基于“以芯為主、軟硬結合”的嵌入式方向課程教學方法改革

王鵬舉

【摘要】分析嵌入式方向課程教學過程中存在的各種問題，結合嵌入式方向課程目前的教學現狀以及嵌入式方向課程的教學特點，以提高學生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力為主要目標，提出“以芯為主、軟硬結合”的嵌入式方向課程教學改革方法。對于提高嵌入式方向課程的教學質量以及提高嵌入式方向學生的學習積極性，都具有積極的意義。

【關鍵詞】嵌入式方向課程 教學改革 模塊化

【基金項目】湖南省教育廳科研項目（編號：15C0742）。

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）01-0038-02

引言

嵌入式開發技術是目前發展最快、應用最廣泛的技術之一。目前已經被廣泛應用于網絡通信、消費電子、醫療電子、工業控制和交通系統等社會生產和生活的各個領域中。因此，社會對嵌入式技術人才的需求日趨上升，嵌入式工程師成為職場上的緊缺人才。據統計，嵌入式人才缺口達到了每年50萬人左右[1]。相比一般的職位，嵌入式技術崗位具有薪酬高、工作強度相對小、發展前景好等特點。尤其是國家戰略發展方向《中國制造2025》以及《智能制造發展規劃（2016～2020年）》等文件的發布與實施，嵌入式技術的發展以及嵌入式技術崗位的薪酬更是水漲船高，未來的市場應用和發展前景將非常廣闊[2]。

1.目前嵌入式方向課程教學存在的問題

由于嵌入式是一門涉及計算機、電子技術、自動控制等領域的新興技術，目前我國高校的嵌入式人才培養還比較薄弱和滯后，難以滿足高速發展的行業對于嵌入式人才的需求[3]，主要體現在如下幾個方面。

（1）嵌入式方向教學師資匱乏

教師是教學的主要執行者，教師的教學水平關系到嵌入式方向教學的最終效果。嵌入式教學難度大，對教師的要求高，需要授課教師不但具備一般的計算機系統的軟硬件知識，而且要有實際的嵌入式系統項目開發經驗，對授課教師的實際動手操作能力要求非常高。目前，在開設嵌入式方向教學的高校里，從事嵌入式教學的大部分老師是直接從教室到講臺，從學生直接轉變為老師，基本沒有任何實際的嵌入式項目開發經驗[4]。這些老師給學生上課只會照本宣科，實訓實驗課更是只能做一些非常簡單的基礎實驗，學生學習的積極性以及學生動手能力的提高，受到嚴重的阻礙。甚至有些講授嵌入式課程的教師沒有相應的專業背景，自身對嵌入式技術認識不清，這都會嚴重影響嵌入式方向課程教學的效果。

（2）嵌入式方向教學內容陳舊

現在許多高校的嵌入式方向教學內容是從單片機的教學內容直接引入進來的，仍停留在以MCS-51為代表的低檔8位單片機為平臺的教學水平上，仍然使用傳統單片機教學體系和設備，缺乏創新性，致使學生動手能力較差。有些年齡偏大的高校老師在教授學生編程的時候，還在使用移植性很差的匯編指令，甚至是機器指令，而不是使用移植性較好的C語言等高級語言，這對學生的學習積極性以及以后的專業發展都產生非常大的影響。嵌入式方向的教材普遍比較少且陳舊，嵌入式技術往往和行業背景結合緊密，由于嵌入式技術日新月異，很難找到一套普遍適用的系列教材，有些院校還在使用5年前甚至10年前的教材，學生學完之后就發現已經過時了，這也給嵌入式方向教學帶來負面影響。

此外，有些院校的嵌入式方向教學課程體系設置不合理，培養模式定位不準確，沒有形成一套完整成熟的嵌入式方向教學體系，對嵌入式方向的教學也會產生不良的影響。許多高校的嵌入式方向課程和教學內容設置很隨意，因人施教現象比較嚴重。如果嵌入式方向開設在計算機類的院系，就偏重于軟件編程；如果嵌入式方向開設在電子類專業院系，就偏重于硬件電路設計；忽視整個嵌入式知識結構的完整性。

（3）嵌入式方向教學設備參差不齊

嵌入式技術是一門實踐性很強的技術，對學校的教學設備和實驗設備要求比較高。目前各個高校嵌入式方向教學的設備配置水平參差不齊。有些高校的設備仍以8/16位單片機為平臺，且教學內容陳舊，驗證性實驗多，綜合設計性實驗少，缺乏創新性；有些學校的教學實驗設備種類繁雜，微處理器類型繁多，既有ARM，也有Rambus、MIPS等。甚至有些高校為了節省辦學成本，和一些芯片生產廠家聯合，實驗室只使用某個公司或廠家的設備，這使得教學重點無法把握，教學風格無法統一；還有些學校的嵌入式方向教學設備以實驗箱為主，學生只能進行簡單的驗證。這種情況下，學生只能依葫蘆畫瓢，把實驗箱的測試程序編譯之后，直接燒寫進實驗箱，只能看到最終的結果，至于硬件原理是什么，軟件程序如何編寫的，原理又是什么，采用什么標準接口進行通信，一概不知，學生的發揮空間非常有限，無法培養學生的動手創新能力，與實際的嵌入式開發應用項目需求嚴重脫節，學生發展后勁不足。

2.嵌入式方向教學方法改革

針對以上嵌入式方向教學過程中存在的問題，本文提出了基于“以芯為主，軟硬結合”的嵌入式方向課程教學改革方法。具體的思路是：首先選擇一款性能較高、當前市場上應用最廣泛的嵌入式處理器芯片，以該芯片為核心，即“以芯為主”，設計一款模塊化的嵌入式處理器硬件實驗平臺。再次，以該平臺為基礎，編寫、調試出實驗平臺各個分模塊以及綜合實驗程序，實現嵌入式開發中的“軟硬結合”的設計思想。最后，基于該實驗平臺進行嵌入式方向課程的教學方法改革，在嵌入式方向課程教學過程中，讓學生以實驗平臺為設計目標，從學習、選擇嵌入式處理器芯片開始，設計實驗平臺外圍電路，繪制PCB板，焊接實驗平臺電路板，調試模塊測試程序，調試綜合功能程序，完成整個實驗平臺的開發過程，提高學生的動手能力以及分析問題、解決問題的能力。

2.1 模塊化實驗平臺的硬件設計

根據嵌入式方向教學改革的思路，首先選擇一款嵌入式處理器為“芯”，進行硬件實驗平臺設計。硬件平臺設計由6個基本實驗模塊和4個提升實驗模塊組成。基本實驗模塊包括：嵌入式處理器最小系統電路設計、電源電路設計、JTAG下載仿真電路設計、USART串行通信接口下載電路設計、按鍵接口電路設計、A/D及D/A電路設計；提升實驗模塊包括：wifi模塊接口電路設計、LCD顯示屏接口電路設計、超聲波測距模塊設計、智能小車驅動電路接口設計，如圖1所示。