集中授課方式在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

武華 張廣淵 武曉明 劉洋

摘要：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是電子信息工程專業(yè)開設(shè)的主要專業(yè)方向，該方向?qū)I(yè)課程實(shí)踐性、應(yīng)用性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中難以掌握。本文通過分析嵌入式系統(tǒng)方向教學(xué)現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)的教學(xué)方式的不足，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)方向應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，針對(duì)該方向課程特點(diǎn)、不同階段所需學(xué)習(xí)課程及要掌握的技能，淺談一下集中授課方式在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；集中授課；教學(xué)方式

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）49-0182-02

一、引言

隨著信息化與工業(yè)化的融合及工業(yè)4.0國家戰(zhàn)略的提出，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)有著越來越廣闊的應(yīng)用空間。目前，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)深入應(yīng)用到了工業(yè)控制、智慧城市、智慧交通、智能家居、智能醫(yī)療、智能穿戴、通信設(shè)備等人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的緊迫需要，如今大多數(shù)高校在電子信息工程、自動(dòng)化等專業(yè)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方向[1-3]。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向課程教學(xué)中大多高校仍采用傳統(tǒng)的授課方式，即把相關(guān)專業(yè)課分散到三到四個(gè)學(xué)期，每門課又分散到一個(gè)學(xué)期講授，每周二到三次課。其教學(xué)效果并不理想，學(xué)生普遍感到該課程難以掌握。為了解決上述問題，本文給出集中授課方式在嵌入式系統(tǒng)方向教學(xué)中應(yīng)用的一些想法和意見。

二、嵌入式系統(tǒng)方向開設(shè)背景及課程介紹

（一）嵌入式系統(tǒng)開設(shè)背景

所謂嵌入式系統(tǒng)是軟硬件緊密結(jié)合的綜合系統(tǒng)，一般而言，嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成，它是面向用戶、面向應(yīng)用、面向產(chǎn)品的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)擁有軟件硬件可裁剪，對(duì)可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的特點(diǎn)?；谇度胧较到y(tǒng)的“專用性”以及“嵌入性”，在各個(gè)領(lǐng)域均有嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。因此當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α⑸鐣?huì)需求大量的嵌入式軟硬件工程師。在此背景下，以及遵循培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)理念下，國內(nèi)絕大多數(shù)高校紛紛開設(shè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程。

目前我校的嵌入式系統(tǒng)方向人才培養(yǎng)目標(biāo)是：掌握電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用等工程領(lǐng)域的實(shí)踐知識(shí)和技能，具備嵌入式開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)測試、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)能力，能在通信、電子設(shè)備設(shè)計(jì)制造、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、IT業(yè)等部門從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件分析與設(shè)計(jì)、測試、物聯(lián)網(wǎng)研究與開發(fā)、電子信息系統(tǒng)應(yīng)用與維護(hù)、開發(fā)、測試、銷售及研究等生產(chǎn)和管理第一線需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[4]。

（二）嵌入式系統(tǒng)課程介紹

嵌入式系統(tǒng)課程一般包括：Linux系統(tǒng)、C語言、C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、ARM微處理原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)GUI開發(fā)。其中Linux系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)課程的核心部分，在今后的嵌入式開發(fā)編程過程中大多是在Linux環(huán)境下進(jìn)行；C語言則屬于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)最基礎(chǔ)也是最重要的編程語言，目前嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)多是基于C語言；C++語言則是屬于面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程，嵌入式系統(tǒng)GUI開發(fā)則是在Linux環(huán)境下在Qt上使用C++語言進(jìn)行圖形界面的編程設(shè)計(jì)；最后ARM微處理器的原理與應(yīng)用是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)課程的精華也是其難點(diǎn)所在，所有的程序都需要在ARM處理器上運(yùn)行，所以學(xué)習(xí)好ARM原理與運(yùn)用無論以后做硬件工程師還是軟件工程師都有著重要意義[5-7]。

三、嵌入式系統(tǒng)方向教學(xué)方式現(xiàn)狀

目前絕大多數(shù)高校仍然采用傳統(tǒng)的授課方式來講授嵌入式系統(tǒng)課程，即把相關(guān)專業(yè)課分散到三到四個(gè)學(xué)期，某門課程在一個(gè)學(xué)期開展，分散在15～18個(gè)教學(xué)周，每周講授4～6節(jié)課。從近幾年畢業(yè)生難以適應(yīng)市場的需求來看，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)顯然有著巨大的不足之處。主要不足是：

1.知識(shí)點(diǎn)的講授不連貫，往往在下節(jié)課浪費(fèi)了大量的時(shí)間來進(jìn)行上次課的補(bǔ)習(xí)。

2.實(shí)踐應(yīng)用少，尤其對(duì)于應(yīng)用開發(fā)型的課程，講完理論之后缺失及時(shí)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)。即使加了實(shí)驗(yàn)課，某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能在兩節(jié)課完成[8]。

3.時(shí)間跨度過大，嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)涉及面廣，僅僅上述的四門基礎(chǔ)課程按傳統(tǒng)授課計(jì)劃一學(xué)期一門課來看，需要兩年才能完成。

4.高校針對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)知識(shí)落后于當(dāng)下嵌入式技術(shù)發(fā)展，同時(shí)也缺乏有資深嵌入式工作經(jīng)驗(yàn)的教師。

四、集中授課方式在嵌入式系統(tǒng)方向教學(xué)應(yīng)用

集中授課方式是指把某門課程集中在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，直到該門課程進(jìn)行完畢，再開展下一門課程的學(xué)習(xí)。整個(gè)學(xué)習(xí)階段大致是以知識(shí)點(diǎn)做基礎(chǔ)，實(shí)際應(yīng)用做課程案例，開發(fā)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，注重提高學(xué)生的實(shí)際編程能力。這樣能夠及時(shí)有效地進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)，能夠穩(wěn)固知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，而且學(xué)習(xí)時(shí)間跨度大大降低，根據(jù)人類的記憶規(guī)律更能使學(xué)生加深理解記憶，更好地掌握本階段的知識(shí)[9]。

由于嵌入式課程涉及知識(shí)面廣，系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程我在這里大致分為了四個(gè)階段：

1.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)篇。首先，進(jìn)行Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，其主要內(nèi)容為：學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)的理論知識(shí)，如Linux系統(tǒng)簡介、Linux的文件系統(tǒng)、文件類型及屬性、文本編輯器等；之后進(jìn)行學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)下的常用命令和shell編程；最后也是以后常使用的知識(shí)便是編譯與調(diào)試，學(xué)習(xí)GCC編譯器和GDB調(diào)試器以及make工具，通過makefile文件來描述源程序之間的相互關(guān)系并自動(dòng)維護(hù)編譯工作。其次，在學(xué)習(xí)了Linux基礎(chǔ)之后便可以在Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，也就意味著進(jìn)入了C語言的高級(jí)編程學(xué)習(xí)中，而在此階段學(xué)習(xí)中不能像傳統(tǒng)教學(xué)一樣僅僅教授C語法基礎(chǔ)，要更深入學(xué)習(xí)C語言的靈魂知識(shí)——指針的學(xué)習(xí)，之后進(jìn)行C的高級(jí)編程，例如編譯的預(yù)處理、鏈表及操作、樹和二叉樹等知識(shí)的學(xué)習(xí)。這樣就基本上完成了本階段的理論學(xué)習(xí)，本階段最后一步是學(xué)生實(shí)戰(zhàn)提高的一項(xiàng)內(nèi)容即C項(xiàng)目系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在一個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)過程中幾乎會(huì)用到此前所學(xué)的所有知識(shí)，學(xué)生在開發(fā)過程中也會(huì)看清自己學(xué)習(xí)中所欠缺的知識(shí)。

本階段因?yàn)槭腔A(chǔ)性知識(shí)學(xué)習(xí)，在后期學(xué)習(xí)應(yīng)用中均占有很大的分量，所以用時(shí)也是最長的一個(gè)階段，約在5～6周方可完成階段性學(xué)習(xí)。

2.嵌入式開發(fā)系統(tǒng)篇。在完成了C語言的學(xué)習(xí)后，便可以開始進(jìn)行學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，本階段學(xué)習(xí)目標(biāo)便是掌握Linux系統(tǒng)編程和網(wǎng)絡(luò)編程的基本方法，掌握多進(jìn)程和多線程的編程能力。學(xué)習(xí)過程中主要學(xué)習(xí)進(jìn)程與線程的原理、進(jìn)程間通信的方式、網(wǎng)絡(luò)的基本原理、Socket編程等。在此階段的學(xué)習(xí)中要多鍛煉大型程序和復(fù)雜項(xiàng)目框架的設(shè)計(jì)能力，使得學(xué)生能夠在未來工作中具備掌控和領(lǐng)導(dǎo)項(xiàng)目的潛力。

在完成本階段性學(xué)習(xí)之后，同樣需要大量的練習(xí)以及系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)訓(xùn)練。本階段主要是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，則需訓(xùn)練諸如局域網(wǎng)OICQ程序設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)之類的開發(fā)項(xiàng)目，來提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)能力。本階段主要學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)性開發(fā)，大約在四周左右完成。

3.嵌入式開發(fā)的軟件應(yīng)用篇。本階段主要進(jìn)行C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)開發(fā)，學(xué)習(xí)類和對(duì)象的區(qū)別與應(yīng)用，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的三個(gè)基本特征：封裝、繼承和多態(tài)。因其在C語言基礎(chǔ)上演變而來，故而此階段屬于快速學(xué)習(xí)階段，在一到兩周即可完成。然后學(xué)習(xí)系統(tǒng)GUI開發(fā)，主要要求掌握Qt開發(fā)的基本流程和Qt提供的類庫的使用方法。在整個(gè)的軟件應(yīng)用階段會(huì)在兩周內(nèi)完成。

雖然學(xué)習(xí)用時(shí)比較短，項(xiàng)目的開發(fā)練習(xí)依然不可缺少，在未來工作中這類快速學(xué)習(xí)并加以應(yīng)用的情景有很多，學(xué)生們有必要也必須有快速學(xué)習(xí)的能力。

4.嵌入式開發(fā)的硬件篇。本階段在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中屬于難點(diǎn)，需在本階段學(xué)習(xí)ARM微處理原理和應(yīng)用，主要掌握ARM的基本架構(gòu)、指令系統(tǒng)，同時(shí)也要了解ADS集成開發(fā)環(huán)境；嵌入式Linux的系統(tǒng)移植，主要掌握u-boot啟動(dòng)流程、u-boot的移植流程及關(guān)鍵步驟，學(xué)會(huì)構(gòu)建根文件夾系統(tǒng)，掌握整個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)方法；學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)，掌握嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本原理、架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法以及驅(qū)動(dòng)開發(fā)中常用的機(jī)制和內(nèi)核資源。

該階段主要以實(shí)驗(yàn)為主，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，熟悉嵌入式的硬件程序開發(fā)，該階段也在四周左右。

五、總結(jié)

經(jīng)過對(duì)社會(huì)上嵌入式系統(tǒng)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的調(diào)研來看，大多數(shù)機(jī)構(gòu)都是應(yīng)用的此類授課方式專項(xiàng)培訓(xùn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才，而經(jīng)過培訓(xùn)之后的學(xué)員有著扎實(shí)的知識(shí)功底和良好的實(shí)用技能，明顯比高校畢業(yè)生有更高的動(dòng)手能力和崗位適應(yīng)優(yōu)勢(shì)。因而在高校嵌入式系統(tǒng)方向課程的教學(xué)中嘗試使用集中授課方式，對(duì)提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)有重要的借鑒意義。

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