韓　磊　黃　堅　曹欲曉

摘要:結合應用型本科院校實際,分析了嵌入式系統(tǒng)教學過程中的三大矛盾。從課程教學體系、實驗教學體系等方面探討了應用型高校的嵌入式系統(tǒng)教學模式、方法和手段。教學實踐表明:課程內容滲透,課堂抓基礎,課后抓實踐的教學經驗值得推廣。

關鍵詞:嵌入式系統(tǒng);教學模式;課程體系;實驗體系

中圖分類號:G424 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-4087-02

Method of Embedded System Teaching in Application-orientation Colleges

HAN Lei,HUANG Jian, CAO Yu-xiao

(School of Computer Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

Abstract: According to actual conditions of application-orientation colleges, this paper states three contradictions in embedded system teaching. From aspects of education, experiment and so on, the paper discusses some issues of embedded system education such as teaching pattern, method and means in application-orientation colleges. The conclusion is that scattering background knowledge, emphasizing basic in classroom, and doing experiments after class. Practice indicates that this teaching experience should be promoted.

Key words: embedded system; education; curriculum system; experimental system

1 引言

電子技術的進步,尤其是微型機的出現(xiàn),推動了科學研究的飛躍。隨著后PC時代的到來,嵌入式技術以其靈活、高效和性價比高等諸多優(yōu)勢,被廣泛應用于科學研究、工程設計、軍事技術、文藝及商業(yè)等領域,成為后PC時代信息技術發(fā)展的主力軍?，F(xiàn)在,嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產值已超過了1萬億美元,市場潛力大,就業(yè)機會多。

因此,很多高校、職業(yè)技術學院和培訓機構紛紛開展嵌入式系統(tǒng)的教學和培訓工作。然而,各教學單位的辦學理念、辦學條件、教師實力和學生水平良莠不齊,所以嵌入式系統(tǒng)教學模式也應該因地制宜、因材施教。本文針對應用型本科院校的實際情況和嵌入式系統(tǒng)的特點,提出嵌入式系統(tǒng)教學的若干思考,探討應用型高校嵌入式系統(tǒng)教學之路。通過課堂教學、課程設計、畢業(yè)設計等教學實踐環(huán)節(jié),取得了良好效果。

2 教學實踐中的矛盾

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可裁剪,適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。嵌入式系統(tǒng)的學習需要扎實的計算機基礎知識、持之以恒的鉆研精神、實踐鍛煉與方法歸納的能力。然而,在應用型本科院校的嵌入式系統(tǒng)教學過程中,存在基礎與目標、過程與結果等方面的矛盾,困擾著嵌入式系統(tǒng)教學。

2.1 知識需求與知識背景的矛盾

嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。螞蟻雖小五臟俱全,嵌入式系統(tǒng)本質上是一個專用計算機系統(tǒng),包括硬件、軟件和固件等方面的知識[2]。因此,學習嵌入式系統(tǒng)需要全面的基礎知識,例如:硬件方面,只了解處理器的寄存器、工作模式是不夠的,還應理解存儲器及存儲映射、尋址方式和調試接口,掌握具體處理器芯片的外圍設備、接口技術與硬件設計等等;軟件方面,單純了解操作系統(tǒng)的工作原理、體系結構、API調用和應用程序開發(fā)也是不夠的,開發(fā)者還要關注操作系統(tǒng)的移植和引導啟動、地址映射、驅動程序開發(fā)等復雜的細節(jié)問題。面對嵌入式系統(tǒng)龐大的知識體系,不同專業(yè)的學生往往因為背景知識匱乏而顯得力不從心。計算機科學與技術專業(yè)的學生由數(shù)據(jù)結構、編譯原理、操作系統(tǒng)等專業(yè)核心課程做支撐,學習嵌入式軟件開發(fā)的難度不是很大,但是對于硬件系統(tǒng)的比較、選擇、理解、分析和設計,感覺很吃力;而電子信息科學與技術專業(yè)的學生,情況卻相反,他們強于硬件分析設計,弱在嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)。這就形成了嵌入式系統(tǒng)的全面知識需求與學生背景知識不足之間的矛盾,該矛盾普遍存在于嵌入式系統(tǒng)教學過程中。

2.2 課程內容與課時量之間的矛盾

應用型本科院校和大多數(shù)高校一樣,采用了學分制教育模式。學分制的優(yōu)點自然很多,比如更加靈活、機動和高效等等,但是學分制也造成了大課時量課程的銳減。多數(shù)課程精兵簡政,以小學分形式,成為學分制教育模式下的瑞士軍刀,在學生喜好間游刃有余。在這種情況下,嵌入式系統(tǒng)課程自然也是小巧玲瓏,通常只有32學時或48學時;然而,嵌入式系統(tǒng)涉及的知識面非常廣泛,需要講解和實踐驗證的內容較多。這樣,就形成了龐大的課程內容和偏少的課時量之間的矛盾。

2.3 授之以魚和授之以漁的矛盾

近年來,我國大學生的就業(yè)問題越來越嚴重,已經引起社會各方面的廣泛關注。就業(yè)形勢由精英教育階段的賣方市場轉向當前的買方市場。用人單位紛紛提高任用標準,一方面:追求學歷層次,裝潢門面,造成人才高消費現(xiàn)象;另一方面:忽視人才再培養(yǎng),強調上崗即可獨當一面,奉行“拿來主義”。這種形勢對應用型本科院校的人才培養(yǎng)提出了更高要求,尤其對嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)發(fā)出新挑戰(zhàn)。在嵌入式系統(tǒng)教學過程中,選擇“從基本原理入手,循序漸進,舉一反三,使學生達到融會貫通,具備從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本素質和實踐技能”的授之以漁理念,還是走“直接瞄準用人單位的需求,只求實用,不求通達”的授之以魚之路,是擺在教育工作者面前的兩難問題,值得思考。

3 教學模式的改進

面對教學實踐中的矛盾,必須對嵌入式系統(tǒng)的教學模式進行一些改進。改進時,應堅持如下原則:對于不同專業(yè)的學生,嵌入式系統(tǒng)教學的側重點應該有所不同;將嵌入式系統(tǒng)的知識點分散于前期必修課中,充分運用課程設計、畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)夯實基礎知識積累、掌握實用先進技術。

3.1 將知識點分散于先修課程中

國內部分院校開設了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向,主要課程設置大體相同,以ARM體系架構和實時操作系統(tǒng)為切入點,設置了由嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程、前驅課程、后續(xù)課程組成的課程組[3-4]。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程包括:嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)、嵌入式處理器體系結構與應用、嵌入式系統(tǒng)編程語言、嵌入式實時操作系統(tǒng)原理與設計等;前驅課程包括:C語言程序設計、數(shù)模電子技術基礎、數(shù)據(jù)結構、匯編語言、計算機接口技術、單片機原理與應用、工業(yè)過程控制;后續(xù)課程包括:嵌入式軟件工程學、常用電路芯片介紹、EDA設計、UML在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應用。

很多應用型本科院校的嵌入式系統(tǒng)不是獨立的專業(yè)方向,只是通過少量幾門課程對嵌入式系統(tǒng)做概括性介紹。這種情況下,必須將繁重的嵌入式系統(tǒng)教學內容,滲透到其它相關課程教學中,比如:在C語言程序設計中,加入強化對位尋址、位運算的內容;在計算機原理課程中,加入對I2C、SPI總線以及USB的原理與應用等內容;在算法設計課程中,加入對低功耗計算的介紹;在數(shù)據(jù)結構課程中,提高學生對算法時間復雜度和空間復雜度的分析能力;在操作系統(tǒng)課程中,強化實時調度的內容并要求學生掌握簡單的實時調度算法;在軟件工程中,增強學生對系統(tǒng)軟件可靠性、經濟性的理解。這樣,通過課程滲透,大大降低了理論教學中原理性問題的教學壓力,使內容的安排可以向應用傾斜,真正建立起符合應用需求的嵌入式系統(tǒng)教學體系。同時,在講授嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程時,要根據(jù)不同專業(yè),把握不同的側重點,比如:計算機專業(yè)的學生應補充電路設計方面的能力,強化軟件開發(fā)能力;電子信息專業(yè)的學生應補充嵌入式軟件開發(fā)能力,強化硬件電路設計能力。最終,將學生培養(yǎng)成“既通又?！钡南到y(tǒng)開發(fā)人才。

3.2 將難點分散于多層次實驗教學中

教學實驗與理論學習是相輔相成、相互促進的。教學實驗必須和理論學習相結合起來,不能脫節(jié),才能使學生做到“學以致用”。課堂上通過老師的講解學生可以掌握嵌入式系統(tǒng)基本概念、ARM 體系結構、驅動程序的開發(fā)、應用程序的開發(fā)、調試技術等原理。在實驗中,學生通過實踐可以深入理解嵌入式微處理器、建立嵌入式開發(fā)環(huán)境、掌握各種接口技術等基礎知識,另外,實踐環(huán)節(jié)還應該激發(fā)學生向難點技術進軍,努力學習新技術的熱情。

因此,實驗教學體系的建立,應堅持循序漸進的原則,根據(jù)教學內容精選實驗,分層次設計實驗內容[5]。比如:將實驗劃分為:驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗等。

驗證性實驗采用理論授課與動手實驗相結合的方式,讓學生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程,掌握實驗開發(fā)工具的使用方法,熟悉軟件編程環(huán)境,根據(jù)實驗指導書的內容進行實驗的調試,讀懂實驗源程序和程序的運行過程,并能進行修改、組合和補充應用編程。

綜合性實驗是在驗證性實驗的基礎上,綜合整個課程的知識,盡可能多地利用實驗系統(tǒng)上的資源,構造一個具有實際意義的嵌入式應用系統(tǒng),即做一個較為復雜的綜合實驗。

設計性實驗的目的是使學生能夠更深入的掌握嵌入式系統(tǒng)的理論知識,并有更多的實踐機會進行綜合課題的設計,從而培養(yǎng)學生的科研能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

在實驗教學過程中,要充分調動學生的學習積極性,培養(yǎng)開發(fā)興趣,充分利用課余時間進行嵌入式系統(tǒng)學習,可以采用一些仿真軟件克服實驗條件的限制,比如采用Skyeye等軟件虛擬嵌入式系統(tǒng)平臺,進行開發(fā)研究。另外,還要充分利用課程設計和畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié),鍛造企業(yè)需要的合格人才。

4 教學效果

在教學過程中,作者堅持循序漸進的教學策略。從51系列單片機入手,著重對比介紹ARM7體系結構、ARM流水線、處理器狀態(tài)、處理器模式、內部寄存器以及存儲映射等。以uC/OS-II作為重點研究嵌入式操作系統(tǒng)[6]。通過課堂教學,使學生掌握了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本原理、基本工具、基本方法、基本技能。在課程設計階段,一些同學通過自學可以在嵌入式Linux下做簡單應用開發(fā)、一些同學能夠根據(jù)具體需求,針對具體ARM芯片擴展外圍電路,設計電路圖。畢業(yè)設計從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的同學,能夠在較短的時間內理解復雜的嵌入式系統(tǒng)案例,并結合具體應用深入細節(jié)、仔細剖析,基本達到用人單位的雇用要求。

事實證明,利用有限的課堂時間理清思路、抓住基本核心技術、激發(fā)學習興趣,發(fā)揮課余時間、課程設計、畢業(yè)設計等大塊時間鞏固理論、鍛煉技能、學以致用、不斷提高的循序漸進式教學模式是卓有成效的。

5 結語

嵌入式系統(tǒng)還沒有成熟的模式去遵循,教學之路很容易被五彩繽紛的嵌入式產品所迷惑,然而,課堂就是課堂,授之以漁的理念不能變,任何事物都在變化,但不乏規(guī)律存在,不乏瞬間的永恒,Intel的51體系結構經過了二十多年的風雨洗禮后,仍然占有相當大的市場份額就是一個例證,當前風靡的ARM體系結構也必將擁有相當長的技術生命,課堂應該抓住這些本質的東西,用最短的時間做最有效的事情。當然,應用型本科院?！皩W以致用”的理念也不能變,嵌入式系統(tǒng)的教學必須合理利用相關的課堂時間、課余時間、課程設計、畢業(yè)設計等等教學環(huán)節(jié),堅持“課程內容滲透,課堂抓基礎、課后抓實踐”的教學路線,打造出企業(yè)所需的合格人才。

參考文獻:

[1] 何立民.嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史[M].北京: 北京航空航天大學,2005.

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[6] 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)-基于ARM微處理器與uC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)[M].北京:清華大學出版社,2008.