電子信息專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革模式

付建梅,任國(guó)鳳,鄧雅媛

（1．忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州034000；2．太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

0 引 言

為適應(yīng)市場(chǎng)需求與時(shí)代發(fā)展,國(guó)內(nèi)外海量互聯(lián)網(wǎng)公司急需科研開(kāi)發(fā)人員,因此高校電子專業(yè)均開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。然而,由于傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式、課程體系以及嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn),嵌入式系統(tǒng)課程[1]存在較多問(wèn)題,無(wú)法達(dá)到預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo),對(duì)單片機(jī)、EDA、微機(jī)原理等相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)性和區(qū)分度不明確,內(nèi)容多且雜亂,導(dǎo)致本科畢業(yè)生科研能力不足、創(chuàng)新性較弱,部分學(xué)生畢業(yè)后選擇再培訓(xùn)的方式以提升嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。因此,電子類嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)由“傳統(tǒng)”向“創(chuàng)新實(shí)踐”的改革模式勢(shì)在必行[2]。

1 傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)分析

目前,高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)存在明顯不足,傳統(tǒng)教學(xué)的弊端主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)置不完善

嵌入式系統(tǒng)是一門具有實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)、入門難、知識(shí)點(diǎn)分散、理論課抽象等特點(diǎn)的課程,傳統(tǒng)教學(xué)均以理論課教學(xué)為主、實(shí)踐課為輔。理論課的學(xué)時(shí)數(shù)在50課時(shí)左右,而實(shí)踐課的課時(shí)在10課時(shí)左右。在理論課教學(xué)中,教師偏向“照本宣科”,按照教材的編排,從嵌入式的發(fā)展、硬件結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等幾方面?zhèn)魇谥R(shí),學(xué)生學(xué)習(xí)非?？菰?無(wú)法與已學(xué)課程銜接,期末考核也幾乎從概念著手。實(shí)踐課的教學(xué)與理論課嚴(yán)重脫節(jié),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室無(wú)法將上課所學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融會(huì)貫通,嚴(yán)重影響學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的提高。

1.2 教師相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)缺乏

科技飛速發(fā)展,電子類產(chǎn)品更新速度飛快,嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)集成了多門學(xué)科,該課程對(duì)相關(guān)教師的研發(fā)設(shè)計(jì)能力與經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。然而,高校的專業(yè)教師缺乏企業(yè)項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn),實(shí)踐課主要以A/D、LCD、數(shù)碼管、鍵盤等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,因此,學(xué)生對(duì)課程延續(xù)、對(duì)市場(chǎng)電子產(chǎn)品研發(fā)的理解缺乏[3]。

2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革方案

針對(duì)當(dāng)前高等教育嵌入式系統(tǒng)課程的諸多不足,筆者對(duì)課程特點(diǎn)、人才培養(yǎng)目標(biāo)、科技市場(chǎng)的實(shí)時(shí)發(fā)展需求進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查與研究,在學(xué)生先修C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、單片機(jī)、DSP等專業(yè)課基礎(chǔ)上,構(gòu)建出嵌入式系統(tǒng)課程創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)改革方案(如圖1所示)。

2.1 課前調(diào)研

圖1 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革方案

嵌入式系統(tǒng)課程與C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、單片機(jī)、DSP、微機(jī)原理、EDA等課程之間存在緊密的關(guān)聯(lián),以上課程均與電子產(chǎn)品行業(yè)的技術(shù)密切相關(guān)。為避免與當(dāng)下科學(xué)技術(shù)脫節(jié),該課程教學(xué)設(shè)計(jì)需要不斷進(jìn)行修改。課前調(diào)研分為學(xué)生調(diào)研和教師調(diào)研:學(xué)生調(diào)研包含對(duì)專業(yè)的認(rèn)知、嵌入式系統(tǒng)課程在時(shí)下科技中的發(fā)展現(xiàn)狀和以往相關(guān)課程的掌握程度;教師調(diào)研涵蓋市場(chǎng)電子產(chǎn)品的技術(shù)分析、對(duì)其他關(guān)聯(lián)課程的了解程度、根據(jù)“校企聯(lián)合”“產(chǎn)學(xué)合作”等政策深入企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目聯(lián)合研發(fā)的能力,以及進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)合培訓(xùn)和技能培訓(xùn)。在以上兩方面的調(diào)研基礎(chǔ)上,筆者對(duì)教學(xué)大綱以及教學(xué)內(nèi)容再設(shè)計(jì),以便提高嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)效率與質(zhì)量[4]。

2.2 首課引導(dǎo)

嵌入式系統(tǒng)入門較難,很多學(xué)生在第一節(jié)課便云里霧里,無(wú)法了解該課程的重要性與應(yīng)用性,從而在之后的學(xué)習(xí)中失去興趣,以致放棄了該門課程。一節(jié)恰到好處和形式活潑的首課,往往能迅速調(diào)節(jié)學(xué)生情緒,引導(dǎo)學(xué)生漸入佳境,激起后續(xù)學(xué)習(xí)熱情,收到意想不到的效果?；诖?首課通過(guò)實(shí)物的展示引導(dǎo),筆者展示了ADS.1.2開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建過(guò)程,并在超級(jí)終端顯示想要的文字內(nèi)容,還展示了筆者設(shè)計(jì)制作的實(shí)物“基于嵌入式的音頻錄放系統(tǒng)”,并給學(xué)生分發(fā)該設(shè)計(jì)所使用的S3C2410芯片以及控制電路、系統(tǒng)軟件程序流程圖和使用說(shuō)明等相關(guān)資料。給學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)演示,介紹系統(tǒng)I/O接口單元、串口模塊以及語(yǔ)音處理單元的原理(如圖2所示),通過(guò)實(shí)物的引導(dǎo)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的表層認(rèn)識(shí),使他們對(duì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生濃厚興趣,筆者進(jìn)而將該專業(yè)與畢業(yè)后市場(chǎng)的需求進(jìn)行分析,使學(xué)生建立自己畢業(yè)后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。

圖2 語(yǔ)音處理單元原理框

2.3 項(xiàng)目模塊化教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力,因此該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞兩大塊內(nèi)容:基于ARM系統(tǒng)資料模塊和基于Linux操作系統(tǒng)模塊。

基于ARM系統(tǒng)資料模塊的教學(xué)將理論課與實(shí)踐課相結(jié)合進(jìn)行,分為嵌入式硬件系統(tǒng)、基于ADS1.2開(kāi)發(fā)環(huán)境下基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、基本指令的編譯調(diào)試等3個(gè)項(xiàng)目模塊:第一項(xiàng)目模塊以理論課授課為主;第二項(xiàng)目模塊結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)(ARM的I/O接口、中斷、DMA、UART、A/D、鍵盤、數(shù)碼管、LCD),深入細(xì)化第一模塊的內(nèi)容;第三項(xiàng)目模塊側(cè)重指令的編寫技巧,如在ADS1.2的CodeWarriorIDE中,把源程序編譯、鏈接生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行映像文件后,在AXD debugger 中裝載映像文件到目標(biāo)內(nèi)存,全速執(zhí)行,同時(shí),可以在CPU窗口中直觀觀測(cè)到每條指令的地址、機(jī)器碼和源代碼,從而了解各條指令占用的空間大小。通過(guò)單步執(zhí)行,在寄存器窗口可以觀測(cè)各寄存器值的變化。

基于Linux操作系統(tǒng)模塊的教學(xué)將理論課與實(shí)踐課相結(jié)合進(jìn)行,避免了理論課和實(shí)踐課的脫節(jié)。該模塊分為嵌入式操作系統(tǒng)(以內(nèi)核為主)、Linux操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建、基于Linux操作系統(tǒng)基本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)(包含BootLoader、移植、內(nèi)核、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序)等3個(gè)項(xiàng)目模塊?；贚inux操作系統(tǒng)模塊與基于ARM系統(tǒng)資料模塊的可對(duì)比學(xué)習(xí),學(xué)生從而掌握單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。

2.4 課程考核

嵌入式系統(tǒng)的考核不能局限于書面閉卷的考試,本課程在實(shí)際教學(xué)改革的課程考核中,從理論課考核和實(shí)踐課考核兩方面入手,采用多環(huán)節(jié)綜合評(píng)價(jià)的模式。理論課考核嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)的基本概念和基本項(xiàng)目的代碼設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐課考核分為上機(jī)考核和報(bào)告寫作。

理論課考核采用開(kāi)卷形式,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)生進(jìn)行書面作答,占總成績(jī)的60%,從兩個(gè)角度進(jìn)行考核:①該課程與單片機(jī)、EDA、DSP等相關(guān)課程的認(rèn)識(shí);②設(shè)計(jì)項(xiàng)目模塊的能力。

實(shí)踐課考核的上機(jī)考核占總成績(jī)的20%,在本課程所有實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后,每位學(xué)生隨機(jī)抽取試題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)、調(diào)試,教師根據(jù)學(xué)生完成的速度和質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分,該過(guò)程考核學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和編程邏輯思維能力。在上機(jī)考核結(jié)束后,將該設(shè)計(jì)題目以報(bào)告的形成完成總結(jié),占總成績(jī)的20%,該過(guò)程考核學(xué)生撰寫報(bào)告和論文的能力,為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)課程本身具有應(yīng)用性、實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn),課程學(xué)習(xí)難度較大,為培養(yǎng)具備嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力的人才,從課前調(diào)研、首課引導(dǎo)、項(xiàng)目模塊化教學(xué)和課程考核等4個(gè)方面創(chuàng)新電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)的改革模式,該模式的教學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了兩年度4輪的循環(huán)教學(xué)。在實(shí)際教學(xué)改革中,運(yùn)用該策略激發(fā)了學(xué)生對(duì)電子探索和開(kāi)發(fā)的積極性,提高了學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的研發(fā)能力,提升了學(xué)生解決分析問(wèn)題的能力。部分學(xué)生在畢業(yè)論文中能高效地進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容設(shè)計(jì),為畢業(yè)后進(jìn)行技術(shù)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。然而,隨著科技的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法還需要與之齊頭并進(jìn),并且需要時(shí)間的進(jìn)一步驗(yàn)證。因此,嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)改革需要不斷地探索和研究。

[1]王博, 嵇小輔, 賈好來(lái).“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 37(3): 18-23.

[2]施文娟. 電子信息工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的探索[J]. 林區(qū)教學(xué), 2011(7): 89-90.

[3]張開(kāi)玉, 盧迪, 周美蘭, 等. 基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐[C]//黑龍江省高等教育學(xué)會(huì). 提升高等學(xué)校教育質(zhì)量的實(shí)證研究（上冊(cè)）. 哈爾濱: 黑龍江教育出版社, 2016: 167-170.

[4]江維, 桑楠. 面向高等教育的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2011(16): 33-36.