嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

田 浩

（1.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院法商學(xué)院，湖北 武漢430205；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 電子工程系，湖北 武漢430205）

嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

田 浩1，2

（1.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院法商學(xué)院，湖北 武漢430205；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 電子工程系，湖北 武漢430205）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是嵌入式教學(xué)體系中的重要組成部分，為達(dá)到良好的教學(xué)效果，需要建立合理的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。分析了嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，從嵌入式實(shí)驗(yàn)中課程的銜接關(guān)系、嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)、嵌入式系實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置等方面提出了建立嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的思路與方法。

嵌入式技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；特點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；方法

隨著嵌入式技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域來越廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場快速增長，嵌入式人才需求正逐漸在增大，越來越多的高校開始專門培養(yǎng)嵌入式技術(shù)人才。對這些高校來說，如何接受嵌入式技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，盡快合理開設(shè)嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)課程，并通過對其研究、探討與實(shí)踐，逐漸形成較規(guī)范的教學(xué)體系已成為一個(gè)重要的研究課題。

一、嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中占據(jù)重要的地位，是學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵，相比傳統(tǒng)的專業(yè)教學(xué)，嵌入式教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)比重更大。但由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)數(shù)有限，如何在這短短的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生能夠全面理解嵌入式相關(guān)技術(shù)，對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識，掌握基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法和工具，建立規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)思維，是嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)成敗的關(guān)鍵。要達(dá)到這些目標(biāo)，就必須先熟悉嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)。總的來說，嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)可以概括為以下兩點(diǎn)：

（一）實(shí)驗(yàn)涉及的知識面廣，內(nèi)容多

按照普遍被認(rèn)同的定義，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁的，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格綜合性要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從其中可以看出，嵌入式技術(shù)涵蓋了計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科專業(yè)的知識，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和創(chuàng)新性。嵌入式技術(shù)開發(fā)是軟件、硬件的結(jié)合，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有硬件電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也包含應(yīng)用軟件的開發(fā)。

（二）實(shí)驗(yàn)針對性強(qiáng)，更新快

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用面廣，更新速度快，新技術(shù)推出周期短，這就需要教師在日常教學(xué)中緊密關(guān)注嵌入式技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，把握嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢，熟悉嵌入式新技術(shù)，并且能將新的嵌入式應(yīng)用技術(shù)引入到日常教學(xué)活動(dòng)中，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，推陳出新，根據(jù)市場主流技術(shù)設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要屬于定制開發(fā)，所開發(fā)的內(nèi)容往往取決于用戶的需求，針對性強(qiáng)。這就要求嵌入式開發(fā)人員對計(jì)算機(jī)、電子、軟件等技術(shù)的掌握更加完整。如果不通過實(shí)際動(dòng)手開發(fā)一個(gè)簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，將會(huì)很難了解嵌入式開發(fā)的基本過程和基本特點(diǎn)。所以說，實(shí)驗(yàn)是掌握嵌入式技術(shù)最直接有效的辦法。

從以上描述可以看出，嵌入式教學(xué)除了要重視理論教學(xué)外，更加要注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，特別要強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)過程。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)以市場需求為導(dǎo)向，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)緊抓住以上兩個(gè)特點(diǎn)，要為學(xué)生日后從事嵌入式系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、嵌入式實(shí)驗(yàn)中課程銜接關(guān)系

嵌入式實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及到多門課程的知識，在這些課程中學(xué)生會(huì)使用多種工具，接觸到不同的軟硬件系統(tǒng)，進(jìn)行不同層次的軟硬件開發(fā)和設(shè)計(jì)。處理好這些課程之間的銜接關(guān)系，合理確定課程實(shí)驗(yàn)的開設(shè)計(jì)劃是建立嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系首要考慮的問題。正如在前期研究工作中提出的，嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該堅(jiān)持“熟悉、嘗試、開發(fā)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次[1]。“熟悉”階段的目的是使學(xué)生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，掌握實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的使用方法，熟悉產(chǎn)品的特點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；“嘗試”階段的目的是使學(xué)生掌握軟、硬件平臺的設(shè)計(jì)方法，鍛煉他們的實(shí)踐能力，從而達(dá)到“軟硬兼施”的教學(xué)目的；“開發(fā)”階段的目的是使學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)課程知識進(jìn)行初步的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考與設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力和相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神。按照這個(gè)思路，嵌入式實(shí)驗(yàn)中的課程可以按照“由淺到深”的銜接關(guān)系分為以下三個(gè)部分：

（一）含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的課程

這個(gè)部分的課程在嵌入式教學(xué)體系中應(yīng)該屬于學(xué)科基礎(chǔ)知識，學(xué)生主要學(xué)習(xí)與本學(xué)科相關(guān)的電學(xué)、計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)課程，如嵌入式程序設(shè)計(jì)、電路分析基礎(chǔ)、普通物理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和工程制圖等，學(xué)習(xí)這些課程的目的是為后續(xù)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。這個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)也由這些課程的常規(guī)實(shí)驗(yàn)組成，如C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、簡單電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。電學(xué)和計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)課程可以平行開設(shè)，但電學(xué)中的實(shí)驗(yàn)需要注意電路分析基礎(chǔ)與電子技術(shù)等的先后關(guān)系。

（二）含專業(yè)實(shí)驗(yàn)的課程

此部分的課程學(xué)習(xí)目的是使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論、基本工具和基本方法。這個(gè)階段的課程可分為三個(gè)類別，即工具類，包括EDA技術(shù)等；信號與通信類，包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和通信原理等；計(jì)算機(jī)類，包括嵌入式操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、單片機(jī)原理與應(yīng)用和嵌入式微處理器等。這些課程的實(shí)驗(yàn)按照由先到后的次序依次開設(shè)為：信號與系統(tǒng)→數(shù)字信號處理→通信原理；計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)→單片機(jī)原理與應(yīng)用→嵌入式微處理器→嵌入式操作系統(tǒng)。

（三）含綜合實(shí)驗(yàn)的課程

對于嵌入式教學(xué)來說，這個(gè)部分的課程應(yīng)該有較強(qiáng)的應(yīng)用性、綜合性和設(shè)計(jì)性，主要包括嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)、嵌入式中間件開發(fā)等。由于這些課程基本上都是建立在前階段課程的基礎(chǔ)上，彼此之間約束性不強(qiáng)，因此對于這些課程的實(shí)驗(yàn)來說可以平行開設(shè)。

三、嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)該按照從底層到高層，從硬件到軟件，從平臺到應(yīng)用[2]的思路來建設(shè)。因此在設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)應(yīng)該考慮嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺的選擇、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇以及嵌入式應(yīng)用平臺的選擇等多個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺的選擇

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用性強(qiáng)，其發(fā)展與市場需求聯(lián)系緊密，嵌入式微處理器往往很大程度上決定了整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能。因此，選擇嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺的首要原則是“選用主流的微處理器”。目前市場常見的微處理器很多，比如ARM、Rambus、MIPS等。其中以ARM為代表的32位處理器功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活，是嵌入式技術(shù)發(fā)展的主流，目前ARM的市場占有率居第一位，被廣泛應(yīng)用于智能家電、手機(jī)、汽車電子、機(jī)頂盒等方面。市場上以ARM芯片為核心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備很多，不僅價(jià)格上可以滿足學(xué)校的要求，還可以得到廠商較好的技術(shù)支持，所以當(dāng)前選擇嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺應(yīng)以ARM微處理器為主，輔以其他芯片。其次，由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域廣，選擇一款合適的實(shí)驗(yàn)平臺，除了看其所使用的微處理器外，重要的就是該平臺所支持的功能模塊多少以及它的可擴(kuò)展性。為了讓學(xué)生能接觸更多的嵌入式應(yīng)用場合，所選擇的實(shí)驗(yàn)平臺要能夠提供盡可能多的硬件資源[3]。

（二）嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它決定了嵌入式產(chǎn)品的生命周期與特點(diǎn)。常用的嵌入式操作系統(tǒng)有μC/OSII、WinCE、Linux和VxWorks等，其中μC/OS-II、Linux屬于開放源代碼的操作系統(tǒng)，應(yīng)用較廣；而VxWorks、WinCE則是商業(yè)性的嵌入式操作系統(tǒng)。由于其開源性，目前許多高校的嵌入式理論教學(xué)中講授內(nèi)容以Linux為主，對應(yīng)地，也都選擇Linux作為實(shí)驗(yàn)對象，設(shè)計(jì)了比較典型的Linux環(huán)境下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為拓寬學(xué)生的知識面，也可以配套選擇μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II同樣也是一個(gè)開放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它采用C語言和匯編語言編寫而成，結(jié)構(gòu)簡潔，適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。兩者相互配合構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)軟件平臺可以完成大部分日常教學(xué)實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生了解操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本概念，掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的技巧和方法。

（三）嵌入式應(yīng)用平臺的選擇

“應(yīng)用”是嵌入式系統(tǒng)的最終目標(biāo)，因此在嵌入式實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮嵌入式應(yīng)用平臺的選擇。就目前的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際情況而言，最好的應(yīng)用平臺應(yīng)該是各種大型的嵌入式學(xué)科競賽活動(dòng)。學(xué)生可以在這些大賽中鍛煉實(shí)際應(yīng)用能力，拓寬專業(yè)視野，發(fā)現(xiàn)不足。同時(shí)這些嵌入式大賽還可以讓高校學(xué)生了解和掌握市場的最新技術(shù)，為他們走入社會(huì)做好準(zhǔn)備[4]。

四、嵌入式系實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置

嵌入式教學(xué)中應(yīng)該科學(xué)設(shè)置實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇應(yīng)該由淺入深，首先應(yīng)該安排基本技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。目的是鍛煉學(xué)生的基本技能、基本設(shè)計(jì)思路，使他們掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試的基本方法，熟悉基本設(shè)備和軟件的使用方法，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。特別要注意的是，這一階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定應(yīng)該遵循由淺入深的原則，先給學(xué)生安排一些任務(wù)較小，實(shí)驗(yàn)原理不太復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過程比較直觀，同時(shí)又比較容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，這樣做的目的是為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，避免在整個(gè)嵌入式實(shí)驗(yàn)初期使學(xué)生產(chǎn)生畏難心理和抵觸心理。這個(gè)階段比較典型的實(shí)驗(yàn)主要包括典型的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、常見C語言實(shí)驗(yàn)、常用命令實(shí)驗(yàn)、嵌入式操作系統(tǒng)下編程環(huán)境實(shí)驗(yàn)、進(jìn)程通信實(shí)驗(yàn)、ARM指令實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)相對簡單，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比較容易實(shí)現(xiàn)。在這些實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)該對學(xué)生嚴(yán)格要求，使他們養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

其次應(yīng)該安排設(shè)計(jì)性的內(nèi)容和項(xiàng)目，給學(xué)生發(fā)揮的空間，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考，獨(dú)立解決問題的能力。該階段的實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)涵蓋所學(xué)多門課程的綜合知識，涉及到的知識面比較廣，主要有：Linux下驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)下利用多線程實(shí)驗(yàn)、CAN總線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)、socket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間主機(jī)通信實(shí)驗(yàn)、根文件系統(tǒng)的制作實(shí)驗(yàn)、無線局域網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)、嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪移植、交叉編譯環(huán)境的建立、嵌入式Linux下程序開發(fā)和編譯技術(shù)以及嵌入式Linux下基本驅(qū)動(dòng)原理及其實(shí)現(xiàn)等[5]。相比前一階段的實(shí)驗(yàn)而言，這些實(shí)驗(yàn)難度有所加大，要求學(xué)生對清楚掌握所學(xué)的原理和方法，能綜合運(yùn)用這些知識解決問題，特別要求學(xué)生鍛煉其在多個(gè)環(huán)境下多門語言的編程能力。這階段的實(shí)驗(yàn)主要鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考和獨(dú)立完整完成簡單系統(tǒng)的能力。

再次，隨著專業(yè)知識內(nèi)容的深入，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)該以綜合性、系統(tǒng)級的為主，目的是鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在這個(gè)階段，應(yīng)該在工程和實(shí)際應(yīng)用層面來要求學(xué)生，要引入和強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)流程圖、開發(fā)進(jìn)度表、軟件工程控制文檔、電路結(jié)構(gòu)圖和測試報(bào)告等概念。在設(shè)置這個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目內(nèi)容過程中，應(yīng)該牢記嵌入式技術(shù)“以應(yīng)用為中心”的特點(diǎn)，要以市場主流需求為導(dǎo)向，項(xiàng)目的選取要貼近市場實(shí)際。如果條件允許，要盡可能地選擇校企合作項(xiàng)目，或者聘請企業(yè)工程師來指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

為了突出專業(yè)特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生的專業(yè)特長培養(yǎng)，在以上三個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)之外，還可以開設(shè)開放性、創(chuàng)新性嵌入式實(shí)驗(yàn)，這部分實(shí)驗(yàn)主要是針對那些學(xué)有余力并對嵌入式開發(fā)感興趣的學(xué)生。此類實(shí)驗(yàn)支持學(xué)生自選制作題目、自擬方案、獨(dú)立自主的完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試，主要由學(xué)生在課外自己完成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以是學(xué)生根據(jù)自己的興趣來設(shè)置，也可以由實(shí)驗(yàn)老師來指定。可成立專門的教師指導(dǎo)小組來負(fù)責(zé)審核學(xué)生設(shè)計(jì)方案的可行性、實(shí)用性，并在實(shí)驗(yàn)過程中采取靈活方式對學(xué)生進(jìn)行必要的指導(dǎo)。學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由指導(dǎo)小組進(jìn)行評定。按創(chuàng)學(xué)分管理的有關(guān)規(guī)定，確定學(xué)生的成績。

四、小結(jié)

嵌入式技術(shù)中的軟件與硬件結(jié)合緊密，實(shí)踐性強(qiáng)，其知識體系涉及到多個(gè)學(xué)科多門課程的內(nèi)容。嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中知識點(diǎn)覆蓋面廣，只有建立合理發(fā)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，認(rèn)真組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，才能取得良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)嵌入式應(yīng)用型人才。

（注：本文系湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院法商學(xué)院教育教學(xué)研究項(xiàng)目研究成果，項(xiàng)目批準(zhǔn)號：201101）

[1]田浩.嵌入式專業(yè)方向的教學(xué)特點(diǎn)與方法研究[J].湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)（人文社科版），2010，（10）：163-164.

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