嵌入式系統(tǒng)課程的模塊教學法初探

苗晟+高皓

摘 要：為有效探討嵌入式系統(tǒng)的授課方式，針對其涉及內(nèi)容廣、授課難度大等問題，通過分析計算機類專業(yè)和電子信息類專業(yè)的特點及其與嵌入式系統(tǒng)課程的關聯(lián)性，提出針對不同專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程模塊化教育方法并通過實踐教學對該方法進行分析討論。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；電子信息類；模塊化教學；應用型人才培養(yǎng)

文章編號：1672-5913（2017）07-0122-04

中圖分類號：G642

1 背 景

目前，本科計算機類專業(yè)有兩大學科方向：一是電子信息類專業(yè)，主要以電路設計和信號處理為主，課程設置偏向硬件開發(fā)；另一個是計算機類專業(yè)，以軟件開發(fā)、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術為主，課程設置更加注重網(wǎng)絡建設和軟件編程。在這兩大計算機專業(yè)學科中，嵌入式系統(tǒng)被普遍認為是比較難進行教學和實驗的一門課程，原因是其既有硬件設計和底層編程，又有操作系統(tǒng)移植及軟件開發(fā)，課程涉及的知識跨度大、綜合應用能力要求高、知識點繁雜且不容易掌握。于是，對計算機類專業(yè)的兩大學科方向來說，這門課程的教學都存在前導課程的不足。

對于電子信息類專業(yè)的學生來說，由于欠缺操作系統(tǒng)知識，系統(tǒng)編程能力有限，如果只講授純硬件編程，則課程成為單片機課程的延伸，不能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的核心和精髓，但在課程內(nèi)容中加入操作系統(tǒng)知識，不僅整個編程思想會發(fā)生大的變化，還需要補充講解很多知識點。對于計算機類專業(yè)的學生來說，他們學習這門課程時同樣存在短板。嵌入式系統(tǒng)的特點是軟硬件可裁剪，就是根據(jù)應用來定制系統(tǒng)軟硬件，而不掌握電路分析和模電數(shù)電基礎，學生可能連看原理圖都存在障礙，對各種接口的時序分析也會有障礙，導致在學習硬件架構和驅(qū)動開發(fā)部分時難以理解，因此嵌入式課程的教學方法值得深入探討和研究。

2 教學現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)在計算機體系中的重要性已毋庸置疑，文獻[1]從多種需求角度入手分析嵌入式系統(tǒng)的重要性；同時文章也指出，從廣義的角度來看，本門課程是一個非常龐大的學科體系，從硬件設計跨越到軟件開發(fā)，涉及內(nèi)容廣泛，其很多分支，如編程語言、驅(qū)動開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、APP 開發(fā)等，都可以作為一門課程或研究方向進行深入研究。僅從嵌入式系統(tǒng)這門課程來看，由于受到篇幅、學時等限制，不可能一一對課程涉及的內(nèi)容展開介紹，而這個問題在業(yè)界也有過相關討論[2-3]。如何將軟硬件交叉設計的嵌入式系統(tǒng)課程教好，其教學方法和授課內(nèi)容是值得進一步深入研究探討的。

2.1 教 材

現(xiàn)在市面上關于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀教材不少，大致可以分為3類。

一是詳細介紹系統(tǒng)架構（如以ARM 架構的某一種平臺或某一款芯片為例）、匯編語言及硬件接口的教材[4]。這類教材專注于介紹底層寄存器和匯編語言，經(jīng)常有大段 C 語言和匯編語言代碼，對每種接口總線都講得比較詳細并給出例程，因此，這類教材可以看作單片機課程的擴展和延深，雖然底層講得細，但是基本不涉及操作系統(tǒng)。

二是詳細介紹某一種嵌入式操作系統(tǒng)的教材，如Linux、uCOS或Vxworks等。這類書一般專門針對一種操作系統(tǒng)，從其下載移植、內(nèi)核結(jié)構到系統(tǒng)編程都作深入講解，這對于學習應用某一類操作系統(tǒng)來說是很好的參考書和學習教材，但是這類書籍很少涉及硬件架構和匯編語言[5]。

三是上升到應用程序開發(fā)的教材且主要以 Android系統(tǒng)開發(fā)為主，iOS 相關書籍也不少。簡單地說，就是做手機 APP 開發(fā)，這類書籍基本完全脫離硬件，直接講授軟件編程[6]。

3類書籍各有側(cè)重，對于打算深入學習嵌入式系統(tǒng)的學生來說，如果他們能認真學習這3類書籍，收獲會很大，但是從教師選擇教材的角度來看，上述3種教材多少都有些“顧此失彼”。

2.2 課 時

以課程設置64學時（32學時理論+32學時實驗）為例，如果課程中只介紹ARM架構、匯編語言和接口設計，實驗僅開展不帶操作系統(tǒng)的“底層編程”，那么，在講得比較充分的前提下，課時可能還會略顯富余。如果加入嵌入式操作系統(tǒng)移植和驅(qū)動開發(fā)的相關知識，課時立即就會顯得很緊張，而且這還是在要求學生有一定操作系統(tǒng)知識的前提下，如學習過Linux系統(tǒng)，基本掌握 Shell 命令。

由于各個學校課時設置不一，有以 60學時或80學時設置的，也有以48學時或64學時設置的，甚至同一學校不同專業(yè)的課時設置也不一樣，因此想要有效開展教學，教師須備有靈活可變的教學方案并根據(jù)學生的前導課程進行適當調(diào)整，這樣才能做到“有的放矢”。

3 模塊化教學

在嵌入式系統(tǒng)的教學中，教師很有必要為學生講解嵌入式系統(tǒng)移植和系統(tǒng)編程知識，因為這不僅能讓學生全面系統(tǒng)地了解嵌入式系統(tǒng)設計的核心，還能為學生未來就業(yè)打下良好基礎，更符合高校應用轉(zhuǎn)型的思想和要求。我們以ARM架構+Linux內(nèi)核+Android系統(tǒng)組合為例，介紹如何使用模塊化方法對課程進行設置。

3.1 內(nèi)容分析

首先可將課程內(nèi)容作初步劃分，明確課程涉及的內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容可以粗分為底層硬件級、系統(tǒng)級和應用層級，其涉及的知識點、開發(fā)工具或編程語言見表1。由于涉及編程環(huán)境和具體開發(fā)方式過多，表1僅列出常用語言或軟件供參考。陰影部分是嵌入式系統(tǒng)課程主要講授的內(nèi)容，可以看出，嵌入式系統(tǒng)課程銜接硬件部分和應用層開發(fā)，應該起到“橋梁”作用，讓學生明白系統(tǒng)移植的優(yōu)勢和開發(fā)流程，而不僅僅停留在單片機系統(tǒng)編程的水平。

嵌入式系統(tǒng)的教學定位以系統(tǒng)級為核心，略微偏硬件架構和寄存器，指令系統(tǒng)也是不可或缺的內(nèi)容，應用級開發(fā)則主要是另外一門課程的任務，如在智能終端開發(fā)課程中再詳細介紹手機APP的開發(fā)研究；本課程中可以簡單作一點前導介紹，以這些內(nèi)容為基礎，教師在實際教學中再根據(jù)不同學科進行適當取舍。

3.2 教學方法

將嵌入式系統(tǒng)課程分為幾個主要模塊，其中每個模塊又包含小的模塊，各個模塊針對大綱要求和實際應用情況分為精講、詳細、略講和可選幾個層次，見表 2。

表2中概括了嵌入式系統(tǒng)課程的三大部分：基礎、系統(tǒng)和應用。這3塊都是本門課程必不可少的內(nèi)容，基礎部分學生學習起來可能枯燥乏味，但是該部分是系統(tǒng)開發(fā)的基礎；系統(tǒng)部分是課程的精髓，包括介紹操作系統(tǒng)的內(nèi)核、編譯和移植，這些都是本門課程的重點；在嵌入式操作系統(tǒng)基礎上開發(fā)和編程就是應用模塊，從課程設置上來說，這部分的講授重點不應該在本門課 程上，但是這部分內(nèi)容卻是最貼近實際工作的內(nèi)容，也是學生比較感興趣的部分，具體講授到什么程度需要教師根據(jù)實際情況進行規(guī)劃。上述各部分的講授，教師應根據(jù)學生專業(yè)前導課程作適當調(diào)整，對比電子信息工程和物聯(lián)網(wǎng)工程兩個專業(yè)調(diào)整課程內(nèi)容，見表3。

針對不同專業(yè)相關前導課程的設置可以看出，電子信息類專業(yè)對電路部分比較偏重，學生對外圍電路結(jié)構、接口部分和底層編程基礎的掌握情況還不錯，但是對于系統(tǒng)架構、網(wǎng)絡結(jié)構以及系統(tǒng)編程則存在短板。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學生剛好相反，具備Linux 系統(tǒng)知識，也熟悉網(wǎng)絡協(xié)議等內(nèi)容，但是對電路基礎和信號處理則相對薄弱?；谶@種情況，在嵌入式系統(tǒng)課程中分別為兩個專業(yè)設置側(cè)重不同的講授模塊，見表 4。

開展嵌入式系統(tǒng)課程的教學，教師應當把握3方面：一是大的原則，即本門課程哪些內(nèi)容是應該講到和涉及的，因為各個學校教學大綱不一，也不可能一概而論；二是注意和各專業(yè)的前導課程設置結(jié)合，根據(jù)專業(yè)特點進行適當調(diào)控，這樣既節(jié)約課時，又能提高授課效率；三是和實用性以及市場需求結(jié)合，這一點也十分重要，嵌入式系統(tǒng)應用性強、發(fā)展迅猛且新技術和新方法層出不窮，如現(xiàn)在ARM架構以Cortex系列為主，而市面上教材大多還在介紹ARM9（并不是說ARM9不好，只是建議教師應該在上課的同時加入一些新的知識），還有如調(diào)試方法，以前嵌入式系統(tǒng)調(diào)試以仿真器為主，但是現(xiàn)在有很多其他方式調(diào)試代碼，雖然實驗課可能受到一定限制，不能全面演示，但是教師可以在授課時將相關方法告知學生，讓感興趣的學生自學。

采用模塊化的嵌入式系統(tǒng)課程教學方法有以下幾個優(yōu)點：

（1）各模塊相對獨立，除了一些聯(lián)系比較緊密的部分，對單一模塊進行修改或增減，不會對其他模塊的教學造成太大影響；

（2） 針對不同模塊內(nèi)容如匯編語言、系統(tǒng)移植、系統(tǒng)編程、Android 開發(fā)等，可以設置針對性較強的實驗，便于理清教學思路；

（3）有利于針對不同專業(yè)學生有的放矢地進行教學，避免通篇一律的講課方法，提高學生聽課的積極性。

4 結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)課程模塊化教學方法的總原則：針對不同專業(yè)和層次的學生進行教學，需要作適當調(diào)整，以避免在課程教學中由于涉及面過大，導致學生因?qū)I(yè)前導課程不足而聽不懂、學不會。采用模塊化教學基本流程如下：

（1）根據(jù)本學院或本校學生的專業(yè)情況和總體水平，將嵌入式系統(tǒng)課程劃分為幾個大的模塊，大的模塊下又可根據(jù)情況分為若干小的模塊；

（2）對于某一具體專業(yè)的教學，根據(jù)其前導課程和專業(yè)側(cè)重情況，對模塊進行取舍，挑選出需要介紹的模塊內(nèi)容；

（3）根據(jù)實際情況進一步將模塊中的內(nèi)容分為精講、詳細和介紹3個層次，同時作統(tǒng)籌調(diào)整，使講授內(nèi)容基本符合整體課時要求；

（4）在講授過程中，教師可以根據(jù)學生反饋作進一步微調(diào)。最終，通過2～3輪的課程教學，找出結(jié)合本校實際情況的具體授課和操作方法。總而言之，嵌入式系統(tǒng)是一門跨度大、交叉應用性強的學科，其課程無論是內(nèi)容設置還是講授難度都相對較大，但是如果教學方法得當，教學效果好，那么對于學生今后的就業(yè)會有相當大的幫助，這也符合本科應用型人才培養(yǎng)的基本思想和理念。

參考文獻：

[1] Regehr J.Why take an embedded systems course [J]. Embedded in Academia， 2010（6）： 195.

[2] 耿鵬. 嵌入式系統(tǒng)課程教學體系研究[J]. 江蘇科技信息， 2012（6）： 42-43.

[3] 劉光徽， 李耀， 章磊. 應用型嵌入式系統(tǒng)課程教學研究[J]. 中國科教創(chuàng)新導刊， 2010（19）： 30.

[4] 符意德. 嵌入式系統(tǒng)設計原理及應用[M]. 2 版. 北京： 清華大學出版社， 2010： 81.

[5] 弓雷. ARM 嵌入式 Linux 系統(tǒng)開發(fā)詳解[M]. 2 版. 北京： 清華大學出版社， 2014： 2-9.

[6] 施威銘. Android APP開發(fā)入門[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2016： 3-7.

（編輯：宋文婷）