ARM嵌入式系統教學方法研究及實踐探索

馮濟琴 朱 革 陳古波

重慶理工大學電子信息與自動化學院 重慶 400054

ARM嵌入式系統教學方法研究及實踐探索

馮濟琴 朱 革 陳古波

重慶理工大學電子信息與自動化學院 重慶 400054

目前ARM嵌入式系統教學存在的教材理論知識偏難、學生實驗時間太少、缺乏創新能力等現狀，在該課程的教學改革中將書本理論知識、仿真實驗和項目化教育三者結合，教學內容循序漸進，讓學生真正學懂，學以致用，提高了學生的學習興趣，培養了學生的動手能力和創新能力，取得了較好的教學效果。

ARM嵌入式系統；仿真實驗；項目化教育；創新能力

為適應社會需要，我校在原有51單片機課程上開設了ARM嵌入式系統課程，該課程是學生綜合應用其他專業知識的重要課程，在電類專業中起著非常重要的作用，很受學生歡迎。我校每年都有近20個班的學生選修ARM嵌入式系統課程，筆者連續4年都承擔51單片機課程和ARM嵌入式課程的教學任務。為進一步提高該課程的教學質量，通過多種形式和學生交流，了解他們的需求，并結合實際工程開發中對ARM嵌入式系統的需要，認為該課程目前的教學存在以下問題。

1.1 教材理論知識偏難

因為ARM嵌入式技術是一門新興技術，目前該課程的教材偏少，而且大部分教材中的理論知識偏多、難懂，學生課后參考資料極少，因此學生起初熱情大，但后來越學越不懂，導致最后學生不愛聽，教師教學也困難。即便是大部分高校采用的教材《ARM嵌入式系統基礎教程》[1]，書中雖然引入了許多例子，但這些例子多以芯片手冊描述的方法來編寫，很少有完整的例子來講解一個模塊，知識點相對比較孤立。學生學習后很難將這些孤立知識點前后聯系，而嵌入式系統技術在應用中又要求對所有知識融會貫通，這樣才能學以致用。學校在近幾年的教學實踐中，仍然選用該教材，但是在教學內容順序上做了調整，使理論學習由淺入深。

1.2 實驗時間太少

嵌入式系統類課程最重要的就是實踐，通過實踐，才能將所學知識鞏固并靈活應用。但是目前該課程實驗教學時間開設為16個學時，學生實驗時間太少[2]，不利于知識的消化和吸收。即便是能保證充足的實驗學時，學生所完成的幾個典型實驗也只是驗證性實驗，他們在實驗中大多只是按照指導書給出的實驗步驟完成實驗，不能靈活應用所學知識。這樣的實踐方式使學生在學習過程中仍然是理論與實際脫節，達不到理想教學效果。如果在課堂教學中引入實驗仿真平臺，更能讓學生將理論和實際聯系起來；更重要的是，學生在課后能自己建立虛擬實驗平臺，不再拘泥于只在傳統實驗室才能進行實踐學習，而是會擁有更多的課后實踐機會。

1.3 學生對所學知識點不能融會貫通

該課程的核心內容大都是以模塊形式來講解的，如GPIO模塊、定時器模塊、PWM模塊等，這些知識在教師講解和學生搭建虛擬平臺實踐后，都能基本被學生掌握。但是學生在學習后，也都把這些模塊當做是孤立的模塊，往往不能前后聯系，不能靈活應用。因此學生在參加一些電子設計競賽或者科研創新活動時，需要綜合知識。雖然大部分學生嵌入式系統各模塊知識都學得很好，但就是不會靈活應用，不知如何應用所學知識來完成自己的項目。針對這點，在完成教程各模塊內容后，將書上知識點串成一些項目，把理論融入項目實踐中講解，調動了學生的興趣，提高了他們的實踐創新能力。

2 教學方法

針對上述教學現狀，我們提出一套新的ARM嵌入式課程教學方法，而且在實踐中取得了較好的教學效果。

2.1 教學內容順序調整

目前高校開設ARM嵌入式系統這門課程大都使用《ARM嵌入式系統基礎教程》，該教材相對于其他教材而言，更適合工科類學生使用。但是該教材也存在一些缺點。例如在內容編排上，該書前部分較多枯燥理論知識，后面章節才是具體應用，這種編排比較教材工程技術人員，不太適合高校學生學習。而學生學習教材內容宜由淺入深，先提高其對嵌入式系統的興趣，這樣才能對后面的學習起到事半功倍的效果。因此在教學過程中，依據學生的興趣和心理特點，將教材內容進行調整。

例如第四章和第五章內容調整前后對比(見表1)。

4.9 向量中斷控制器 4.9 SPI接口4.10 外部中斷輸入 4.10 I2C 接口4.11 定時器0和定時器1 4.11 UART0和UART1 4.12 SPI接口 4.12 A/D轉換器4.13 I2C 接口 4.13 看門狗4.14 UART0和UART1 4.14 脈寬調制器4.15 A/D轉換器 4.15 實時時鐘4.16 看門狗 4.16 存儲器尋址4.17 脈寬調制器 4.17 系統控制模塊4.18 實時時鐘 4.18 存儲器加速模塊5.1 最小系統 4.19 外部存儲器控制器

調整后內容由淺入深，而且內容安排順序上和開設的51單片機課程類似，先硬件再軟件，先實物后理論。這樣讓學生從感性到理性的學習，對該課程不再感到枯燥。同時，適合學生學習51單片機后形成的思維模式，更易學習ARM，同時也能更好地將51單片機課程和ARM課程相結合，尋找其共同點與不同點，做到嵌入式系統學習中“一通百通”的效果。

2.2 虛擬仿真平臺的搭建

傳統的ARM開發平臺不但價格高昂，一般高校實驗室也不具備每個學生單獨使用1套開發平臺的條件，并且實際電路連線不可更改。加之實驗教學時間是有限的，學生也無法在短時間內將所有實驗消化吸收。如果使用EDA技術建立嵌入式虛擬仿真平臺，使學生自己可以在課后完成以前必須在實驗室內完成的實驗，這樣，他們有充分的時間消化、吸收、再學習，且對自己所學知識實現自我摸索和提升。

虛擬平臺搭建的主要工具是Proteus和Keil軟件。Proteus是由英國Lab Center Electronics公司開發的EDA工具軟件，它的主要優點是能夠進行電路原理圖的設計，可以仿真微處理器及其外圍電路，且提供軟件調試功能。Keil是國際知名軟件公司Keil公司開發的嵌入式系統軟件開發平臺，是目前嵌入式系統51和ARM微控制器的主流開發工具。

利用上述兩款軟件，可完成ARM嵌入式系統課程中大部分知識點實驗仿真，如GPIO、外部中斷輸入、定時器0和定時器1等模塊。

例如，在向學生講解GPIO這部分知識的時候，可以讓學生在計算機上利用Proteus搭建硬件平臺。例如，通過P0.17和P0.18分別連接不同顏色的LED燈，作為輸出口，P0.19口接按鍵作為輸入口。然后通過Keil軟件編寫程序，從而讓學生練習GPIO的輸入輸出功能，以達到掌握GPIO的學習內容的目的。

2.3 理論聯系實際，融入項目化教育方法

即使在該課程中引入虛擬平臺，學生在一定程度上可以很好地消化課堂的理論教學，但是所學知識點不能串在一起，在真正應用的時候也是無從下手，更談不上創新。因此在整個教程內容完成后，綜合前5章所有知識點，以一個簡單項目為例，將項目化教育引入課程教學中，使學生能將理論與實際結合起來，能運用所學知識去解決實際問題，培養學生分析問題、解決問題的能力。

具體在項目化教學過程中，可以將學生分為幾個項目組，讓學生分工合作來完成項目。近幾年的教學過程中，我們實踐過許多小項目，具體實施建議分以下幾步：

(1)確定項目任務；

(2)對學生進行分組，各組進行任務分工，明確各自任務；

(3)方案實施；

(4)項目總結及經驗交流。

在整個項目化教學實施過程中，教師應起引導性作用，及時解決學生在項目設計中所遇到的問題。學生在進行項目設計過程中必須分工合作，具有團隊精神。在項目實施過程中，學生不僅需要將所有知識綜合運用，更需要具有創新能力，這樣才能完成整個項目的設計。

3 結束語

通過教學順序的調整，使課程內容由難變簡，深入淺出，學生在學習理論過程中循序漸進，與學過的51單片機做比較學習，使學習變得較輕松。在學習過程中，可利用現有條件搭建虛擬平臺，讓學生不僅在課堂上也可在課后進行實驗，讓所學知識得到鞏固。在所有知識點完成后，以一個小項目總結前面所學知識，這讓學生對該課程更有興趣，既拓寬了學生知識面，又提高了學生的綜合能力和動手能力，使學生在教學教學過程中占主導地位。課程改革的實際應用效果較好，但是教學改革任務艱巨，需根據實際情況不斷對教學方法進行調整，以適應學生及社會需要。

[1] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[2] 鄧春健,李文生,楊亮,等.ARM嵌入式系統課程教學方法研究[J].計算機教育,2010,3.

Research and practice on teaching method of ARM embedded system

Feng Jiqin, Zhu Ge, Chen Gubo
Chongqing university of technology, Chongqing, 400054, China

A lot of negative factors are existing in ARM embedded system teaching, such as diff culties in theoretical knowledge of books, insuff cient time for experiments, def ciency in innovation ability and so on. In order to make students understand and apply ARM embedded system completely, theoretical knowledge of books, simulation experiments and project education were integrated together and taught students step by step in education reforms. In this way, students' learning interesting could be increased, and operation ability and innovation ability could be improved. As a result, good teaching effects could be obtained.

ARM embedded system; simulation experiments; project education; innovative ability

近年來，隨著計算機技術及大規模集成電路技術的發展，嵌入式技術日漸普及，在通訊、網絡、工控、電子等眾多領域發揮著越來越重要的作用。同時隨著嵌入式技術的不斷發展，嵌入式人才的需求量也在逐年增加，人才缺口逐漸擴大。對嵌入式系統技術作為一門新興技術，涵蓋了電子、信息、計算機等多項技術的綜合應用，因此對嵌入式系統課程教學也提出更高要求和挑戰。

1 教學現狀

2011-11-24

馮濟琴，碩士，副教授。

重慶理工大學高等教育項目(編號：11002)。