嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)研究

　　摘要：結(jié)合河南工業(yè)大學(xué)面向電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐，從課程體系組織與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)方法和手段的改革、建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)境、靈活多樣的考核方式等方面，介紹嵌入式系統(tǒng)精品課程建設(shè)的思路。實(shí)踐表明，嵌入式系統(tǒng)課程提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是培養(yǎng)嵌入式開(kāi)發(fā)人才的有效途徑。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)體系；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室
　　
　　嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。嵌入式技術(shù)融合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、集成電路技術(shù)、通訊技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)，是一門(mén)涉及多領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)相互交叉的綜合性新興學(xué)科。近年來(lái)，嵌入式軟硬件技術(shù)的雙螺旋交替快速發(fā)展趨勢(shì)掀起了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用熱潮，使嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機(jī)。嵌入式技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制、信息家電、軍事應(yīng)用、機(jī)器人等領(lǐng)域。風(fēng)靡全球的iPhone 4手機(jī)即是一款典型的使用ARM Cortex-A9嵌入式處理器的消費(fèi)電子產(chǎn)品。
　　我國(guó)的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展前景，需要大量的嵌入式開(kāi)發(fā)人才。如何培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的高質(zhì)量嵌入式開(kāi)發(fā)人才已經(jīng)成為各高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)面臨的重要課題。2002年，教育部發(fā)起首屆英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)題邀請(qǐng)賽，業(yè)內(nèi)著名廠(chǎng)商，如微軟、飛思卡爾、意法半導(dǎo)體等公司也于近年設(shè)立了全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽[2]。以此為契機(jī)和導(dǎo)向，圍繞河南工業(yè)大學(xué)培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”的目標(biāo)定位，筆者所在的實(shí)驗(yàn)室從2007年開(kāi)始面向全校自動(dòng)化、電氣工程及自動(dòng)化等電氣信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)任選課程。
　　本文以近幾年來(lái)我校建設(shè)嵌入式系統(tǒng)多媒體(網(wǎng)絡(luò))課程為目標(biāo)的教學(xué)改革與實(shí)踐為基礎(chǔ)，介紹在嵌入式系統(tǒng)課程體系組織、課程體系建設(shè)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、創(chuàng)新教學(xué)方法與手段、建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及采用多種靈活有效的考核方式與評(píng)價(jià)辦法等方面的研究探索與實(shí)踐體會(huì)，以此促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革，適應(yīng)社會(huì)對(duì)嵌入式人才不斷增長(zhǎng)的需求。
　　1嵌入式系統(tǒng)課程體系組織與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
　　對(duì)課程體系進(jìn)行精心、科學(xué)的組織和建設(shè)是保證課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)課程主要介紹嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及方法，具體包括嵌入式系統(tǒng)的組成與基本概念、嵌入式系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)、嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪及移植、嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的創(chuàng)建、嵌入式底層軟件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試等內(nèi)容。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)可使學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用、熟悉嵌入式操作系統(tǒng)的原理，掌握嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)的基本方法，實(shí)踐嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)基本流程，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決嵌入式系統(tǒng)具體應(yīng)用問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力。
　　 “嵌入式系統(tǒng)”課程的授課對(duì)象主要是我校自動(dòng)化、電氣工程及自動(dòng)化等電氣信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生。電氣信息類(lèi)學(xué)生開(kāi)課時(shí)已經(jīng)基本掌握了本專(zhuān)業(yè)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、軟件技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、微控制器原理等基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課，具備了嵌入式開(kāi)發(fā)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，而嵌入式系統(tǒng)課程是本科生前三年專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合與延伸。根據(jù)學(xué)習(xí)側(cè)重點(diǎn)的不同，可以把該課程分為嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用三個(gè)方向，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。在具體授課時(shí)需要注意針對(duì)不同授課對(duì)象因材施教，各方向有所側(cè)重。
　　在嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇上，應(yīng)著重考慮嵌入式CPU的體系結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可擴(kuò)展性、對(duì)多操作系統(tǒng)的支持、是否可滿(mǎn)足軟硬件實(shí)驗(yàn)的需要、實(shí)驗(yàn)文檔資料是否齊全等幾個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期有多家嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠(chǎng)商可供選擇，如合肥華恒、北京博創(chuàng)、深圳英蓓特、周立功、優(yōu)龍等。在對(duì)各實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能進(jìn)行綜合比較與考察之后，我們實(shí)驗(yàn)室選擇了UP-NETARM2410-S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)使用基于ARM 920T內(nèi)核的SAMSUNG S3C2410處理器，帶有LCD、觸摸屏、USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、CAN總線(xiàn)接口、A/D轉(zhuǎn)換接口等資源，并且可以外接FPGA、GPS/GPRS、藍(lán)牙、攝像頭等模塊，可支持Linux、μCOS-II、WindowsCE多種操作系統(tǒng)，提供了豐富的軟硬件資源并且留有可復(fù)用資源的擴(kuò)展插槽，方便以后的二次開(kāi)發(fā)與擴(kuò)展。
　　2充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)
　　課堂教學(xué)是學(xué)生獲得嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識(shí)的主要途徑。隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，選課班級(jí)和人數(shù)急劇增加。受嵌入式系統(tǒng)教學(xué)大綱規(guī)定的學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放時(shí)間以及設(shè)備資源的限制，嵌入式課內(nèi)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)比較緊張。筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)以申報(bào)校級(jí)多媒體(網(wǎng)絡(luò))課程建設(shè)項(xiàng)目為契機(jī)，充分利用高校的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為學(xué)生提供基于Web的課程教學(xué)大綱、教案、網(wǎng)絡(luò)課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、習(xí)題等資源。學(xué)生在課外可以利用網(wǎng)絡(luò)與指導(dǎo)老師實(shí)時(shí)交流，及時(shí)解決學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的各種疑問(wèn)，有效解決了課堂學(xué)時(shí)不足的難題，擴(kuò)大了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。
　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的重要組成部分，有助于學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能[3]。嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以軟件項(xiàng)目為主，每次實(shí)驗(yàn)前有大量的軟件資料、代碼需要與學(xué)生共享。此外，嵌入式系統(tǒng)軟件類(lèi)實(shí)驗(yàn)步驟多、難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中教師承擔(dān)著大量與學(xué)生面對(duì)面的指導(dǎo)工作，實(shí)驗(yàn)具體操作時(shí)學(xué)生還是可能出現(xiàn)各種問(wèn)題甚至是低級(jí)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次教學(xué)試驗(yàn)后，我們利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電腦、局域網(wǎng)設(shè)備和“電子教室”多媒體教學(xué)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教師機(jī)對(duì)學(xué)生機(jī)的操作演示、文件傳輸、資源共享、視頻廣播、屏幕監(jiān)控、語(yǔ)音教學(xué)等操作。例如在做“熟悉Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境”驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，指導(dǎo)教師在教師機(jī)上進(jìn)行上位機(jī)編程、編寫(xiě)Makefile文件、交叉編譯、下載調(diào)試等演示操作，通過(guò)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)使用“電子教室”軟件的“屏幕廣播”功能，即可實(shí)現(xiàn)教師實(shí)驗(yàn)全程的可視化，學(xué)生坐在多臺(tái)學(xué)生機(jī)前即可了解教師實(shí)驗(yàn)過(guò)程的每一個(gè)細(xì)節(jié)。當(dāng)教師演示完畢后將實(shí)驗(yàn)所需軟件資料通過(guò)“文件分發(fā)”功能從教師機(jī)傳送到多臺(tái)學(xué)生機(jī)，學(xué)生馬上可以使用學(xué)生機(jī)配合UP-NETARM2410-S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若遇到問(wèn)題可隨時(shí)通過(guò)局域網(wǎng)的“電子教室”軟件“電子舉手”，方便教師及時(shí)解答。近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比，利用“電子教室”多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式改善了以往因?qū)W生人數(shù)多、教師無(wú)法演示實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了師生互動(dòng)，有效提高了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效率。
　　3改革實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境
　　為學(xué)生提供良好的實(shí)踐學(xué)習(xí)條件是嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革的重要組成部分[4]。受制于教學(xué)大綱的課時(shí)限制，嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)僅能滿(mǎn)足該課程教學(xué)目標(biāo)的基本要求，無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的需要。要激發(fā)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性、滿(mǎn)足學(xué)有余力的同學(xué)的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)需求，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)室不能僅僅局限于滿(mǎn)足課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的水平上，必須以學(xué)生為本，建立開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是對(duì)教學(xué)計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)的延續(xù)和提高。在保證完成嵌入式系統(tǒng)課程正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的前提下，嵌入式實(shí)驗(yàn)室本著“面向全體、因材施教、形式多樣、講究實(shí)效”的原則，面向全體選課學(xué)生實(shí)施開(kāi)放。
　　為保證取得較好的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)效果，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放，在總結(jié)歷次開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)形成了完善的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理制度。實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真遴選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，做好實(shí)驗(yàn)方案的準(zhǔn)備工作；在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)他們?cè)鷮?shí)的實(shí)驗(yàn)技能與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。同時(shí)注意加強(qiáng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)研究過(guò)程中出現(xiàn)的疑難問(wèn)題給予及時(shí)適量的指導(dǎo)。
　　
　　開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇主要包括三種類(lèi)型的題目：一類(lèi)是自選綜合性、設(shè)計(jì)性嵌入式開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)指導(dǎo)教師審查方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性之后完成具體實(shí)驗(yàn)方案的構(gòu)建。學(xué)生在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)裝置的制作與調(diào)試，最終完成實(shí)驗(yàn)并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第二類(lèi)是科技活動(dòng)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)嵌入式科技競(jìng)賽課題，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的方向和條件，聯(lián)系指導(dǎo)教師開(kāi)展科技競(jìng)賽等開(kāi)放實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，如2008年組織學(xué)生經(jīng)過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)鍛煉后入圍第三屆“ZLG杯”中國(guó)大學(xué)生ARM嵌入式系統(tǒng)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。第三類(lèi)是學(xué)生參與教師科研型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，主要面向高年級(jí)本科生。指導(dǎo)教師將承擔(dān)的項(xiàng)目，如校級(jí)科研基金“嵌入式糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)手持終端的研究”作為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)題目，吸收部分優(yōu)秀本科學(xué)生提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與科研活動(dòng)。在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，教師僅起到輔助指導(dǎo)、答疑的作用，可以有效鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)創(chuàng)造性的科學(xué)思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。同時(shí)，嵌入式開(kāi)放實(shí)驗(yàn)選題的不確定性也要求指導(dǎo)教師有寬廣的知識(shí)面和扎實(shí)的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)技能，這有利于教師與學(xué)生的教學(xué)相長(zhǎng)，共同提高。
　　4改革考核方式，以畢業(yè)設(shè)計(jì)延伸課堂教學(xué)
　　作為課堂教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，課程考核可直接檢驗(yàn)教和學(xué)的效果，是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分。目前采用的閉卷考試方式，雖有其合理性，但對(duì)于工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)課程來(lái)說(shuō)，它容易造成學(xué)生高分低能的后果。因此，我們有必要根據(jù)課程的具體特點(diǎn)采用靈活有效的考核方法。筆者對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程采取了平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末項(xiàng)目實(shí)例三者結(jié)合的考核方式。平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)各占總成績(jī)的30%，重點(diǎn)放在學(xué)期末以小組為單位的項(xiàng)目實(shí)踐考核上，以此突出培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要性。
　　此外，嵌入式系統(tǒng)課程通常面向大三下學(xué)期和大四上學(xué)期的高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)。這些學(xué)生已經(jīng)具備了嵌入式開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程表現(xiàn)出了極大的熱情。在授課過(guò)程中，教師有側(cè)重地選拔對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)感興趣、成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生，為他們提供嵌入式方向的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。近年來(lái)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室先后為本科生提供了“基于S3C2410處理器的手持終端觸摸屏的實(shí)現(xiàn)”、“基于Linux的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究”等畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)延伸了嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)，完善了課程體系的建設(shè)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的反饋也發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在嵌入式技術(shù)上存在的不足之處，達(dá)到了輔助教學(xué)的目的。
　　5結(jié)語(yǔ)
　　課程建設(shè)與改革是確保人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。從近幾年嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐效果來(lái)看，選課人數(shù)持續(xù)增加，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，課堂反響強(qiáng)烈。經(jīng)過(guò)嵌入式系統(tǒng)“課堂教學(xué)—開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室—嵌入式系統(tǒng)大賽—畢業(yè)設(shè)計(jì)”等一系列環(huán)節(jié)的鍛煉，已有多名畢業(yè)生走上了嵌入式系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)工程師的工作崗位。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，本著培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)，嵌入式系統(tǒng)課程將繼續(xù)更新整合教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法和手段，以期培養(yǎng)更多高質(zhì)量嵌入式開(kāi)發(fā)人才。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 俞輝. 嵌入式Linux程序設(shè)計(jì)案例與實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)