“三點一線”教學方法在“嵌入式系統(tǒng)”課程中的應用

徐　慧　金　敏

文章編號：1672-5913(2009)10-0039-03

摘要：嵌入式系統(tǒng)是目前應用非常廣泛，發(fā)展非常迅速的一個技術領域，做好“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學工作也是諸多高校追求的目標。本文系統(tǒng)分析了“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學特點，提出了“三點一線”的教學方法，并闡述了“三點一線”教學方法在湖南大學“嵌入式系統(tǒng)”教學中的應用及效果。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學方法；實驗教學

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

當前，嵌入式系統(tǒng)已經得到了非常廣泛的應用，工業(yè)制造、過程控制、通信、儀表、儀器、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、電子產品等方面均是嵌入式系統(tǒng)的應用領域，可以說，嵌入式系統(tǒng)和嵌入式技術無處不在。在這種情況下，許多高校的計算機、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求開設了“嵌入式系統(tǒng)”相關課程。湖南大學軟件學院于2005年開始開設了“嵌入式系統(tǒng)基礎”課程，在課程的教學過程中，特別重視“三點一線”教學方法的應用，即突出三個教學重點：以課程體系建設為重點；以實驗教學為重點；以“學”“用”結合為重點；抓住一條教學主線：以嵌入式發(fā)展趨勢為導向，以嵌入式項目為驅動，以“教、學、練”三層遞階為手段，以網絡教學平臺為支撐進行課程教學，取得了良好的效果。

1 “嵌入式系統(tǒng)”課程的教學重點

1.1 “嵌入式系統(tǒng)”課程的教學特點

“嵌入式系統(tǒng)”的教學有如下幾個特點：

(1) 基礎性強。嵌入式技術涉及的領域非常廣泛，如計算機工程、軟件工程、工業(yè)自動控制、機械電子工程、精密儀器、電子工程和電力系統(tǒng)等。隨著嵌入式技術與其他專業(yè)領域的廣泛滲透融合，逐漸形成了新的學科研究方向，“嵌入式系統(tǒng)”課程是嵌入式技術的基礎性課程。

(2) 綜合性強。“嵌入式系統(tǒng)”是軟件和硬件設計的完美結合，它涉及電子信息、計算機、自動控制等諸多專業(yè)相關課程的內容，如操作系統(tǒng)、微機原理、匯編語言、編程語言、程序設計、計算機算法、計算機網絡和z單片機技術等多門課程, 有很強的綜合性，對學生的綜合能力培養(yǎng)有著較高要求。

(3) 實踐性強。“嵌入式系統(tǒng)”是理論與實踐相結合的課程，必須通過大量的實驗和實踐環(huán)節(jié)來系統(tǒng)提升嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)知識和實際設計能力，可以說，如果缺乏了實驗的“嵌入式系統(tǒng)”課程學習就是紙上談兵。

(4) 潮流性強。嵌入式系統(tǒng)學科發(fā)展非常迅速，隨著嵌入式技術發(fā)展的日新月異，必然要持續(xù)跟蹤嵌入式技術的新發(fā)展，不斷修正教學計劃，才能適應社會對嵌入式人才培養(yǎng)的需求。

1.2突出課程體系建設重點

嵌入式系統(tǒng)作為嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心組成的專用計算機系統(tǒng)，其本身就是由硬件和軟件緊密捆綁在一起實現的，這個特點就決定了“嵌入式系統(tǒng)”的教學體系必須是軟件和硬件兩條線并行。在具體專業(yè)培養(yǎng)計劃設計過程中，依據培養(yǎng)目標要求，我們確定了嵌入式專業(yè)的知識架構，并以此為線索對整個課程體系進行設計，開設了支撐“嵌入式系統(tǒng)”的基礎課程有：“數字/模擬電子技術”、“數字邏輯”、“數據結構與C語言程序設計”、“單片機原理”、“計算機組成與結構”、“操作系統(tǒng)原理”、“軟件工程”、“計算機網絡”、“數據庫原理”等。同時開設了“嵌入式系統(tǒng)”的預備課程“嵌入式Linux程序開發(fā)”、“嵌入式系統(tǒng)基礎”、“嵌入式處理器”等，真正做到了使各門課程之間相互銜接，有較強的系統(tǒng)性和連貫性，在強調基礎理論的同時，課程內容與技術發(fā)展和社會應用需求相適應，較好地滿足了嵌入式專業(yè)教學需要。嵌入式課程體系示意圖如圖1所示。

1.3突出實驗教學重點

“嵌入式系統(tǒng)”課程作為軟硬件并重的課程，學習過程中實踐經驗是最重要的環(huán)節(jié)，但大多數高校沒有足夠的條件讓學生自己獨立構建復雜的硬件平臺來學習硬件知識，只能為學生提供一個現有的硬件測量和評價平臺，實驗教學工作基礎較為薄弱。

在我校“嵌入式系統(tǒng)”課程教學安排中，為了能夠使得學生更好地了解掌握嵌入式技術知識，本著了解技術發(fā)展狀況，緊跟技術發(fā)展潮流，適應社會發(fā)展需要的原則，重點突出實驗教學，建立了以武漢創(chuàng)維特公司JXARM9- 2410實驗箱為平臺的實驗環(huán)境，通過實驗使得學生接觸目標開發(fā)板，了解掌握集成開發(fā)環(huán)境的構建方式和工作模式、嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件、JTAG調試方法等知識內容，進一步深入理解嵌入式系統(tǒng)理論，積累嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程、開發(fā)方法和開發(fā)技巧的經驗。在課時的設置上，加大實驗教學的課時，實驗教學的課時設置為32個課時，與課堂教學的課時相等。同時，在實驗教學的建設上重點抓好三個方面的內容：一是大力投入資金，創(chuàng)建專用的嵌入式實驗室。我院先后投入400萬元資金，購買了40套教學實驗設備，設立了面積達1500平方米的專用教學實驗室。二是做到“教”“練”一體，自行編寫切合學生實際需要的實驗教材。在實驗課程的設計上，不僅要求課堂授課老師同時要擔負實驗室的教學指導工作，同時還要求授課老師根據課堂教學的內容自行編寫符合學生實際需要的實驗教材，做到“教”“練”統(tǒng)一。三是舉一反三，精心準備實驗項目。在實驗項目的設置上，不僅僅是使用實驗設備配套廠家提供的試驗項目，而是根據教學需要，結合實驗設備的實際特點進行擴展，設置更加有代表性的實驗項目，做到理論教學與實驗教學相結合。

1.4突出“學”“用”結合重點

嵌入式系統(tǒng)設計作為面向產品設計的應用性課程，不僅僅是建立理論概念，傳授基礎知識，更重要的是培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，建立面向工程的思維方式，掌握解決實際工程問題的科學方法，更加貼近社會實踐需要。為此，在課程的設計上，更加注重了解把握嵌入式方向的新技術、新知識，并且將這些新技術、新知識融入到課程教學中，具體做好三個方面的工作：一是選好、配強教師隊伍。負責“嵌入式系統(tǒng)”課程的主講教師都具有一定的嵌入式系統(tǒng)研究和開發(fā)經驗，部分教師還是從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一線科研人員。具有實戰(zhàn)經驗的教師隊伍保證了課程課堂講述與實踐工程相結合，更加突出各部分知識內容的具體應用，在課堂教學中，更加注重工程思維的培養(yǎng)，變灌輸式學習為啟發(fā)式學習。二是完善增強教學方案。緊密結合企業(yè)的核心技術，以實用性和前沿性為建設目標，深入分析嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術需求，著眼于企業(yè)界普遍關心的核心技術，動態(tài)調整設置課程內容，使課程內容較大程度地體現嵌入式領域的特點，緊跟技術發(fā)展的需要，課堂實例更加貼近實際項目，為培養(yǎng)出業(yè)界更為需要的人才打牢基礎。三是放開眼界謀求發(fā)展。及時跟蹤分析國內外一些著名大學，如普林斯頓大學、浙江大學、北京航天航空大學相關課程的開設情況，參照調整我們的課程安排。

2 “嵌入式系統(tǒng)”課程的教學主線

2.1以嵌入式發(fā)展趨勢為導向

在“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學中，我們著眼嵌入式發(fā)展的總體趨勢，根據實際嵌入式系統(tǒng)產品的項目開發(fā)流程安排教學內容講授的先后順序，課程內容的安排具有軟硬件系統(tǒng)的綜合性、軟硬件技術的基礎性和主流軟硬件平臺的前沿實用性，具體教學內容共10章，劃分為四大部分，主要內容包括：

(1) 概論。介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、組成、特點、發(fā)展概況、應用領域等；

(2) 嵌入式硬件系統(tǒng)。闡述各種典型的嵌入式處理器和嵌入式外圍設備的特點與工作原理，并且，作為嵌入式處理器的一個實例，分析ARM內核體系結構及ARM處理器的選型和調試方法；

(3) 嵌入式操作系統(tǒng)。介紹常見的嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式軟實時操作系統(tǒng)的種類及選用標準，進一步以目前市場占有率排名第一的VxWorks實時嵌入式操作系統(tǒng)為例，詳細講解嵌入式操作系統(tǒng)的組成、多任務環(huán)境的工作原理及其交叉開發(fā)環(huán)境的使用；

(4) 嵌入式系統(tǒng)的設計編程。從軟件工程角度給出了嵌入式系統(tǒng)的一般設計方法、開發(fā)流程步驟、調試手段與測試工具，詳細介紹了嵌入式軟件相對通用計算機系統(tǒng)一些獨特的編程技術和優(yōu)化方法。

2.2以嵌入式項目為驅動

在“嵌入式系統(tǒng)”的教學過程中，我們從課堂講解演示實驗項目和學生實踐訓練項目兩個方面，精心進行了實驗教學的設計。其中課堂講解演示實驗項目是嵌入式WEB服務器的設計與實現，安排在每章節(jié)知識點講述之后，該實驗項目劃分較細，目的在于鞏固課堂講述的知識內容；學生實踐訓練項目是移動手持IP電話的設計與實現，安排在教學內容的四大部分講述完成之后，該實驗項目劃分較粗，目的在于綜合檢驗學生對于知識的掌握理解程度。這兩個嵌入式系統(tǒng)產品開發(fā)實際項目貫穿整個課程的始終，更好地對課程教學活動起到驅動作用。

2.3以“教、學、練”三層遞階為手段

傳統(tǒng)的教學活動中，最重要的知識信息傳遞手段是教師教授、學生學習，知識信息的鞏固主要靠作業(yè)來實現。在嵌入式系統(tǒng)的教學活動中，我們對傳統(tǒng)的“教、學、練”體系進行了革新，摒棄了傳統(tǒng)的“老師教、學生學”的教學方式，探索建立了教師課堂講解演示、學生個人單元實驗和團隊合作實踐訓練的三層遞階式教學方式，培養(yǎng)學生“邊學邊做”，進而提升至“做中學”的創(chuàng)新能力，具體的教學方式是：

(1) 根據實際嵌入式系統(tǒng)產品的項目開發(fā)流程安排教學內容四大部分講授的先后順序，即首先是嵌入式處理器的選型、硬件外圍電路的設計，接著進行嵌入式操作系統(tǒng)的選型和移植裁減以及驅動程序的開發(fā)，最后是嵌入式應用程序的編寫、調試和優(yōu)化。每一部分教學內容的若干知識點都以“嵌入式WEB服務器”實際項目作為案例進行講解和演示，以給學生一個完整的嵌入式系統(tǒng)產品開發(fā)的范例，做到“教有所指”。

(2) 為了幫助學生真正理解掌握每一部分教學內容的若干知識點，不再以作業(yè)作為主要的知識掌握輔助手段，而是設置了與課堂講授同步的多個單元實驗，并且要求實驗以個人為單位進行，以實驗的完成情況來檢查學生對知識的理解程度，做到“學有所得”。

(3) 在每一部分教學內容結束后，設計組織學生以團隊合作方式進行實際項目“移動手持IP電話”相應內容的實戰(zhàn)訓練，并且項目實戰(zhàn)訓練內容與四部分教學內容緊密結合，課程結束時，每個團隊也隨之完成項目的開發(fā)實現，做到“練有所成”。

2.4以網絡教學平臺為支撐

目前，各大高校都建立了校園網絡，網絡以其跨越時間、空間的特點，能夠快速便捷地實現信息共享和知識更新，網絡的出現也正深刻地影響著學習方式的改進。在嵌入式系統(tǒng)的教學過程中，我們高度重視網絡手段對傳統(tǒng)教學方式的補充作用，通過校園網的學院自主學習系統(tǒng)和“嵌入式系統(tǒng)”課程教學網站等網絡平臺，公布課程的教學大綱、教學日歷，上載教學講稿、授課課件和演示案例，開設問題討論空間和教師答疑信箱，實現了傳統(tǒng)教學的課堂講授、問題討論、輔導、答疑等教學環(huán)節(jié)，為學生的自學、復習提供了豐富的資源，為師生之間、學生之間的交流溝通建立了實時和非實時的通道，更好地實現了教師為主、學生參與的教學結構，利用網絡教學平臺對“嵌入式系統(tǒng)”的教學提供強有力的支撐。

3效果體現

幾年以來，在“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學改革和實踐中，我們始終堅持“三點一線”教學理念的應用，目前，我校嵌入式系統(tǒng)專業(yè)基礎課程特色更加突出、教學效果更加明顯，選用自主編寫的教材作為課程教材，且在學科領域中具有較高的權威性和廣泛性；中青年學術梯隊培養(yǎng)進一步強化，教學隊伍結構更趨合理；課程改革理論與實際結合更加緊密，教學資源庫建設進一步完善；網絡資源與課件的建設不斷加強，教學手段得到進一步改革與提升；學生的基礎知識更加扎實，自學能力不斷提高，動手能力大大增強。2007年，嵌入式系統(tǒng)獲教育部-IBM精品課程。2007年，由仲向遠、熊必揚、林閩琦、嚴坤四名同學組成的Showpa團隊，在我院的組織指導下，以“基于RFID的便攜式指紋識別防偽設備”為參賽項目參加“第二屆IBM大中華區(qū)Power構架設計大賽”，躋身決賽。2008年9月，《教育部精品課程(嵌入式系統(tǒng)原理)三層遞階教學體系的系統(tǒng)化研究與實踐》課題獲得湖南大學教學成果二等獎。

4結論

隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，嵌入式技術方面的發(fā)展和研究也越來越受到重視，各大高校都在不斷探索“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學與實踐方法，我們幾年來的教學實踐證明，“三點一線”教學方法在我校嵌入式系統(tǒng)課程教學中的應用，有效地解決了課程體系建設不完善，實驗效果不明顯，學生掌握知識程度不深等問題，在探索培養(yǎng)面向市場、面向技術發(fā)展前沿人才工作中取得了一些成績。當然，“嵌入式系統(tǒng)”課程教學還有其他許多值得深入探討和研究的內容，我們也僅僅是就“嵌入式系統(tǒng)”課程的基礎建設提出了一些建議和意見，一家之言，希望對同行起到拋磚引玉的作用，也歡迎同行批評指正。

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