基于FPGA和ARM的嵌入式實驗教學改革研究

白云

（西安科技大學 工程訓練中心，陜西 西安 710054）

基于FPGA和ARM的嵌入式實驗教學改革研究

白云

（西安科技大學 工程訓練中心，陜西 西安 710054）

本文以西安科技大學工程訓練中心的FPGA和ARM嵌入式實驗教學改革為背景，通過對傳統嵌入式實驗教學存在的問題進行分析，提出了嵌入式實驗教學改革的新思路，旨在形成新的嵌入式技術實踐教學體系，探索工程應用型人才、卓越工程師的培養模式。

FPGA；ARM；嵌入式實驗教學改革

嵌入式技術是計算機應用技術的新發展，具有廣泛的應用領域和發展前景，在通信、國防、工業自動化、計算機設計與應用、儀器儀表等領域的電子系統設計中，嵌入式技術的含量正以驚人的速度提升。電子類的新技術項目的開發也更多地依賴于嵌入式技術的應用，作為當前最熱門最有發展前途的應用領域之一，嵌入式人才稀缺，就業形勢看好。嵌入式技術涵蓋了機械、控制和通訊等所有現代工程專業的內容，是目前世界各國進行工程訓練、教學實驗和研究的最為理想的平臺。本文以西安科技大學工程訓練中心的FPGA和ARM嵌入式實驗教學改革為背景，通過對傳統嵌入式實驗教學存在的問題進行分析，提出了嵌入式實驗教學改革的新思路，旨在形成新的嵌入式技術實踐教學體系，探索工程應用型人才、卓越工程師的培養模式。

一、傳統的嵌入式實驗教學存在的問題

目前普通高校開設的嵌入式實驗課程大多數都有相應的課堂教學，其主要內容都是涉及教師在課堂上所要求的重點內容，無法從系統的整體設計上進行考慮。主要存在的問題有：

1.實驗課的重視程度不夠。

2.實驗教學內容與社會發展脫節：在教學過程中，教學大綱往往得不到及時的更新，相應教材也得不到及時的更換，因此出現了教學內容跟不上社會發展對嵌入式人才需求的現象。

3.學生實踐機會少，動手能力差：傳統的嵌入式實驗教學主要是驗證性實驗，即使含有設計內容，也主要是用既定的元器件進行組合電路而成，學生無法從這樣的設計過程中體會到真正的嵌入式技術，所以，就會出現學生們對嵌入式系統的系統結構、硬件接口、編程語法都能學得很好，可是一提到利用嵌入式系統開發產品時，真正能動手的學生寥寥無幾，出現學知識和用知識脫節的現象。

二、FPGA和ARM的嵌入式實驗教學改革內容

1.嵌入式實踐教學體系的建立。通過對嵌入式技術相關行業的走訪調研，深入了解社會對嵌入式人才的需求情況，確定具有我校特色的嵌入式技術實踐教學體系。首先，開發立體化教學包，教學包中包括FPGA和ARM嵌入式技術實訓課程教學大綱、實驗指導書、電子教案、實訓指導、FPGA/ARM嵌入式實驗箱、實驗箱的使用說明、教學資源庫（包括：FPGA和ARM系統的技術資料、實驗模塊的軟硬件設計技術資料等）及實驗環節考核系統等，以適應電類及相關專業的學生進行FPGA和ARM嵌入式技術課程實訓，提高教學質量和教學效果。其次，將教學內容分為基礎篇和提高篇，基礎篇可以滿足大一、大二學生工程訓練的要求，讓低年級學生獲得嵌入式技術全方位的系統化的基礎工程訓練。提高篇面向三、四年級的創新班和在嵌入式方面有一些基礎的大學生，面對創新項目和電子競賽題目，一對一地指導和授課。層次化的教學內容滿足了不同年級學生對嵌入式實驗的需求，提升學生的專業知識、創新能力和就業競爭力。最后，在教學內容的安排上，為了使學生掌握嵌入式系統軟硬件設計，能運用所學的知識進行各種嵌入式系統的開發，培養學生軟硬件開發的能力。具體教學內容包括：FPGA和ARM嵌入式系統結構、FPGA和ARM嵌入式操作系統、FPGA和ARM的應用軟件開發、FPGA和ARM嵌入式系統的開發軟件的調試和使用等。根據不同專業的人才培養方案要求，注重學生動手能力及工程實踐能力的培養，精心設計實驗項目，將與嵌入式相關的課程有機結合起來，在實驗教學中體現理論、實踐、能力的有機結合，形成以課堂講授+互動討論+動手實驗+科技活動相融合的嵌入式技術實踐教學體系。

2.實驗教學方式的改革。目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技術實訓課所使用的實驗平臺是我們中心自己研發的FPGA/ARM嵌入式實驗箱，通過調研，兄弟院校也有實驗室開嵌入式課程，但大多都是買市場上成品的嵌入式實驗箱如FPGA實驗箱等，功能單一。我們中心自己研發的FPGA/ARM嵌入式實驗箱采用全開放式的模塊化設計，功能單元豐富，作為實驗平臺完全能夠滿足嵌入式實驗的教學要求。在實驗教學中融入了“模塊化”、“自主化”、“工程化”的思想，幫助學生系統地完成從簡單數字電路實驗到各種復雜數字系統的設計。例如，利用實驗箱里已有的模塊如FPGA最小系統、液晶顯示模塊等搭建一個智能小車系統，學生處理用已有的資源外，要自己制作或去電子市場購買車體，還需要一下外圍電路模塊，如電機驅動模塊等，學生可以自己制作。從硬件設計開始做起，培養學生制作電路原理圖、電路PCB圖，經過PCB制版，然后在自己做的PCB板上焊接元器件。再經過硬件調試，在調試好的電路板上開發設計程序，逐漸完成硬件功能的調試分析到軟件編程的調試運行。整個一個過程下來，學生對FPGA嵌入式系統有了更深層次的理解，也更好地提高了學生的創新思維和實踐能力。

3.實驗教學改革實施效果。將本次教學改革在全校的公選課上試行，通過對60名參加FPGA和ARM嵌入式技術選修課程學習的學生的問卷調查發現，學生對改革后的FPGA/ARM嵌入式實驗課程感到滿意的為97%，對實驗環節是否能激發學生的創新思維的認可程度為90%，對綜合性實驗感到收獲很大的為84%。通過采用新的教學體系、內容和方法，大大提高了學生的學習興趣，許多學生都能夠主動地查找與實例相關的教學內容，包括硬件連接、寄存器設置、程序代碼的編寫，提高了學生主動學習的能力；通過已有的實驗模塊，引導學生開發新的實驗模塊，搭建嵌入式系統應用平臺，既能夠補充新的嵌入式系統知識、提高學生動手能力，又能夠為學校節省經費；通過嵌入式實驗的課堂培訓，大大提高了學生動手能力，激發了學生對嵌入式技術的求知欲，鼓勵學生多實踐，參加學校組織的電子競賽，并有機會參與到教師的課題研究中來。在學生畢業就業時，學生的就業率和就業質量也得到了大大的提高。

本文針對當前FPGA和ARM嵌入式實驗教學中存在的“實驗設備、實驗教材及內容針對性、實用性不強，不能滿足教學和社會需求”等實際問題進行研究與實踐，從教學內容、教學方式、實踐環節幾方面提出了嵌入式實驗教學的新思路，實踐證明，上述嵌入式實驗教學改革方案對提高學生的學習積極性、動手能力、創新能力和運用能力都有很好的作用和效果。

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G642.3

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1674-9324（2014）35-0248-02