以電子設計競賽推進嵌入式系統實踐教學改革

黃麗

摘 要 實踐教學環節在嵌入式系統課程中具有極其重要的作用，傳統的實驗多為驗證性項目，學生動手實踐能力較差。為了提高學生學習興趣和創新意識，本文主要探討了競賽驅動的實驗模式，從三個方面分層次、有步驟地推進教學改革，以提高學生的工程實踐能力。

關鍵詞 電子設計競賽 嵌入式系統 實踐教學改革

中圖分類號：H191 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.051

1電子設計競賽需求

全國大學生電子設計競賽是由教育部組織的、面向全國大學生的科技活動，主要目的是推動電子信息類學科發展，促進教學內容改革，同時培養大學生的團隊合作精神和創新意識。①促使學生理論聯系實際，加強學生工程實踐能力的訓練和培養，選拔優秀人才， 因此得到各個高等院校的高度重視，大學生參與的積極性也較高。全國大學生電子設計競賽在奇數年的暑假舉行，比賽時間是四天三夜，每支隊伍由三名學生參賽。由于比賽時間短，要在四天內完成實物制作和設計報告，并達到較高的性能指標，必須在課程教學中深化知識內容，并加強模塊訓練，提高學生的實踐創新能力。

全國大學生電子設計大賽題目共分為7大類，每類題目都涉及軟硬件知識，偏硬件的題目以高頻無線電、放大器、電源、信號源為主，偏軟件的題目以儀器儀表、數據采集處理和控制為主。隨著信息技術的發展，全國大學生電子設計競賽中使用的微處理器性能要求逐漸提高，CPU也從16位單片機轉換到32位。近幾年競賽隊伍多采用低成本、低功耗的32位ARM單片機作為主控芯片，廣泛應用于各類題目中，例如信號源、高頻無線電、儀器儀表、數據采集與處理、控制等。

全國大學生電子設計大賽為了培養創新意識強的實踐型人才，既是對傳統教學方法的挑戰， 同時也能夠反應課程教學水平和教學改革的成敗。題目涉及眾多科目，要求學生具備綜合應用能力。以理論設計為基礎，更強調系統實現。近年來電子設計競賽題目趨于高頻化和智能化，以單片機為教學重點的嵌入式系統課程成為必須掌握的知識技能。

2嵌入式系統教學現狀

目前嵌入式系統專業課教學中，通常以32位單片機為例講授相關的知識和設計方法。②嵌入式系統作為一門綜合性專業課程，涉及的知識點較廣泛，但往往課堂時間有限，學生能夠投入動手實踐的機會較少。高校中嵌入式系統教學還有許多值得探討改進之處，例如實驗環節中學生創新性不足；學生在系統開發時不具備整體設計意識，底層硬件驅動軟件開發水平不足。③傳統嵌入式系統教學偏理論、輕實踐；重分析、輕綜合；重個體、輕協作。實驗課程內容陳舊、形式呆板、方法單一。④按照傳統方法培養的學生，在參賽時往往會出現很多問題。比如理論設計正確卻無法在工程上實現；單元電路仿真正確卻無法實現系統聯調；軟件編程邏輯正確，卻達不到所需的精度和性能指標。

由于電子設計競賽對硬件設計和軟件編程等實踐能力要求都高于常規教學，因此如何利用競賽推進嵌入式系統實踐教學改革，成為眾多高校關注的問題。⑤而嵌入式系統教學同時強調軟件開發和硬件設計相結合，使其設計的系統能滿足應用要求，從而制作出符合工程應用要求的作品。⑥

3嵌入式系統實踐教學改革

嵌入式系統實踐環節在教學中具有極其重要的作用，關鍵是要在有限的課堂中有效安排符合課程內容的實驗項目。⑦為此本文主要探討了競賽驅動的教學實驗模式，一方面是為了更好地幫助學生發揮能動性和創新性，同時也是為了促進教學內容跟上科技高速發展的步伐。

3.1 建立實踐教學平臺，培養學生創新思維

為適應嵌入式課程教學和電子設計競賽的需求，中南民族大學近十年來投入數百萬元建立電子類實驗室。例如，基礎實驗室包括數字電子和模擬電子實驗室、數字信號處理實驗室、單片機實驗室、電子設計自動化實驗；綜合實驗包括嵌入式系統仿真實驗室、SOC實驗室等。與此同時，電子與信息工程學院的學生還建立了電子設計協會，組織選拔有興趣的學生參與學習競賽小組，并進行電子（數字和模擬電子）、單片機和電源設計等課程的專門訓練。實行導師制，安排專業老師進行具體指導，并建立專門的電子設計競賽實驗室和創新項目實驗室。較有特色的智能車實驗室，通過教學實訓平臺開發機器人智能車，控制智能車在實際賽道上行駛，使學生熟悉智能車的各個模塊設計原理，激發了學生對ARM系統開發的濃厚興趣。

另外電子信息工程學院還組建了導師團隊，選拔優秀學生加入導師制，從大學二年級開始進行“一對一”的專業指導。每年學校都設立大學生創新創業訓練計劃項目，舉辦大學生電子競賽等科技實踐活動，鼓勵學生積極參與包括電子設計大賽與藍橋杯等計算機競賽活動。

3.2 實驗體系分層次，以競賽促進教學

根據學生基礎不同我校將實踐教學細分為三個體系層次，并在每個層次中都設計了必修實驗和選修實驗項目。從基本的電路設計調試開始培訓，分階段、按步驟增加實驗難度，逐步培養學生的動手實踐能力。最后在綜合應用設計實驗項目中融入競賽內容，提高學生的自學能力，挖掘學生的學習潛力。三個層次的詳細實驗項目介紹如下。

3.2.1基礎實驗

實驗目的：為驗證性實驗，目的是使學生熟悉基本開發工具和軟件編程環境，可讀懂程序并進行調試。

必修項目：C語言、匯編語言、ARM開發環境實驗；串口通訊實驗；中斷、定時器實驗；A/D、D/A轉換實驗等；鍵盤、LED、LCD 及觸摸屏實驗。

選修項目：DMA實驗；看門狗實驗；Boot Loader實驗等。

3.2.2進階實驗

實驗目的：主要安排操作系統移植、應用程序編程，并結合競賽中的知識點加強模塊訓練。

必修項目：Linux基本應用程序實驗；Linux文件系統實驗；Linux 內核移植實驗。

選修項目：Linux串口通信實驗；Linux中斷處理實驗；Linux下的 Socket通信實驗。

3.2.3綜合實驗

實驗目的：全部是選修項目，訓練自學能力強、基礎較好、預備參加競賽的學生。綜合課題涉及多門學科知識，增加了硬件設計內容，加強了學生對軟硬件聯合調試的能力，選拔競賽人選，分組進行競賽訓練。

必修項目：選取往年典型的電子設計競賽題目，限定時間內完成，根據性能指標進行評測。

3.3 政策扶持，積極推進教改

學校實驗管理中心、科研處以及創新創業中心每年都投入大量人力和經費組織競賽，以保證課程教學改革和競賽工作的順利進行。其中大學生電子競賽在奇數年和偶數年分別開展全國性競賽和省級競賽，同時學院也制定了相關的制度政策，給予強有力的技術支持和后勤保障。首先，為競賽提供專用的實驗場地、儀器設備、資金資助，并配備教師團隊進行專門的競賽指導，優先解決競賽的各種問題。其次，為激勵學生積極參與競賽，對參賽學生給予支持獎勵，安排競賽期間的食宿，提供良好的后勤保障。同時，學院會為綜合素質好、競賽中取得較好名次的學生，推薦免試研究生或者優先就業的機會。電子與信息工程學院給予優先政策支持，在電子設計競賽和智能車比賽中，每屆都有參賽隊伍獲得全國一等獎，從而極大地帶動了大學生學習和參賽的積極性。

4結語

以應用為目的、以競賽為動力、分層次有步驟地推進教學改革，在嵌入式系統教學實踐過程中取得了良好的效果。首先從嵌入式系統基礎的驗證性實驗入手，在此基礎上逐步增加操作系統實驗項目，并針對技術難點按模塊進行實驗，最后開展實際競賽項目的綜合訓練。嵌入式系統教學改革的宗旨是提升學生綜合應用實踐能力，訓練學生電子電路設計基本技能，提高學生軟件及算法的編程水平，以培養出“基礎扎實、動手能力強、有創新意識”的高素質電子信息技術人才。

注釋

① 姚有峰，趙江東，汪明珠.從電子設計競賽談電子類實踐教學改革.實驗技術與管理，2009.26（7）：131-133.

② 樓旭陽.嵌入式系統原理及應用教學中學生實踐能力培養問題的探索與實踐.高教學刊，2015.5：73-74.

③ 冼進，賈德良，畢盛.嵌入式系統實驗課的教學改革初探.實驗室研究與探索，2011.30（8）：282-285.

④ 王維博，王海濱，葉凱.電子信息工程專業嵌入式系統教學的改革探討.中國電力教育，2010.10：58-59.

⑤ 楊奕，徐鵬，彭小峰.電子設計競賽與實踐教學改革.2013.32（4）：172-175.

⑥ 周佳社，任愛鋒，蘇濤，王新懷，郭濤，閆衛利.大學生自主創新與電子設計競賽機制實踐與探索.高校實驗室工作研究，2014（1）：84-87.

⑦ 王君.以電子設計競賽，促嵌入式技術實踐教學改革.金陵科技學院學報，2009.25（4）：37-39.