嵌入式系統教學的探索和實踐

張慶輝 王學梅

摘 要：在分析了嵌入式系統教學的特點和現狀的基礎上，研究了嵌入式系統教學模式，包括理論教學、實驗教學和課程設計，提出實驗環節在嵌入式系統教學中的重要地位，重點分析了課程設計的教學模式。

關鍵詞：嵌入式系統 教學 探索 實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（a）-0113-02

近年來，隨著科技的發展和社會需求的推動，嵌入式技術及其應用已成為當今世界IT行業研究和應用的熱點。隨著網絡技術和通信技術的發展，嵌入式系統的發展和應用有了有力的技術支持和巨大的市場前景。嵌入式系統已經在國防、航天航空、機器人、移動通訊、醫療儀器、工業控制、汽車電子、信息家電、儀器儀表、數碼產品等諸多領域廣泛應用。社會對掌握嵌入式技術的人才需求越來越大，但目前相關技術人才卻嚴重匱乏，可以預見，嵌入式工程師將成為未來幾年內最為熱門的職業之一。

嵌入式領域的人才需求日益旺盛，人才缺口在逐步擴大，目前很多高職高專院校的相關專業都針對市場需求開設了嵌入式系統相關課程；但是由于嵌入式系統具有實踐性和應用性極強的特點，多數院校嵌入式系統教學起步較晚，普遍存在設備更新緩慢的問題，或者受人才儲備不足以及教學改革研究經費難以保障等因素的影響，在嵌入式系統教學上障礙重重，缺乏嵌入式系統人才的問題已經阻礙嵌入式產業可持續發展的重要問題之一[1]。因此，嵌入式系統的人才培養問題是高校嵌入式系統教學正在面臨與必須解決的問題。為更好地為社會培養實踐型、技能型人才，本文對嵌入式系統教學改革進行了探索和研究。

1 嵌入式系統教學特點和現狀

與國外相比，我國嵌入式系統起步較晚，真正得到發展還是近幾年的事情。高等院校作為培養嵌入式人才的主要基地，課程零散，無系統性，還沒有形成統一的教學體系和人才培養模式，還沒有發揮各個課程間的協同優勢，沒有一個全局的教學規劃，是各大高校教學中亟待解決的共同難題。

（1）現在國內的部分高校對嵌入式技術的概念模糊，對內容沒有徹底了解。如何同大學的前期課程的學習結合起來，這是教學的關鍵所在。另外，需要合理的規劃和研究如何確定主流的微控制器芯片和主流的操作系統。

（2）實踐性強是嵌入式系統課程的特點，對于初學者，必須有足夠的必要實驗環節和重要的驗證性實驗，這樣教學過程就不會簡單枯燥、內容乏味，學生也不會失去興趣；否則，老師教好、學生學好將是無從談起。所以說開展好實踐教學非常重要。

（3）學生專業不同，所掌握的背景知識不同，具體表現在：計算機類專業學生的電路與硬件基礎薄弱，對模電數電知識模糊；而電子類專業學生軟件基礎薄弱，不具備操作系統的相關知識，雖然都學過“電路”、 “C語言編程”等課程，但是他們一般都缺乏大型軟件項目的開發經驗，尤其缺乏操作系統方面的相關知識。因此在嵌入式系統課程體系中，針對不同的學生，需要首先增加一些用于彌補學生硬件電路、軟件知識和操作系統的課程。

2 嵌入式系統教學模式探索

2.1 理論教學

學生在校期間的學習時間畢竟有限，而嵌入式控制領域又涉及到很廣的知識面，需要學習很多東西，并且知識枯燥。為解決這個矛盾，嵌入式系統課程的目標是：實驗教學輔助理論教學，以理論教學為主，以實驗教學為輔，通過教學培養研究開發型人才。因此本課程的教學模式最好采取“啟發-強化-實踐”逐步深入的方法。課程教學的前期要通過講述嵌入式控制系統的優越性及其廣闊的應用前景，來調動和激發學生的學習興趣。

教學中間階段是對課程基礎知識的學習和強化。國家標準對于嵌入式系統的定義是這樣的：置入應用對象內部起操作控制作用的專用計算機系統。即凡是能置入一個大的對象內部、起到控制作用的芯片就可以叫嵌入式系統。實際上最基礎、最典型的嵌入式系統就是單片機系統。嵌入式教學的起步應該是教授8位單片機系統。隨著單片機等微處理器的應用越來越廣泛，8位單片機的處理速度、存儲容量和開發手段等方面越開越不能滿足需要，于是開始向更高的處理速度、更方便的操作方式以及16位和32位系統進展[2]，例如DSP、ARM等，最后出現了能夠支持操作系統的嵌入式芯片和技術[3～4]，比如SOPC。而對于芯片而言，根據不同的廠家，有多種選擇，同一個廠家也根據處理速度和管腳多少有不同的產品。操作系統一般應用嵌入式Linux系統，或者Windows CE系統，能夠放在很多嵌入式芯片上應用，比如ARM和FPGA。所以當我們循序漸進的教學時，應當先從單片機入手，熟練后學習ARM的有關知識，最后是Linux操作系統的掌握。

課程學習的最后階段是實踐應用環節，該階段可以驗證學生對所學知識的理解和掌握情況，能夠讓學生充分理解和掌握嵌入式芯片的工作原理和軟硬件開發平臺。課程的實驗環節主要包括實驗教學、課程設計以及科研訓練項目。

2.2 實驗教學

在嵌入式系統課程教學中，實驗教學非常重要。本文結合自己的教學和實踐經驗，主要介紹實驗教學環節的實施過程。該過程是這樣的：以工程應用為主，循序漸進、逐漸深入。課內實驗是必修教學環節，包含驗證性實驗和設計性實驗。驗證性實驗以各種專用實驗箱為主，與相應的課堂教學同步進行，配合相應的理論課學習，采用理論授課與動手實驗相結合的方式。通常單片機實驗是這樣的，依賴某一個特定的實驗箱或是實驗板，提供了幾個固定的經典實驗。學生通過這樣的試驗箱，能夠快速的學習各個模塊的使用，親自驗證各個功能模塊的實驗，記憶深刻，等到綜合性實驗時就可以靈活運用它們了。同時驗證課堂上學到的相關理論知識，使學生加深對理論知識的理解和掌握；了解嵌入式系統的集成開發環境、調試工具和測試工具的使用方法[5]，了解嵌入式系統的開發流程。

設計型實驗則在理論課所學知識的基礎上，自行設計相關應用型實驗。在充分驗證課堂上所學到的理論性知識的同時，培養學生的自主動手設計能力。實驗中，老師根據知識難易程度給出實驗課題，要求在學生掌握單片機或者ARM架構、尋址方式、指令系統和外圍接口等知識的基礎上，提倡學生自主設計實驗方案，自行設計外圍電路，編寫實驗程序，調試運行，使學生具備在嵌入式平臺上設計開發的能力。對于嵌入式微處理器，該能力包括匯編語言編程、C語言編程及匯編語言和C語言混合編程、調試及對外圍接口編程和運用能力。同時學校提供一些核心板和功能擴展模塊，配合學生的設計性實驗。

2.3 課程設計

（1）課程設計的重要內容是綜合性實驗。在驗證性實驗和設計性實驗的基礎上，在課程結束時進行課程設計。根據老師給定的一些綜合性選題，學生自由選擇感興趣的題目，根據整個課程的知識，利用學校實驗臺資源，制定出實驗方案和步驟。通過設計硬件電路，編寫程序，仿真調試，獨立完成一個比較復雜的綜合性實驗項目。通過課程設計的綜合性實驗，使學生掌握嵌入式系統的開發流程，對嵌入式系統設計有更深入的理解，并初步具備進行具體應用和綜合設計的能力。

（2）引入案例教學和項目教學模式，激發學生學習的積極性。針對社會對應用型人才的要求，結合學生的情況和學科的前沿技術，引入以案例教學和項目教學為主體的教學模式，遵循“學以致用、以用促學、邊學邊用、熟能生巧、追求創新”的理念。嵌入式課程教學可以一開始就可以下達課程設計任務讓學生選擇與了解，課題可以選用教師教學科研項目和各種大學生創新競賽項目。這樣可以讓學生更積極地去學習實踐環節，學生從“強迫學”變成“主動學”，同時學生也比較了解自己將要用到什么知識需要學什么知識。另外，實際應用能力的提高讓學生更有動力，使他們充分利用課余時間，既鞏固了知識點，又提高了設計經驗。

（3）建立學生為主力的研發團隊。對于基礎牢、悟性高、有一定開發能力的學生，通過選拔建立研發團隊，教師引進橫向課題，帶領學生完成這些面向應用的創新性項目。踐行“導師負責制”，篩選一批技術扎實、專業經驗豐富的教師隊伍，親手指導和教授學生，形成一支教師為帶頭人、學生為主力軍的研發團隊。同時在實踐教學中，強調以學生為認知的主體，通過學生的“感受”提出問題，在教師的指導下解決問題，能夠在大學期間更好地提高自己的工程實踐和創新能力。

3 結語

上述教學改革措施，以培養創新型人才為目標，把理論教學與實踐教學有機結合起來，進而提高嵌入式系統應用的綜合素質，使學生能成功地運用嵌入式芯片這門工具進行創造性開發設計。

參考文獻

[1] 李成華，江小平.嵌入式Android操作系統實踐教學改革[J].石家莊：教育教學論壇，2011，20（7）：153-154.

[2] 范劍，李軍，夏如艇.單片機課程現場實驗教學改革與實踐[J].北京：中國教育技術裝備，2012，3（6）：63-64.

[3] 高國旺，黨瑞榮，任志平.DSP課程教學改革與創新實踐探索[J].北京：理工高教研究，2010，29（1）：131-133.

[4] 倪福銀，朱幼蓮，錢志文.“DSP技術與應用”課程教學改革研究[J].南京：江蘇技術師范學院學報，2010，16（6）：85-88.

[5] 宋金華.單片機實驗教學的研究[J].成都：中國西部科技，2011，30（10）：93-95.