張慶輝 王學(xué)梅

摘 要：在分析了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式，包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)，提出實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的重要地位，重點(diǎn)分析了課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 教學(xué) 探索 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）04（a）-0113-02

近年來，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)需求的推動(dòng)，嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用已成為當(dāng)今世界IT行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用有了有力的技術(shù)支持和巨大的市場(chǎng)前景。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在國防、航天航空、機(jī)器人、移動(dòng)通訊、醫(yī)療儀器、工業(yè)控制、汽車電子、信息家電、儀器儀表、數(shù)碼產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。社會(huì)對(duì)掌握嵌入式技術(shù)的人才需求越來越大，但目前相關(guān)技術(shù)人才卻嚴(yán)重匱乏，可以預(yù)見，嵌入式工程師將成為未來幾年內(nèi)最為熱門的職業(yè)之一。

嵌入式領(lǐng)域的人才需求日益旺盛，人才缺口在逐步擴(kuò)大，目前很多高職高專院校的相關(guān)專業(yè)都針對(duì)市場(chǎng)需求開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程；但是由于嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)踐性和應(yīng)用性極強(qiáng)的特點(diǎn)，多數(shù)院校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)起步較晚，普遍存在設(shè)備更新緩慢的問題，或者受人才儲(chǔ)備不足以及教學(xué)改革研究經(jīng)費(fèi)難以保障等因素的影響，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)上障礙重重，缺乏嵌入式系統(tǒng)人才的問題已經(jīng)阻礙嵌入式產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一[1]。因此，嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)問題是高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)正在面臨與必須解決的問題。為更好地為社會(huì)培養(yǎng)實(shí)踐型、技能型人才，本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革進(jìn)行了探索和研究。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)和現(xiàn)狀

與國外相比，我國嵌入式系統(tǒng)起步較晚，真正得到發(fā)展還是近幾年的事情。高等院校作為培養(yǎng)嵌入式人才的主要基地，課程零散，無系統(tǒng)性，還沒有形成統(tǒng)一的教學(xué)體系和人才培養(yǎng)模式，還沒有發(fā)揮各個(gè)課程間的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，沒有一個(gè)全局的教學(xué)規(guī)劃，是各大高校教學(xué)中亟待解決的共同難題。

（1）現(xiàn)在國內(nèi)的部分高校對(duì)嵌入式技術(shù)的概念模糊，對(duì)內(nèi)容沒有徹底了解。如何同大學(xué)的前期課程的學(xué)習(xí)結(jié)合起來，這是教學(xué)的關(guān)鍵所在。另外，需要合理的規(guī)劃和研究如何確定主流的微控制器芯片和主流的操作系統(tǒng)。

（2）實(shí)踐性強(qiáng)是嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，對(duì)于初學(xué)者，必須有足夠的必要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和重要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這樣教學(xué)過程就不會(huì)簡(jiǎn)單枯燥、內(nèi)容乏味，學(xué)生也不會(huì)失去興趣；否則，老師教好、學(xué)生學(xué)好將是無從談起。所以說開展好實(shí)踐教學(xué)非常重要。

（3）學(xué)生專業(yè)不同，所掌握的背景知識(shí)不同，具體表現(xiàn)在：計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的電路與硬件基礎(chǔ)薄弱，對(duì)模電數(shù)電知識(shí)模糊；而電子類專業(yè)學(xué)生軟件基礎(chǔ)薄弱，不具備操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，雖然都學(xué)過“電路”、 “C語言編程”等課程，但是他們一般都缺乏大型軟件項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，尤其缺乏操作系統(tǒng)方面的相關(guān)知識(shí)。因此在嵌入式系統(tǒng)課程體系中，針對(duì)不同的學(xué)生，需要首先增加一些用于彌補(bǔ)學(xué)生硬件電路、軟件知識(shí)和操作系統(tǒng)的課程。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式探索

2.1 理論教學(xué)

學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)時(shí)間畢竟有限，而嵌入式控制領(lǐng)域又涉及到很廣的知識(shí)面，需要學(xué)習(xí)很多東西，并且知識(shí)枯燥。為解決這個(gè)矛盾，嵌入式系統(tǒng)課程的目標(biāo)是：實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助理論教學(xué)，以理論教學(xué)為主，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔，通過教學(xué)培養(yǎng)研究開發(fā)型人才。因此本課程的教學(xué)模式最好采取“啟發(fā)-強(qiáng)化-實(shí)踐”逐步深入的方法。課程教學(xué)的前期要通過講述嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)越性及其廣闊的應(yīng)用前景，來調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)中間階段是對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和強(qiáng)化。國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的定義是這樣的：置入應(yīng)用對(duì)象內(nèi)部起操作控制作用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。即凡是能置入一個(gè)大的對(duì)象內(nèi)部、起到控制作用的芯片就可以叫嵌入式系統(tǒng)。實(shí)際上最基礎(chǔ)、最典型的嵌入式系統(tǒng)就是單片機(jī)系統(tǒng)。嵌入式教學(xué)的起步應(yīng)該是教授8位單片機(jī)系統(tǒng)。隨著單片機(jī)等微處理器的應(yīng)用越來越廣泛，8位單片機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)容量和開發(fā)手段等方面越開越不能滿足需要，于是開始向更高的處理速度、更方便的操作方式以及16位和32位系統(tǒng)進(jìn)展[2]，例如DSP、ARM等，最后出現(xiàn)了能夠支持操作系統(tǒng)的嵌入式芯片和技術(shù)[3～4]，比如SOPC。而對(duì)于芯片而言，根據(jù)不同的廠家，有多種選擇，同一個(gè)廠家也根據(jù)處理速度和管腳多少有不同的產(chǎn)品。操作系統(tǒng)一般應(yīng)用嵌入式Linux系統(tǒng)，或者Windows CE系統(tǒng)，能夠放在很多嵌入式芯片上應(yīng)用，比如ARM和FPGA。所以當(dāng)我們循序漸進(jìn)的教學(xué)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先從單片機(jī)入手，熟練后學(xué)習(xí)ARM的有關(guān)知識(shí)，最后是Linux操作系統(tǒng)的掌握。

課程學(xué)習(xí)的最后階段是實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，該階段可以驗(yàn)證學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握情況，能夠讓學(xué)生充分理解和掌握嵌入式芯片的工作原理和軟硬件開發(fā)平臺(tái)。課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)以及科研訓(xùn)練項(xiàng)目。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。本文結(jié)合自己的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施過程。該過程是這樣的：以工程應(yīng)用為主，循序漸進(jìn)、逐漸深入。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是必修教學(xué)環(huán)節(jié)，包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以各種專用實(shí)驗(yàn)箱為主，與相應(yīng)的課堂教學(xué)同步進(jìn)行，配合相應(yīng)的理論課學(xué)習(xí)，采用理論授課與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。通常單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是這樣的，依賴某一個(gè)特定的實(shí)驗(yàn)箱或是實(shí)驗(yàn)板，提供了幾個(gè)固定的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過這樣的試驗(yàn)箱，能夠快速的學(xué)習(xí)各個(gè)模塊的使用，親自驗(yàn)證各個(gè)功能模塊的實(shí)驗(yàn)，記憶深刻，等到綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)就可以靈活運(yùn)用它們了。同時(shí)驗(yàn)證課堂上學(xué)到的相關(guān)理論知識(shí)，使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握；了解嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試工具和測(cè)試工具的使用方法[5]，了解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)則在理論課所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。在充分驗(yàn)證課堂上所學(xué)到的理論性知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的自主動(dòng)手設(shè)計(jì)能力。實(shí)驗(yàn)中，老師根據(jù)知識(shí)難易程度給出實(shí)驗(yàn)課題，要求在學(xué)生掌握單片機(jī)或者ARM架構(gòu)、尋址方式、指令系統(tǒng)和外圍接口等知識(shí)的基礎(chǔ)上，提倡學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自行設(shè)計(jì)外圍電路，編寫實(shí)驗(yàn)程序，調(diào)試運(yùn)行，使學(xué)生具備在嵌入式平臺(tái)上設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。對(duì)于嵌入式微處理器，該能力包括匯編語言編程、C語言編程及匯編語言和C語言混合編程、調(diào)試及對(duì)外圍接口編程和運(yùn)用能力。同時(shí)學(xué)校提供一些核心板和功能擴(kuò)展模塊，配合學(xué)生的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2.3 課程設(shè)計(jì)

（1）課程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容是綜合性實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在課程結(jié)束時(shí)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。根據(jù)老師給定的一些綜合性選題，學(xué)生自由選擇感興趣的題目，根據(jù)整個(gè)課程的知識(shí)，利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)臺(tái)資源，制定出實(shí)驗(yàn)方案和步驟。通過設(shè)計(jì)硬件電路，編寫程序，仿真調(diào)試，獨(dú)立完成一個(gè)比較復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過課程設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有更深入的理解，并初步具備進(jìn)行具體應(yīng)用和綜合設(shè)計(jì)的能力。

（2）引入案例教學(xué)和項(xiàng)目教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。針對(duì)社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的要求，結(jié)合學(xué)生的情況和學(xué)科的前沿技術(shù)，引入以案例教學(xué)和項(xiàng)目教學(xué)為主體的教學(xué)模式，遵循“學(xué)以致用、以用促學(xué)、邊學(xué)邊用、熟能生巧、追求創(chuàng)新”的理念。嵌入式課程教學(xué)可以一開始就可以下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)讓學(xué)生選擇與了解，課題可以選用教師教學(xué)科研項(xiàng)目和各種大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽項(xiàng)目。這樣可以讓學(xué)生更積極地去學(xué)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生從“強(qiáng)迫學(xué)”變成“主動(dòng)學(xué)”，同時(shí)學(xué)生也比較了解自己將要用到什么知識(shí)需要學(xué)什么知識(shí)。另外，實(shí)際應(yīng)用能力的提高讓學(xué)生更有動(dòng)力，使他們充分利用課余時(shí)間，既鞏固了知識(shí)點(diǎn)，又提高了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（3）建立學(xué)生為主力的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。對(duì)于基礎(chǔ)牢、悟性高、有一定開發(fā)能力的學(xué)生，通過選拔建立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，教師引進(jìn)橫向課題，帶領(lǐng)學(xué)生完成這些面向應(yīng)用的創(chuàng)新性項(xiàng)目。踐行“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”，篩選一批技術(shù)扎實(shí)、專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師隊(duì)伍，親手指導(dǎo)和教授學(xué)生，形成一支教師為帶頭人、學(xué)生為主力軍的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。同時(shí)在實(shí)踐教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為認(rèn)知的主體，通過學(xué)生的“感受”提出問題，在教師的指導(dǎo)下解決問題，能夠在大學(xué)期間更好地提高自己的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

上述教學(xué)改革措施，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)而提高嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的綜合素質(zhì)，使學(xué)生能成功地運(yùn)用嵌入式芯片這門工具進(jìn)行創(chuàng)造性開發(fā)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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