嵌入式系統(tǒng)實驗教學方法改革研究

喻劍

（同濟大學電子與信息工程學院實驗中心，上海 201804）

0 引言

2018年10月教育部、業(yè)和信息化部、中國工程院聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》[1]，意見要求高等學校面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，加快培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才。要求培養(yǎng)學生對產(chǎn)品和系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計、建造、運行和服務(wù)能力。嵌入式系統(tǒng)是信息、控制學科大學生培養(yǎng)的一門重要課程，也是教學改革的重要實踐課程之一。從《意見》所提出的要求來看，現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)實驗教學還存在著一些問題。

1 嵌入式系統(tǒng)教學存在的問題

1.1 對實驗重視程度不夠，考核方式單一

雖然教育部號召國內(nèi)高校加強對實驗室的管理，但實驗室建設(shè)規(guī)劃、資源配置、實驗教學改革等工作相對滯后，使得實驗教學仍處于理論教學的附屬地位。同時由于學分的限制，長期以來實驗教學被設(shè)為課內(nèi)實驗而不是單獨的一門課程。從理論課中分出一些課時進行實驗，造成實驗課時很少，內(nèi)容又多是驗證性的實驗，學生實驗的時間很緊，沒有太多的時間進行思考。而對于嵌入式課程來說，重視課外實踐活動及動手能力的培養(yǎng)尤為重要[2]。

實驗考核方法單一也影響實驗教學效果。實驗教學學分低且沒有獨立的考核體系，一般只能通過平時操作和實驗報告來評定學生的成績。這種考核無法客觀全面地評價學生對嵌入式系統(tǒng)的學習情況，驗證性的實驗也無法發(fā)揮學生的創(chuàng)新性。以上的因素在客觀上造成學生對實驗不重視，也影響了學生的實驗積極性、主動性。

1.2 實驗教學模式固化，學生參與度不高

傳統(tǒng)的實驗教學方式中，驗證性的實驗占了大部分內(nèi)容。教師事先設(shè)計好實驗的內(nèi)容，調(diào)試好硬件與代碼，在上課的時候先講解實驗的原理、代碼結(jié)構(gòu)、實驗操作步驟，甚至進行相關(guān)演示，然后學生逐步還原老師的實驗步驟[3-4]。一般來說對于這種驗證性的實驗，學生實驗過程一般比較順利，很容易完成，因此也造成部分學生不重視動手參與。

1.3 教學設(shè)備專用，利用率低

嵌入式系統(tǒng)實驗教學一般使用實驗箱或?qū)Ｓ瞄_發(fā)板。一方面實驗箱價格比較貴，因此更新周期長[5-6]，有的甚至一套實驗箱使用10多年。而嵌入式系統(tǒng)的軟硬件更新非常迅速，新的芯片、新的系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn)，客觀上造成實驗教學的內(nèi)容陳舊且與工程應(yīng)用相脫節(jié)。學生學完嵌入式系統(tǒng)后，參加實際工作還需要較長時間的學習。另一方面，專用的實驗箱在完成實驗教學以后就只能放在架子上，設(shè)備利用率低。而大學生創(chuàng)新項目、各種比賽等需要嵌入式系統(tǒng)的場合，卻需要重新購買類似的設(shè)備，造成資源浪費。

2 嵌入式系統(tǒng)實驗教改探索

2.1 增加實驗課時比重，改進考核方式

嵌入式系統(tǒng)是一門與實踐聯(lián)系非常緊密的課程，許多內(nèi)容只有通過實踐才能有深刻的認識，學生認真做好一個實驗所能學到的東西甚至多于理論的教學。為此，將嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實驗獨立出來，成立一門獨立的實驗課。一方面將課時數(shù)從課內(nèi)12學時調(diào)整為單獨17學時，另一方面實驗內(nèi)容上不再束縛于理論課的內(nèi)容，不再只是對理論內(nèi)容的簡單驗證。

在評價方式方面，我們實行了更加靈活、全面的實驗評價體系。由于在部分實驗內(nèi)容里增加了設(shè)計的要求，因此需要學生在課前進行預(yù)習和實驗代碼準備，如果沒有進行預(yù)先準備那么實驗就很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成。新的考核方式不只是考核學生的出勤、課堂上聽課的表現(xiàn)，還融入了課前準備、實驗動手能力、實驗報告等內(nèi)容，因此評價更全面。

2.2 分階段安排不同類型的實驗，提高學生參與度

按照培養(yǎng)卓越工程科技人才的要求，著力培養(yǎng)學生的工程設(shè)計能力，同時加強創(chuàng)新能力。為此，以17個學時（Arm Cortex M3）嵌入式系統(tǒng)實驗教學為例，將整個教學實驗課程分為驗證實驗、模塊設(shè)計實驗和綜合應(yīng)用實驗三個層次。從易到難形成逐層遞進的教學實驗體系。如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)實驗教學內(nèi)容

驗證實驗主要是讓學生熟悉開發(fā)環(huán)境，學習軟硬件使用方法，了解基本的編程與調(diào)試過程。學生要求掌處理器芯片的基本特點、最小電路結(jié)構(gòu)、了解硬件環(huán)境的連接。掌握開發(fā)軟件環(huán)境的配置、工程的創(chuàng)建、項目文檔管理、程序的調(diào)試方法（斷點、存儲器察看、變量的跟蹤、程序全速運行、跟蹤運行、單步運行、片內(nèi)外設(shè)的觀察與修改等）。

模塊設(shè)計實驗培養(yǎng)學生將一兩個外部設(shè)備結(jié)合起來，實現(xiàn)一個稍復(fù)雜功能的能力。這些實驗一方面要求學生掌握單個外部設(shè)備的使用方法。比如利用定時器輸出PWM實現(xiàn)功率控制、通過ADC獲取外部設(shè)備狀態(tài)、使用SPI實現(xiàn)用無線射頻模塊通信、通過Uart連接上位機，利用Labview實現(xiàn)上位機對設(shè)備狀態(tài)的控制等。另一方面還要求學生能將多個外設(shè)模塊結(jié)合起來完成一個完整的功能。比如通過ADC獲取可調(diào)電阻的阻值，根據(jù)電阻值相應(yīng)的調(diào)整WM模塊輸出占空比達到調(diào)光的效果；或者使用外部中斷獲取用戶按鍵信息，根據(jù)按鍵的不同特征通過無線模塊發(fā)射不同的數(shù)值，模擬發(fā)報機等功能。在這些實驗中，學生需要思考將多個功能結(jié)合起來的辦法，涉及參數(shù)傳遞，數(shù)值計算等內(nèi)容。

綜合設(shè)計型實驗要求學生能使用實時操作系統(tǒng)完成一個復(fù)雜的工程設(shè)計，所考驗的除了各模塊的使用以外，還需要考慮各功能模塊之間搭接的時序關(guān)系，各線程之間的消息傳遞、數(shù)據(jù)交換、線程間的同步等。通過綜合設(shè)計實驗，學生對于嵌入式系統(tǒng)將會有更深刻的認識。

2.3 開發(fā)可靈活配置的模塊化教具，搭建開放實驗平臺、提高設(shè)備利用率

針對實驗使用的開發(fā)箱利用率低等問題，設(shè)計并開發(fā)了模塊化的教具。在硬件平臺上不再采用一塊開發(fā)板的形式，對板上的各功能模塊采取“模塊化分立，按需連接”的原則，一個模塊就是一個具有標準接口的小板子，在使用的時候根據(jù)需要選擇不同的模塊，連接成一個完整的應(yīng)用硬件。為了充分考慮擴展與連接的便捷性，各模塊使用通用板間連接端子進行連接，學生可按需進行拼裝并且功能管腳可選。為保證各模塊與主控芯片間在長時間使用后還可以保證可靠連接，各模塊與主控板連接使用標準排線代替杜邦線，在外圍模塊上，根據(jù)模塊的連線特點，將接口定義為電源與信號兩類，電源統(tǒng)一使用同一個標準接口，信號接口也標準化為2P、4P、6P等幾個有限規(guī)格。為方便模塊的固定，防止一堆模塊雜亂擺放引起故障，所有模塊使用磁柱夾住固定在底板上。這樣既保證了擴展的靈活性，也保證了實驗的便捷性。硬件的可擴展性設(shè)計使得教具不但能支持嵌入式實驗教學，同時也能支持創(chuàng)新項目等應(yīng)用，只要配置不同的模塊就可以實現(xiàn)對不用應(yīng)用的支持。搭建開放實驗平臺，使模塊化的教具既可以用于教學也可以用于其它項目，提高了設(shè)備的利用率。同時由于模塊的價格便宜，易于更新。更換一個新的處理器系列，只需要更新處理器模塊就可以完成，因此可以很容易與業(yè)界的發(fā)展保持同步。

3 教改實踐

從 2019年起在本校的電科專業(yè)進行了試點性實驗教改，從教改的效果上來看比較明顯。首先優(yōu)化和整合了實驗教學內(nèi)容，形成了從驗證實驗到綜合性設(shè)計逐步深入的多層次實驗教學體系。在各個不同的層次，關(guān)注的重點有所不同。教學實驗內(nèi)容的調(diào)整，進一步明確了學生培養(yǎng)目標，也極大的提高了學生的學習積極性。從學生的出勤率和實驗的參與程度來看，經(jīng)過教學改革，學生對嵌入式實驗課程的重視程度有了很顯著的提升，對嵌入式系統(tǒng)的實驗也產(chǎn)生了較濃厚的興趣，設(shè)計能力、動手能、創(chuàng)新能力都得到了提高。另一方面，所開發(fā)的模塊化教具，在嵌入式系統(tǒng)、模塊化電子設(shè)計等課程中可以打通使用，同時也支持了大學生創(chuàng)新項目，極大的提高了設(shè)備的利用率。

4 結(jié)語

對大學生綜合運用知識和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的迫切需要。通過教學改革，理清了實驗教學的發(fā)展思路；增加實驗教學的比重，促進了學生對嵌入式系統(tǒng)的學習。合理調(diào)整教學內(nèi)容，形成多層遞進的實驗體系，培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新能力。教學實踐證明，提高了嵌入式實驗教學的教學質(zhì)量。另外通過自研模塊化教學用具，提高了教具的利用率，同時使教具更新更容易，以跟上技術(shù)的快速發(fā)展，更符合新的學生培養(yǎng)要求。