軟件類專業嵌入式系統教學探究與實踐

何劍鋒 姜 林 劉 琳

摘要:嵌入式系統教學體系建設是高校教學改革的一個重要組成部分,在高校開設嵌入式系統的課程已是大勢所趨。本文從不同角度分析了嵌入式系統教學,詳細討論適應社會需求的本科階段軟件類專業嵌入式系統方向理論課程體系和實驗課程體系。同時,闡述了在嵌入式系統教學實踐中運用的多種教學方法和思想。

關鍵詞:嵌入式系統;教學體系;教學方法;教學實踐

中圖分類號:G642文獻標識碼:A

1引言

網絡、通信、多媒體和信息家電時代的到來,無疑為32位嵌入式系統高端應用提供了空前巨大的發展空間;同時,也為力不從心的8位單片機向高端發展起到了接力作用。嵌入式技術及產品的快速成長成了全球IT產業發展的顯著特征,嵌入式技術是二十一世紀最有活力和生命力的新技術之一。然而在中國,嵌入式軟件復合型人才的缺乏,已成為嵌入式產業的可持續發展的瓶頸,作為對新技術研究和探索最活躍的群體之一——高等院校中獨立軟件學院,如何接受嵌入式技術帶來的挑戰,學習嵌入式、研究嵌式、使用嵌入式,已成為一個重要的研究課題,加強與完善高校嵌入式系統教學迫在眉睫。由于國內嵌入式系統教學起步較晚,目前還沒有形成適應高校教學的一個統一的教學體系和教學規范。由此強調要以信息技術為手段,深化教學改革和人才培養模式改革,如何根據社會的實際需要,培養具有一定專業特色的和特定能力強的軟件實用型、復合型人才是我們學院應首要解決的問題。因此必須深入探究嵌入式系統課程體系結構,尋求各專業嵌入式系統實踐教學解決方案,積累教學實踐經驗,建立較規范的嵌入式系統教學體系,使嵌入式系統應用開發技術更好地融入到教學與科研活動中,以適應社會對嵌入式系統人才的需求,對于深化我國高校的教學改革具有重要的現實意義。

2嵌入式系統教學體系探究

嵌入式系統作為一個新興的課程體系,目前在教學過程中相關先修課程與基礎知識的準備教學內容(包括硬件平臺與軟件平臺)的選擇、實驗教學與實踐環節組織等問題依然處于爭論和探索階段。國內高校對于嵌入式系統的教學研討從嵌入式課程體系的設置、嵌入式理論教學的開展、嵌入式實驗教學的開展、嵌入式綜合設計與學生工程實訓等幾方面展開。

2.1嵌入式系統教學分析

(1) 從應用角度來分析,具有世界最大嵌入式技術市場的中國,嵌入式系統教學中更多的強調以“應用”為中心。嵌入式系統應用程序的開發還必須具有一定的行業領域知識,教學中最好要在一個實際的應用項目開發環境中去實踐,提高嵌入式軟件開發方面的綜合應用能力。

(2) 從學科專業角度來分析,嵌入式系統涉及多門交叉學科致使將嵌入式系統的教學大致分為三類:軟件學院專業嵌入式教學;計算機專業嵌入式教學;微電子、電子信息工程、自動化等相關專業嵌入式教學。在嵌入式系統教學中應重視不同專業嵌入式課程體系建設、課程目標和內容等方面展開。

(3) 從技術角度來分析,嵌入式系統是軟件和硬件有機的結合體。要考慮什么樣的硬件設計更容易編寫驅動程序,軟件處理效率等因素就必須要學習操作系統和驅動程序開發相關的知識,同時需要考慮如何取舍軟硬件設計。由此嵌入式系統教學中應注重培養同時具備軟件和硬件兩方面及綜合性知識分析能力。

2.2嵌入式系統方向理論課程體系

本科階段的按專業方向課程規劃既要重視基礎理論的學習,又要注重實踐性,既要突出專業自身特點,又要把握嵌入式系統在多學科知識領域中相互滲透的規律。不同專業嵌入式系統方向課程體系如圖1所示。信息工程專業涉及的專業基礎課包括數字電路、微機原理與接口技術、單片機原理與接口技術、計算機組成原理、可編程邏輯器件、EDA設計等課程。而軟件工程專業涉及的專業基礎課則為C/C++語言、數據結構、計算機網絡編成、編譯原理、軟件工程、操作系統等。嵌入式系統課程體系包含兩個專業的相關內容。數字電路的知識是從事嵌入式系統的必備,關鍵要增強邏輯思維能力。C語言作為一種“高級的低級”語言、易移植、易維護、可讀性強、具有強大的內存操作能力,成為嵌入式系統開發的最佳選擇。數據結構與算法在嵌入式系統教學中要作為重點,可適當增加實驗課時,無論學生以后從事嵌入式系統的軟件還是硬件開發,這門課的思想將貫穿其中,這兩門課程教師應當要求學生加強上機實驗的操作,鼓勵相互交流,體會編程的思想。

嵌入式處理器體系結構:在嵌入式領域中廣泛應用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。ARM公司引發了嵌入式領域的一場革命,在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位,是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器,學習以ARM為架構的嵌入式技術具有非常廣闊的前景。對于嵌入式操作系統:目前比較適合用于本院教學主要有VxWorks、Windows CE、Linux(uClinux)和μC/OS-Ⅱ等。基于Linux內核穩定可靠、源碼免費開放等優勢成了教學和學習嵌入式操作系統的首選。嵌入式的軟件開發從智能手機開發(SYMBIAN)、J2ME程序設計、數字媒體終端等實踐編程。嵌入式軟件開發語言主要有匯編語言、C/C++語言、Java語言等。

2.3嵌入式系統方向實驗課程體系

嵌入式系統是實踐性很強的課程體系,學好嵌入式系統課程不僅有助于學生了解系統設計的基本方法,而且能提高學生對于相關學科的理解和實際應用能力。在嵌入式系統教學中,實驗是最重要的環節之一,是學生掌握嵌入式系統設計技術的關鍵。為滿足不同專業學生的學習要求,我校現有嵌入式系統實驗設備40套(XScale PXA270處理器)及相關配套實驗儀器及測試儀器,實驗教學內容涉及微處理器系統設計、嵌入式實時操作系統開發、嵌入式中間件平臺開發、嵌入式系統應用開發等內容。為達到教學目標,將實驗教學體系分為基礎類實驗、系統設計類實驗和創新類實驗。基礎類實驗:采用理論授課與動手實驗相結合的方式,讓學生了解開發環境和開發流程,掌握實驗開發工具的使用方法,熟悉軟件編程環境,根據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,使學生能夠進行修改、組合和補充式的應用編程。包括ARM集成開發環境ADS1.2的使用與仿真調試方法、ARM中的匯編程序與C語言調用的混合編成等15個實驗。系統設計類實驗:主要采取精講精練的方式進行,使學生能夠掌握嵌入式系統設計的基本方法。教師指定幾個設計課題,并提供任務書,任務書內容包括實驗題目、實驗所涉及的主要內容、要實現的功能說明及實驗中應注意的問題。學生自行設計實驗方案,編寫實驗程序,選擇硬件接口并調試,獨立進行課題設計,并寫出設計實驗報告,教師在設計過程中僅起指導作用。包括嵌入式Linux內核分析、裁減、移植和燒寫在內的10個實驗。創新類實驗:為了培養學生的科研能力、創新思維能力和工程實踐能力,研究課題和內容由他們自己提出,或是來自教師的科研課題,或是與企業相結合的科研項目,學生自己討論確定研究方法和研究手段,利用現有的實驗設備和條件進行課題研究,教師在一定階段給予必要的指導。

3嵌入式系統教學實踐

(1) 注重理論知識和實踐訓練相結合教學,著力培養學生創新能力。

結合實例講解理論,使理論來源于實踐,又進一步指導實踐。在課堂教學中,要求教師注重體現工科特色,突出本課程在嵌入式軟件開發中的基礎性作用。由于嵌入式系統是一個實踐性很強的課程體系,學生的動手能力的培養是嵌入式系統教學中的一個非常重要的環節。在教學方式上,注重采用理論與案例相結合的課堂教學、系統的多級課程實踐、工程實習以及前沿技術講座等多種形式的教學與實訓,使學生在掌握扎實的嵌入式軟件基礎理論、開發技術和工具的基礎上,進行嵌入式軟件的設計和開發。實現對嵌入式系統的感性認識和理性認識相統一。在實踐教學手段上,除了繼續加強畢業設計(論文)、畢業實習、課程設計和理論課內實踐教學外,還提出了“實驗選修課”的新模式,要求各專業大學生必須修滿一定的實驗選修課學分。實驗選修課面向全校各專業開放,課程強調以實踐為主,進行綜合性、設計性的訓練。而該課程的教授中占據著核心地位的是創新能力的培養:采取學校與企業合作,企業中有工程經驗豐富的一線工程人員和高水平的技術團隊,構建這樣一個高水平的學生工程實踐環境,為學生提供實際項目開發機會,完善自身職業素質和工程能力;通過大學生嵌入式設計競賽可以針對具體問題使學生在實踐中提高發現問題,解決問題的能力。

(2) 配套立體化教材,共享嵌入式系統教學資源。

如果僅僅是購買了一個開發套件而沒有相應的配套技術資料,可想而知學習的效果肯定是很差的,因為只有配套的資料才能體現出設計者的原創思想,更為重要的是在學習過程中遇到了困難,配套的技術資料可以幫助老師和學生加深理解、解決問題。各硬件廠商提供的產品芯片說明和開發參考以及嵌入式操作系統的源代碼和相應軟件環境使用說明是最好的教材。但資料多為英文,學生使用起來比較吃力,所以此時教材的選擇非常重要,課程開始給學生推薦經典的教材,在此基礎上引導學生盡快過渡到英文資料的閱讀和使用上。多媒體教學比傳統教學的模式具有更大的優勢,多媒體教學把枯燥的計算機內容轉化為生動的圖像、交互和視聽媒體,把教學內容直觀化,有利于學生更好地接受知識。同時,加強教師的培訓,提高教師應用網上資源進行教學、整合網上資源的技能。

(3) 總結教學方法,提高實際教學效益。

運用“學教并重”進行課程教學設計、采取了互動式教學、采用啟發式、范例式課堂教學、現代與傳統教學手段相結合,直觀、生動的等多種教學方法,激發學生主動學習熱情,讓他們成為教學中的主體,并培養其收集相關領域信息、拓寬知識面的能力。將教學的重點放在培養學生發現、分析問題、解決問題能力上。從而達到能理解嵌入式軟件設計文檔;獨立負責嵌入式軟件組件編碼和調試;執行軟件組件的單元測試;符合嵌入式軟件開發企業的入職要求等教學效益。

4結語

嵌入式系統在國內真正得到發展還是近幾年的事情,還沒有形成統一的教學體系和規范,加之社會對高素質嵌入式系統人才的需求日益增加,各個高校迫切要求建立嵌入式系統課程體系、實驗體系、教材體系和教師培養體系,本文所探究的針對軟件本科專業的嵌入式系統理論課程體系和實驗課程體系,積累嵌入式系統的教學實踐,融合了社會企業的需求和軟件專業的特點,符合實際應用。當然,獨立軟件學院的嵌入式方向的教學還任重道遠,需要從事嵌入式系統教學的教師在實踐中不斷地進行研究、不斷地積累經驗,不斷地創新,才能培養出社會所需要的高素質嵌入式技術人才。

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The Teaching Research and Practice of Embedded System for the Software Speciality

HE Jian-feng, JIANG Lin, LIU Lin

(College of Software , East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Abstract:The teaching system construction of embedded system is an important component of teaching reform in higher educational institutions. Setting up embedded system courses is an irresistible trend in colleges and universities. In this article, the embedded system teaching is analyzed from a different point of view, and the curriculum theory and experimental curriculum of the professional software for embedded systems in undergraduate stage which adapts to the social needs on teaching is discussed in detail. At the same time, a variety of teaching methods and ideas in embedded systems teaching are proposed and used in the teaching practice.

Key words: Embedded System; teaching system; teaching method; teaching practice