“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)方法研究

摘要:本文探討“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程教材普遍存在的問題，在借鑒現(xiàn)有教材的同時，我校將自身的工程和學(xué)習(xí)實踐引入教學(xué)過程中，以“實用、有趣、建立學(xué)生自信”為指導(dǎo)思想，探索嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法。在理論教學(xué)中，從工程實踐中積累大量素材，設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容力求接近工程實踐，又帶有一定的趣味性和啟發(fā)性;在實驗環(huán)節(jié)，以活潑的實驗來促進理論教學(xué)，調(diào)動學(xué)生主動性。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng)課程;教學(xué)方法;教學(xué)手段

1教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，隨著計算機科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在我國以嵌入式系統(tǒng)為代表的計算機應(yīng)用領(lǐng)域的最新成果不斷被應(yīng)用在航空航天、工業(yè)控制、儀器儀表、消費電子等領(lǐng)域，直接導(dǎo)致了我國嵌入式系統(tǒng)的市場需求快速增長，嵌入式領(lǐng)域中的人才需求日益旺盛，人才缺口在逐漸擴大。高等學(xué)校人才培養(yǎng)遠遠跟不上嵌入式系統(tǒng)方向新形勢的要求，而嵌入式系統(tǒng)作為新興課程，面臨著如下困難:嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識多，涉及內(nèi)容廣泛，新知識更新快;教學(xué)中容易產(chǎn)生過分偏軟或偏硬的現(xiàn)象，理論和實踐結(jié)合少;嵌入式系統(tǒng)設(shè)備價格貴，且容易毀壞，多數(shù)高校的實驗教學(xué)經(jīng)費不足……這些原因的直接后果是使得高校都面臨著嵌入式系統(tǒng)課程孤立、課程不全、實踐能力弱、創(chuàng)新意識薄弱、與實際應(yīng)用脫節(jié)等問題[1-3]。

ARM課程作為嵌入式方向的一個重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)生跨入專業(yè)課程學(xué)習(xí)的橋梁，然而ARM課程可供選擇的教材不多，現(xiàn)有教材中最明顯的特征是內(nèi)容生硬，學(xué)生很難把抽象的知識和實踐結(jié)合并具體應(yīng)用，而多數(shù)教材剛面世不久，很難形成經(jīng)過長時間教學(xué)實踐驗證的教程。參考文獻[3]是目前ARM嵌入式課程應(yīng)用最為成功的教材之一，其配套課件、實驗

資源都非常全面，可惜的是其教學(xué)內(nèi)容是以芯片描述方法來表述，很少啟發(fā)內(nèi)容和擴展內(nèi)容，適合工程人員，卻不適合剛接受該門課程的學(xué)生。如何正確處理現(xiàn)有教學(xué)資料，并研究出一套符合廣大學(xué)生的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容是該專業(yè)方向建設(shè)的一個重要內(nèi)容。本文將結(jié)合教學(xué)實際工作，談?wù)勛髡邔Ρ菊n程教學(xué)方法的一些理解。

2教學(xué)方法研究

正確處理現(xiàn)有教學(xué)資料，在借鑒現(xiàn)有教材的同時應(yīng)不斷融入更符合教學(xué)規(guī)律的教學(xué)內(nèi)容。我校將自身的工程和學(xué)習(xí)實踐引入教學(xué)過程中，以“實用、有趣、建立學(xué)生自信”為指導(dǎo)思想，探索嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法。

在理論教學(xué)中，適當(dāng)借鑒調(diào)整現(xiàn)有教材，同時大量引入活潑生動的教學(xué)實例和相關(guān)的工程應(yīng)用，即從工程實踐中總結(jié)大量素材，教學(xué)內(nèi)容力求接近工程實踐，又帶有一定的趣味性和啟發(fā)性，讓學(xué)生知道如何將學(xué)到的知識點應(yīng)用到工程實踐中。同時與實際工程應(yīng)用聯(lián)系不大且難于理解的內(nèi)容，適當(dāng)取舍、甚至略棄，減少學(xué)生學(xué)習(xí)課程時的挫折感。在實驗環(huán)節(jié)，以活潑的實驗來促進理論教學(xué)，調(diào)動學(xué)生主動性。具體表現(xiàn)在如下幾個方面。

(1) 對教材內(nèi)容作適當(dāng)編排和修正，使之更適合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律。

教學(xué)任務(wù)的目的是讓學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)掌握教學(xué)大綱所要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容。從教學(xué)總體上看對教學(xué)內(nèi)容及授課章節(jié)適當(dāng)編排和修正，對教學(xué)效果能起到一定的促進作用。

表1是原教材第5章的課程安排，1～5節(jié)的內(nèi)容都是在介紹ARM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)容抽象，支持實驗較少，學(xué)生往往學(xué)完這幾章后，因為不能看到直接的效果，注意力開始下降，對學(xué)習(xí)后續(xù)課程失去信心。表2是修正后的內(nèi)容安排，我們將一些容易掌握并能夠引發(fā)學(xué)生注意力、容易看到實驗現(xiàn)象的章節(jié)安排在前面，以一種先易后難、先外后內(nèi)的方式編排教學(xué)內(nèi)容，收到了非常好的教學(xué)效果，但并不影響教學(xué)大綱所規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

(2) 通過設(shè)計有趣的案例來吸引學(xué)生。

大學(xué)生活潑好動，想象力豐富，只要是符合年青人特點的想法他們都會接受，并愿意付諸實際行動，比如教他們用簡單的電路來實現(xiàn)一段活潑的音樂，他們就變得興趣盎然，比如我們提供一段樂譜，當(dāng)他們用自己編寫的代碼來實現(xiàn)這些音樂的播放的時候，他們大部分都變得專注起來。這些例子的代碼簡短且容易實現(xiàn)，下面是用蜂鳴器播放《兩只老虎》的實現(xiàn)代碼:

const intmusic_book[]={8，9，10，8，8，9，10，8，10，11，12，10，11，12， 12，13，12，11，10，8， 12，13，12，11，10，8，8，5，8， 8，5，8};

void ini_player()

{

PINSEL0 = 0x00008000;// 設(shè)置PWM6連接到P0.7管腳

PWMPR = 0x00;// 不分頻，計數(shù)頻率為Fpclk

PWMMCR = 0x02;// 設(shè)置PWMMR0匹配時復(fù)位PWMTC

PWMMR0 =Fpclk/NOTE[1]// 設(shè)置PWM周期

PWMMR2 =(Fpclk/NOTE[1])*0.8;// 設(shè)置PWM占空比

PWMLER = 0x05; // PWMMR0、PWMMR2鎖存

PWMPCR = (1<<10); // 允許PWM2輸出，單邊PWM

PWMTCR = 0x09;// 啟動定時器，PWM使能

}

intmain(void)

{

int i=0;

ini_player();

while(1 {

PWMTC=0;

PWMMR0 =Fpclk/NOTE[ music_book[i]];

// 設(shè)置PWM周期

PWMMR2 =(Fpclk/NOTE[ music_book[i] ])*0.8;

// 占空比為%20

PWMLER = 0x05;// PWMMR0、PWMMR2鎖存

delay(40);

i++;

i=i%35;

}

return(0);

}

(3) 注重與其他課程的聯(lián)系，增進學(xué)生課程間銜接能力。

在教學(xué)實踐中，適當(dāng)綜合學(xué)生以前所學(xué)過的知識，不僅能夠幫學(xué)生理解現(xiàn)在的知識和復(fù)習(xí)以前的知識，更能提升學(xué)生的擴展能力。

例如在講授GPIO的功能時，可以設(shè)計如圖1用GPIO控制74138實現(xiàn)LED顯示的電路，并要求學(xué)生實現(xiàn)如下內(nèi)容。

請根據(jù)圖1中提供的電路，設(shè)計一套由LPC2290控制實現(xiàn)跑馬燈效果的方案，要求如下:

① 跑馬燈速度可調(diào)功能;

② 通過軟件實現(xiàn)對跑馬燈開關(guān)控制功能。

圖174138控制接口電路

計算機系學(xué)生在程序、軟件編寫能力應(yīng)該有相對高的要求，學(xué)生只滿足于上課內(nèi)容是遠遠不夠的，盡可能多掌握一些與本門課程相關(guān)的開發(fā)工具，特別是鼓勵學(xué)生利用PC機的軟件開發(fā)工具設(shè)計綜合實驗作品，例如讓學(xué)生在PC機上設(shè)計一個能夠編輯顯示圖片、同時將圖片傳輸?shù)紸RM平臺顯示的系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2顯示圖片

(4) 改善課堂教學(xué)手段，通過輔助教學(xué)軟件、課堂游戲來幫助學(xué)生理解晦澀難懂的內(nèi)容。

學(xué)生對新知識點或晦澀難懂的內(nèi)容的理解會存在一定的困難，如何把抽象難理解的事物變成有趣容易理解的事物需要運用多種輔助教學(xué)手段。

在理論教學(xué)初期，我們設(shè)計了很多模擬數(shù)字電路功能的“軟件芯片”，通過在多媒體教室PC機演示“芯片”功能，幫助學(xué)生對知識點的理解和課程入門。

另外，從游戲中學(xué)習(xí)知識是調(diào)動群體思考積極性的一種非常有效的方式，學(xué)生們可以在游戲中討論，分享游戲中的成敗得失，從而獲得對知識的透徹理解，例如:在講授向量中斷控制器時，設(shè)計“看看你能不能當(dāng)CPU?”的課堂游戲，經(jīng)過多場游戲的訓(xùn)練，學(xué)生可以對中斷的概念、中斷的響應(yīng)方法有了很清晰的認識。

(5) 注重聯(lián)系實際，突出實踐意義，通過展開引導(dǎo)來啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新。

ARM課程教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)，應(yīng)正確處理兩者關(guān)系，達到理論教學(xué)和實踐教學(xué)教學(xué)相長的目的。同時教學(xué)活動中應(yīng)當(dāng)強調(diào)給學(xué)生留有足夠的想象空間，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)邏輯思維能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力。通過嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，為他們今后在信息技術(shù)天地中馳騁奠定堅實的基礎(chǔ)。

例如，設(shè)計從PC機傳輸一張顯示圖片到ARM實驗平臺顯示這樣的工程，學(xué)生往往并沒有意識到這樣小小的一個工程能有什么現(xiàn)實意義。當(dāng)聯(lián)系到放置在路口、火車站的LED大屏幕顯示器的時候，他們發(fā)現(xiàn)了這樣的工程的意義，而綜合性的實驗作品往往都有其實際應(yīng)用價值。

(6) 以實驗室為平臺，以科研項目為載體，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)案例。

在教學(xué)活動中，結(jié)合每位教師的科研項目，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)案例，并吸收動手能力強的學(xué)生到科研活動中來，在實踐中鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。以實驗室為平臺，以科研項目為載體，借鑒國外課程建設(shè)的特點，最終形成具有自身特色、課程條理清楚、工程實踐能力強的嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)體系。

3結(jié)語

我院計算機系在2006屆開始將計算機科學(xué)方向定位于嵌入式系統(tǒng)方向，經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐和嘗試，實驗設(shè)備日趨完善，課程設(shè)置日趨科學(xué)，在教學(xué)上獲得了可喜的成績，這幾年來我院嵌入式方向?qū)W子屢屢在博創(chuàng)杯全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計大賽、周立功杯中國大學(xué)生嵌入式競賽、全國大學(xué)生信息安全競賽等等國賽、省賽中獲得佳績，這和我們在教學(xué)思路和教學(xué)手段的創(chuàng)新有著密不可分的聯(lián)系。

ARM課程建設(shè)是一項長期、艱難的任務(wù)，新知識更新速度明顯快于傳統(tǒng)學(xué)科，教學(xué)上可借鑒的經(jīng)驗少。需要學(xué)院、教師的多方努力，在實際工作中敢于實踐，不斷改革教學(xué)方法，調(diào)整課程設(shè)置，實時吸收新思想，才能不斷完善優(yōu)秀的教學(xué)方法和手段，為企業(yè)培養(yǎng)出動手能力、創(chuàng)新能力強的研發(fā)人才。[4]

參考文獻:

[1] 馬義德，湯書森，張北斗，等. 嵌入式系統(tǒng)課程群建設(shè)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J]. 高等理科教育，2004(8):23-25.

[2] 仲偉波，包亞萍，付躍文，等. 關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的幾點思考[J]. 實驗室研究與探索，2006(12):25.

[3] 周立功，王祖麟，陳明計，等. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 3版. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4] 俸皓. 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系改革的探討[J]. 科技信息:科學(xué)教研，2007(12):30.

Reform of the Digital Logic Circuit Teaching and Construction of Experiment Platform

DENG Chun-jian， LI Wen-sheng， YANG Liang， LIU Wei

(Zhongshan Institute， University of Electronic Science and Technology of China， Zhongshan 528402， China )

Abstract: This paper discusses the common problems existing in the ARM embedded system course materials. Refering to current materials， we introduce our engineering practices into the teaching process. Besides， we hope to establish the student self-confidence throughout the practical， interesting teaching methods， and so explore embedded system teaching methods. In the theoretical teaching， a large number of materials which summarized from the engineering practice are not only close to the engineering practice， but also with a certain amount of interesting and stimulating. In the experimental part， the lively experimental contents achieved two objectives， promoting the theory of teaching and mobilizing the student initiative.

Key words: ARM embedded system course; teaching method; teaching process

(編輯:白杰)