摘要：結(jié)合河南工業(yè)大學面向電氣信息類專業(yè)開設嵌入式系統(tǒng)課程的教學實踐，從課程體系組織與實驗室建設、教學方法和手段的改革、建立開放實驗環(huán)境、靈活多樣的考核方式等方面，介紹嵌入式系統(tǒng)精品課程建設的思路。實踐表明，嵌入式系統(tǒng)課程提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，是培養(yǎng)嵌入式開發(fā)人才的有效途徑。
　　關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學改革；實踐教學體系；開放實驗室
　　
　　嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心、以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適應應用系統(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]。嵌入式技術融合了先進的計算機軟硬件技術、集成電路技術、通訊技術和半導體微電子技術，是一門涉及多領域知識點相互交叉的綜合性新興學科。近年來，嵌入式軟硬件技術的雙螺旋交替快速發(fā)展趨勢掀起了嵌入式系統(tǒng)的應用熱潮，使嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機。嵌入式技術已經(jīng)廣泛應用于通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制、信息家電、軍事應用、機器人等領域。風靡全球的iPhone 4手機即是一款典型的使用ARM Cortex-A9嵌入式處理器的消費電子產(chǎn)品。
　　我國的嵌入式應用市場具有廣闊的發(fā)展前景，需要大量的嵌入式開發(fā)人才。如何培養(yǎng)具有扎實基礎知識的高質(zhì)量嵌入式開發(fā)人才已經(jīng)成為各高校相關專業(yè)面臨的重要課題。2002年，教育部發(fā)起首屆英特爾杯大學生電子設計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽，業(yè)內(nèi)著名廠商，如微軟、飛思卡爾、意法半導體等公司也于近年設立了全國大學生嵌入式設計大賽[2]。以此為契機和導向，圍繞河南工業(yè)大學培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應用型人才”的目標定位，筆者所在的實驗室從2007年開始面向全校自動化、電氣工程及自動化等電氣信息類相關專業(yè)開設了“嵌入式系統(tǒng)”專業(yè)任選課程。
　　本文以近幾年來我校建設嵌入式系統(tǒng)多媒體(網(wǎng)絡)課程為目標的教學改革與實踐為基礎，介紹在嵌入式系統(tǒng)課程體系組織、課程體系建設與實驗內(nèi)容設置、創(chuàng)新教學方法與手段、建立開放實驗環(huán)境以及采用多種靈活有效的考核方式與評價辦法等方面的研究探索與實踐體會，以此促進嵌入式系統(tǒng)教學改革，適應社會對嵌入式人才不斷增長的需求。
　　1嵌入式系統(tǒng)課程體系組織與實驗室建設
　　對課程體系進行精心、科學的組織和建設是保證課程教學質(zhì)量的關鍵。嵌入式系統(tǒng)課程主要介紹嵌入式系統(tǒng)的設計原理及方法，具體包括嵌入式系統(tǒng)的組成與基本概念、嵌入式系統(tǒng)的硬件基礎、嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪及移植、嵌入式開發(fā)環(huán)境的創(chuàng)建、嵌入式底層軟件的開發(fā)與調(diào)試等內(nèi)容。通過該課程的學習可使學生了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與應用、熟悉嵌入式操作系統(tǒng)的原理，掌握嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設計的基本方法，實踐嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)基本流程，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、解決嵌入式系統(tǒng)具體應用問題的實踐動手能力。
　　 “嵌入式系統(tǒng)”課程的授課對象主要是我校自動化、電氣工程及自動化等電氣信息類相關專業(yè)本科生。電氣信息類學生開課時已經(jīng)基本掌握了本專業(yè)的數(shù)字電路設計、計算機組成原理、軟件技術基礎、單片機原理及應用、微控制器原理等基礎課和專業(yè)課，具備了嵌入式開發(fā)的相關基礎知識，而嵌入式系統(tǒng)課程是本科生前三年專業(yè)基礎知識的綜合與延伸。根據(jù)學習側(cè)重點的不同，可以把該課程分為嵌入式體系結(jié)構、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)應用三個方向，其體系結(jié)構如圖1所示。在具體授課時需要注意針對不同授課對象因材施教，各方向有所側(cè)重。
　　在嵌入式實驗平臺的選擇上，應著重考慮嵌入式CPU的體系結(jié)構、實驗平臺的可擴展性、對多操作系統(tǒng)的支持、是否可滿足軟硬件實驗的需要、實驗文檔資料是否齊全等幾個方面。實驗室建設初期有多家嵌入式實驗設備廠商可供選擇，如合肥華恒、北京博創(chuàng)、深圳英蓓特、周立功、優(yōu)龍等。在對各實驗平臺的性能進行綜合比較與考察之后，我們實驗室選擇了UP-NETARM2410-S實驗平臺。該平臺使用基于ARM 920T內(nèi)核的SAMSUNG S3C2410處理器，帶有LCD、觸摸屏、USB接口、網(wǎng)絡接口、CAN總線接口、A/D轉(zhuǎn)換接口等資源，并且可以外接FPGA、GPS/GPRS、藍牙、攝像頭等模塊，可支持Linux、μCOS-II、WindowsCE多種操作系統(tǒng)，提供了豐富的軟硬件資源并且留有可復用資源的擴展插槽，方便以后的二次開發(fā)與擴展。
　　2充分利用網(wǎng)絡教學，實現(xiàn)教與學的互動
　　課堂教學是學生獲得嵌入式系統(tǒng)基礎理論知識的主要途徑。隨著高校招生規(guī)模的擴大，選課班級和人數(shù)急劇增加。受嵌入式系統(tǒng)教學大綱規(guī)定的學時、實驗室的開放時間以及設備資源的限制，嵌入式課內(nèi)教學和實驗任務比較緊張。筆者所在的教學團隊以申報校級多媒體(網(wǎng)絡)課程建設項目為契機，充分利用高校的網(wǎng)絡平臺，為學生提供基于Web的課程教學大綱、教案、網(wǎng)絡課件、實驗指導書、習題等資源。學生在課外可以利用網(wǎng)絡與指導老師實時交流，及時解決學習過程中遇到的各種疑問，有效解決了課堂學時不足的難題，擴大了學生的學習空間。
　　實驗教學環(huán)節(jié)是嵌入式系統(tǒng)教學的重要組成部分，有助于學生加深對理論知識的理解，鍛煉實踐動手能力和實驗技能[3]。嵌入式系統(tǒng)課程的實驗內(nèi)容以軟件項目為主，每次實驗前有大量的軟件資料、代碼需要與學生共享。此外，嵌入式系統(tǒng)軟件類實驗步驟多、難度大、耗時長，傳統(tǒng)實驗教學過程中教師承擔著大量與學生面對面的指導工作，實驗具體操作時學生還是可能出現(xiàn)各種問題甚至是低級錯誤，實驗教學效果不佳。
　　針對上述問題，經(jīng)過多次教學試驗后，我們利用實驗室現(xiàn)有的電腦、局域網(wǎng)設備和“電子教室”多媒體教學軟件平臺，實現(xiàn)教師機對學生機的操作演示、文件傳輸、資源共享、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、語音教學等操作。例如在做“熟悉Linux開發(fā)環(huán)境”驗證性實驗的時候，指導教師在教師機上進行上位機編程、編寫Makefile文件、交叉編譯、下載調(diào)試等演示操作，通過數(shù)字化網(wǎng)絡使用“電子教室”軟件的“屏幕廣播”功能，即可實現(xiàn)教師實驗全程的可視化，學生坐在多臺學生機前即可了解教師實驗過程的每一個細節(jié)。當教師演示完畢后將實驗所需軟件資料通過“文件分發(fā)”功能從教師機傳送到多臺學生機，學生馬上可以使用學生機配合UP-NETARM2410-S實驗平臺進行實驗驗證。學生在實驗過程中若遇到問題可隨時通過局域網(wǎng)的“電子教室”軟件“電子舉手”，方便教師及時解答。近年來的實驗教學實踐證明，與傳統(tǒng)實驗教學方法相比，利用“電子教室”多媒體教學網(wǎng)絡平臺輔助實驗教學的方式改善了以往因?qū)W生人數(shù)多、教師無法演示實驗操作細節(jié)導致實驗效果不佳的缺點，增強了師生互動，有效提高了嵌入式系統(tǒng)的實驗效率。
　　3改革實踐環(huán)節(jié)，建立開放式實驗環(huán)境
　　為學生提供良好的實踐學習條件是嵌入式系統(tǒng)課程教學改革的重要組成部分[4]。受制于教學大綱的課時限制，嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實驗學時僅能滿足該課程教學目標的基本要求，無法滿足學生進行綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗的需要。要激發(fā)學生的主觀能動性、滿足學有余力的同學的個性化實驗需求，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐動手能力，實驗室不能僅僅局限于滿足課內(nèi)實驗的水平上，必須以學生為本，建立開放式實驗環(huán)境。開放實驗是對教學計劃內(nèi)實驗的延續(xù)和提高。在保證完成嵌入式系統(tǒng)課程正常實驗教學任務的前提下，嵌入式實驗室本著“面向全體、因材施教、形式多樣、講究實效”的原則，面向全體選課學生實施開放。
　　為保證取得較好的開放實驗效果，積極穩(wěn)妥地推進實驗室開放，在總結(jié)歷次開放實驗教學實踐經(jīng)驗的基礎上，嵌入式系統(tǒng)實驗室已經(jīng)形成了完善的開放實驗室管理制度。實驗前認真遴選實驗項目，做好實驗方案的準備工作；在開放實驗過程中強調(diào)學生的主體地位，發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)他們扎實的實驗技能與嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度。同時注意加強開放實驗質(zhì)量監(jiān)控，對研究過程中出現(xiàn)的疑難問題給予及時適量的指導。
　　
　　開放實驗項目的選擇主要包括三種類型的題目：一類是自選綜合性、設計性嵌入式開放實驗。學生在實驗前預先設計實驗方案，經(jīng)指導教師審查方案的可行性和經(jīng)濟性之后完成具體實驗方案的構建。學生在開放實驗過程中必須獨立完成實驗裝置的制作與調(diào)試，最終完成實驗并撰寫實驗報告。第二類是科技活動型開放實驗。學生根據(jù)嵌入式科技競賽課題，結(jié)合實驗室的方向和條件，聯(lián)系指導教師開展科技競賽等開放實驗活動，如2008年組織學生經(jīng)過開放實驗鍛煉后入圍第三屆“ZLG杯”中國大學生ARM嵌入式系統(tǒng)電子設計競賽。第三類是學生參與教師科研型開放實驗，主要面向高年級本科生。指導教師將承擔的項目，如校級科研基金“嵌入式糧情監(jiān)測系統(tǒng)手持終端的研究”作為開放實驗題目，吸收部分優(yōu)秀本科學生提前進入實驗室參與科研活動。在開放實驗的整個過程中，教師僅起到輔助指導、答疑的作用，可以有效鍛煉學生的實驗技能、培養(yǎng)創(chuàng)造性的科學思維方法和嚴謹?shù)膶W習態(tài)度。同時，嵌入式開放實驗選題的不確定性也要求指導教師有寬廣的知識面和扎實的嵌入式系統(tǒng)相關技術技能，這有利于教師與學生的教學相長，共同提高。
　　4改革考核方式，以畢業(yè)設計延伸課堂教學
　　作為課堂教學的最后環(huán)節(jié)，課程考核可直接檢驗教和學的效果，是整個教學活動的重要組成部分。目前采用的閉卷考試方式，雖有其合理性，但對于工程性、實踐性很強的嵌入式系統(tǒng)課程來說，它容易造成學生高分低能的后果。因此，我們有必要根據(jù)課程的具體特點采用靈活有效的考核方法。筆者對嵌入式系統(tǒng)課程采取了平時成績、實驗成績和期末項目實例三者結(jié)合的考核方式。平時成績和實驗成績各占總成績的30%，重點放在學期末以小組為單位的項目實踐考核上，以此突出培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的重要性。
　　此外，嵌入式系統(tǒng)課程通常面向大三下學期和大四上學期的高年級本科生開設。這些學生已經(jīng)具備了嵌入式開發(fā)的基礎知識，對嵌入式系統(tǒng)課程表現(xiàn)出了極大的熱情。在授課過程中，教師有側(cè)重地選拔對嵌入式開發(fā)感興趣、成績優(yōu)秀的學生，為他們提供嵌入式方向的畢業(yè)設計選題。近年來嵌入式系統(tǒng)實驗室先后為本科生提供了“基于S3C2410處理器的手持終端觸摸屏的實現(xiàn)”、“基于Linux的智能家居系統(tǒng)設計”、“嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究”等畢業(yè)設計題目。畢業(yè)設計環(huán)節(jié)延伸了嵌入式系統(tǒng)的課程教學，完善了課程體系的建設。通過畢業(yè)設計的反饋也發(fā)現(xiàn)了學生在嵌入式技術上存在的不足之處，達到了輔助教學的目的。
　　5結(jié)語
　　課程建設與改革是確保人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。從近幾年嵌入式系統(tǒng)課程的教學改革與實踐效果來看，選課人數(shù)持續(xù)增加，學生學習興趣濃厚，課堂反響強烈。經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)“課堂教學—開放實驗室—嵌入式系統(tǒng)大賽—畢業(yè)設計”等一系列環(huán)節(jié)的鍛煉，已有多名畢業(yè)生走上了嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)工程師的工作崗位。隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，本著培養(yǎng)應用型人才的教學目標，嵌入式系統(tǒng)課程將繼續(xù)更新整合教學內(nèi)容，改進教學方法和手段，以期培養(yǎng)更多高質(zhì)量嵌入式開發(fā)人才。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 俞輝. 嵌入式Linux程序設計案例與實驗教程[M]. 北京:機械工業(yè)