序開發(fā)，即裸機(jī)開發(fā)，面對(duì)ARM指令集及匯編語言程序設(shè)計(jì)，學(xué)生往往無從下手，到底ARM匯編需要學(xué)到什么程度？為使問題簡(jiǎn)單化，只取部分開發(fā)常用的ARM指令并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行講解，講解完后立即運(yùn)用這部分指令進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理解和掌握該部分指令的目的。如果在開發(fā)過程中遇到其他問題時(shí)，可以查閱ARM指令集進(jìn)行學(xué)習(xí)，問題便會(huì)迎刃而解。GPIO組及控制寄存器見表1所列。

GPIO編程是最基本的技能，是控制其他硬件的基礎(chǔ)，其核心部分是控制寄存器。PXA270具有119個(gè)通用I/O口，都由表1所示的寄存器控制，所以在學(xué)習(xí)GPIO模塊編程時(shí)，結(jié)合PXA270數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)GPIO引腳功能和硬件結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)按表1對(duì)GPIO寄存器講解其分類和基本功能，使學(xué)生從整體上了解和把握GPIO的寄存器功能。再對(duì)本次實(shí)驗(yàn)要用到的寄存器結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行講解，如何設(shè)置寄存器相應(yīng)的位，為什么要這樣設(shè)置。但并沒有對(duì)寄存器所有的位進(jìn)行講解，對(duì)需要使用的位進(jìn)行講解，以最大限度地將注意力集中在學(xué)習(xí)的重點(diǎn)上，即需要初始化哪些位，而不是剛接觸該寄存器就面對(duì)許多控制位（多達(dá)32位）。當(dāng)熟悉了部分位的含義后，需要擴(kuò)展其他功能時(shí)，便能很容易地找到其他控制位。理論部分講解完后，進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了培養(yǎng)和提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展和設(shè)置新問題，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)其功能。例如做完UART通信實(shí)驗(yàn)后，設(shè)置兩個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：

（1） 將實(shí)驗(yàn)參考程序的功能改為菜單選擇界面（使用UART_SendStr函數(shù)顯示菜單，調(diào)用UART_），GetKey函數(shù)等待用戶選擇，通過switch語句判斷用戶的選擇并執(zhí)行相應(yīng)操作。

（2）設(shè)計(jì)一個(gè)菜單選擇界面，控制發(fā)光二極管和蜂鳴器。通過以上練習(xí)，既能達(dá)到理解和掌握相關(guān)基本理論知識(shí)的目的，把理論應(yīng)用到實(shí)踐，又能培養(yǎng)并提高學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合

整個(gè)嵌入式系統(tǒng)由各模塊構(gòu)成，要由淺入深地講解和實(shí)驗(yàn)各個(gè)模塊，最后將部分模塊組成較大的系統(tǒng)，使學(xué)生形象地看到模塊化開發(fā)的全貌和實(shí)現(xiàn)過程。筆者將《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》劃分成如圖1所示模塊。

基礎(chǔ)模塊主要講解了ARM處理器的部分基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)magicARM270、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和GPIO模塊編程。提高模塊主要是對(duì)PXA270處理器硬件資源進(jìn)行講解，并對(duì)每個(gè)模塊給出了一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)方法，理論聯(lián)系實(shí)踐，在實(shí)踐中更好地理解各個(gè)模塊的使用方法和使用過程中的注意事項(xiàng)。綜合模塊以基礎(chǔ)模塊和提高模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，通過學(xué)習(xí)實(shí)踐進(jìn)一步鞏固基本理論知識(shí)。例如串口控制實(shí)驗(yàn)。通過串口發(fā)送命令，發(fā)送命令的格式和下位機(jī)收到命令后執(zhí)行的相關(guān)動(dòng)作見表2所列。

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了自動(dòng)控制系統(tǒng)中上位機(jī)控制下位機(jī)的情形，即上位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)接收到命令后，根據(jù)不同命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（上位機(jī)控制下位機(jī)），這是一個(gè)綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，可培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

2.3 培養(yǎng)信息素養(yǎng)和英文資料閱讀能力

傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)忽視了對(duì)學(xué)生信息素養(yǎng)和英文資料閱讀能力的培養(yǎng)。信息素養(yǎng)（Information Literacy）是“利用大量信息工具及主要的信息源使問題得到解決的技術(shù)和技能”，簡(jiǎn)單來說，信息素養(yǎng)包含了專業(yè)信息的搜索能力和分析利用能力，分析利用能力包括對(duì)信息的分析、加工、創(chuàng)新、利用、協(xié)作、交流[3]。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)嵌入式技術(shù)的信息和資料非常多，應(yīng)學(xué)會(huì)使用百度和Google搜索技術(shù)資料，且嵌入式技術(shù)更新很快，作為一名優(yōu)秀的學(xué)生（開發(fā)人員），英語閱讀能力必不可少，因?yàn)楹芏嗉夹g(shù)資料，特別是一些新興的技術(shù)資料，往往都采用英語書寫，這就要求從事軟件行業(yè)的人員需要有一定的英語閱讀能力。同時(shí)必須具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，善于通過各種渠道更新自身的知識(shí)體系，關(guān)注最新技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，適應(yīng)行業(yè)最新發(fā)展需求。

magicARM270實(shí)驗(yàn)箱自帶的實(shí)驗(yàn)教程沒有LCD顯示控制實(shí)驗(yàn)，以此為例講解信息檢索。通過信息檢索，利用網(wǎng)絡(luò)資源來解決學(xué)習(xí)工作中不斷遇到的技術(shù)問題。嵌入式技術(shù)比較好的網(wǎng)站見表3所列。

這些網(wǎng)站中都有論壇以供學(xué)生交流專業(yè)知識(shí)，論壇里的版主都非常熱心，基本上同學(xué)和老師的問題都有問必答，大家可以互相幫助，互相學(xué)習(xí)，從一定程度上也鍛煉了同學(xué)們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[4]。

當(dāng)今我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他一些領(lǐng)域的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，而且更新發(fā)展非?？?，為了跟蹤、了解和學(xué)習(xí)他國(guó)先進(jìn)技術(shù)，要求專業(yè)人員必須具備相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)英語閱讀能力。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員通過Google搜索國(guó)外網(wǎng)站或借助其他手段得到的技術(shù)資料往往也是英文資料（英文開發(fā)手冊(cè)、開發(fā)文檔和數(shù)據(jù)手冊(cè)等）。筆者在嵌入式教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，雖然很多學(xué)生通過了大學(xué)英語四級(jí)、六級(jí)考試，但他們閱讀英文開發(fā)手冊(cè)和數(shù)據(jù)手冊(cè)仍存在一定困難，主要是缺乏專業(yè)的英文閱讀訓(xùn)練導(dǎo)致的。為培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)領(lǐng)域英文資料閱讀意識(shí)和能力，筆者在講解完某個(gè)模塊后，要求學(xué)生翻譯《Intel PXA27X Processor Family Developers Manual》中對(duì)應(yīng)的模塊，并且計(jì)入期末總成績(jī)。例如講完GPIO模塊后，把翻譯開發(fā)手冊(cè)《Section 23. General-Purpose I/O Controller》作為課外作業(yè)。

2.4 綜合考核方式

考慮到全面評(píng)價(jià)學(xué)生在一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)情況和實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)綜合考核的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)。期末綜合成績(jī)見表4所列。

通過這一考核評(píng)價(jià)方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)英文閱讀和報(bào)告撰寫能力的同時(shí)，促使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的基本理論知識(shí)運(yùn)用到具體的實(shí)踐操作上。

期末的項(xiàng)目考試都制定了相應(yīng)的考核方案，包括考試方式、考試要求、考試內(nèi)容和評(píng)分細(xì)則。項(xiàng)目考試完成后，要按格式要求撰寫項(xiàng)目報(bào)告。制定的《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》考核方案中的評(píng)分細(xì)則見表5所列。

2.5 參加相關(guān)競(jìng)賽和科研立項(xiàng)，提升綜合能力

為積極倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與綜合能力。鼓勵(lì)學(xué)生積極參加 “博創(chuàng)杯”全國(guó)大學(xué)生嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能賽車競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等各種實(shí)踐活動(dòng)，同時(shí)還鼓勵(lì)他們積極參加懷化學(xué)院和計(jì)算機(jī)工程系的“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”。在整個(gè)過程中都有相應(yīng)的專業(yè)老師指導(dǎo)，通過此方式不僅培養(yǎng)了學(xué)生的基本科研素養(yǎng)，鍛煉了學(xué)生綜合科研能力和獨(dú)立分析、解決問題的能力，也為他們將來走向社會(huì)參加科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過競(jìng)賽和科研項(xiàng)目的歷練不但讓學(xué)生提高了工程實(shí)踐能力，還讓他們逐漸形成了前沿的理念與創(chuàng)新意識(shí)，而這些也正是一位優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才所應(yīng)具備的綜合能力素質(zhì)[5]。

3 結(jié) 語

嵌入式開發(fā)要求從業(yè)人員既要具備完整的理論知識(shí)結(jié)構(gòu)，又要有很強(qiáng)的動(dòng)手能力。這對(duì)高校嵌入式課程教學(xué)提出了更高的要求，需要積極探索嵌入式課程教學(xué)改革以適應(yīng)嵌入式行業(yè)對(duì)從業(yè)人員的要求。通過《嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)改革措施，有效提升了教學(xué)效率，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生積極動(dòng)手的實(shí)踐能力，為培養(yǎng)適應(yīng)嵌入式行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人才進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。

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