以項目應(yīng)用為導向的“嵌入式系統(tǒng)”教學改革與實踐

摘要：根據(jù)“嵌入式系統(tǒng)”課程的特點，簡要分析了目前該課程教學過程中存在的問題，提出了圍繞課程的教學內(nèi)容，在課程的教學與實驗環(huán)節(jié)中采用以應(yīng)用為導向的項目式教學改革方案。實踐表明這種教學模式在培養(yǎng)學生的動手實踐能力、充分調(diào)動學生學習的主動性方面具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學改革；項目式教學

作者簡介：吳君鵬（1980-），男，吉林長春人，東北電力大學電氣工程學院，講師。（吉林 長春 132012）

基金項目：本文系東北電力大學校教學改革研究立項（項目編號：201102）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）31-0045-01

隨著32位微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)成為當前信息技術(shù)發(fā)展的熱門技術(shù)之一。智能手機、信息家電、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都對其產(chǎn)生了巨大的需求，于此同時嵌入式系統(tǒng)軟硬件工程師也成為了熱門的就業(yè)方向。所謂嵌入式系統(tǒng)即：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、面向具體功能的專用計算機系統(tǒng)。從電子信息類學科知識體系上來看，嵌入式系統(tǒng)課程涵蓋了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言、微機原理和接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等多門課程的基礎(chǔ)內(nèi)容。目前國內(nèi)很多高校都在電子信息工程、通信工程、自動化、計算機、軟件工程等諸多本科專業(yè)以及相應(yīng)的研究生專業(yè)課程中開設(shè)了以32位微處理器為核心的“嵌入式系統(tǒng)”課程。由于“嵌入式系統(tǒng)”這門課程知識內(nèi)容多、綜合性強、對學生動手實踐能力要求高等特點，它的教學也就帶來了困難和挑戰(zhàn)。

一、嵌入式系統(tǒng)的教學與實驗內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)的教學通常以32位微處理器為平臺，32位的微處理器主要有ARM、MIPS、POWRPC等。[1]目前國內(nèi)的大多數(shù)高校都是以介紹ARM微處理器為主，教學的內(nèi)容主要包括ARM微處理器內(nèi)核的介紹、ARM的匯編指令和匯編程序設(shè)計、芯片的片內(nèi)外設(shè)及接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的C語言設(shè)計和嵌入式操作系統(tǒng)等內(nèi)容。

在試驗內(nèi)容的安排上，通常包括ARM匯編語言的程序設(shè)計、無操作系統(tǒng)的片內(nèi)外設(shè)的C語言程序驅(qū)動設(shè)計、BootLoader的移植、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植、UCOS II、LINUX、WINCE等嵌入式操作系統(tǒng)下的C語言驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計等。[2]

以上的理論和試驗教學內(nèi)容根據(jù)不同的專業(yè)，課程的側(cè)重點也不相同，課程的理論學時大約在30學時到60學時之間。另外，有的高校把嵌入式系統(tǒng)課程作為一個本科的一個專業(yè)方向，相應(yīng)的學時內(nèi)容就要更多。

二、嵌入式系統(tǒng)課程的特點

“嵌入式系統(tǒng)”作為電氣信息類等本科學生的專業(yè)課程，具有知識內(nèi)容綜合、動手實踐性強等特點。在前期的課程當中，學生已經(jīng)學習過“C語言程序設(shè)計”、“微機原理”等課程。教學過程中，“嵌入式系統(tǒng)”這門課程最主要的教學目標就是讓學生能夠通過所學的知識以及所掌握的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工具解決一個具體的實際問題。但是在教學的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，僅靠課堂的理論與實踐教學，達到這一目標還有一定距離。單純的理論教學只能使學生被動地接受部分知識，達不到培養(yǎng)學生動手實踐的能力。為了使學生能夠?qū)W以致用，還要用實踐來促進理論的學習。“嵌入式系統(tǒng)”課程最主要的學習手段就是多動手、多實踐。

根據(jù)“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學內(nèi)容以及筆者的教學經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)該課程的教學過程中需要注意以下幾個方面：第一，教學目標以應(yīng)用為導向培養(yǎng)學生的工程實踐意識。作為電類的工科學生，除了在課堂上學習知識，還要樹立培養(yǎng)工程實踐的精神。尤其是像“嵌入式系統(tǒng)”這樣的綜合性專業(yè)課程。第二，在教學內(nèi)容上應(yīng)以學科知識的綜合作為基礎(chǔ)，進而建立知識體系。“嵌入式系統(tǒng)”課程不單單是講述一種微處理器或者是微控制器的架構(gòu)，學生在這門課程中學到的更多的是一種借助于所掌握的嵌入式系統(tǒng)工具來解決問題的一種能力。這種能力在“嵌入式系統(tǒng)”課程中往往體現(xiàn)的是電子系統(tǒng)硬件設(shè)計和程序設(shè)計的能力。第三，在教學過程中以團隊作為教學合作單位，培養(yǎng)學生的團隊合作意識。“嵌入式系統(tǒng)”本身就涵蓋了很多知識，它兼顧軟、硬件兩方面的內(nèi)容，和很多的專業(yè)課程融合在一起，具有很強的學科綜合性。每名學生都不可能把所有的內(nèi)容都掌握，所以在學生的學習過程中，以小組團隊為單位，共同去學習，更能激發(fā)學生的學習興趣。

三、嵌入式系統(tǒng)教學手段改革

1.教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題

筆者剛開始講述“嵌入式系統(tǒng)”課程時，由于并沒有太多的經(jīng)驗，還是依照課堂理論、課下試驗的傳統(tǒng)教學方式。但是隨著教學的深入，發(fā)現(xiàn)這種教學過程中存在很多問題。

（1）課程內(nèi)容涉及面廣，知識內(nèi)容多。筆者課堂上講解的是以三星公司的S3C2410這款A(yù)RM9微處理器芯片，既要介紹ARM9芯片內(nèi)核上的東西，比如ARM處理器的工作模式、存儲格式、異常、通用寄存器等，[3，4]又要結(jié)合S3C2410講解芯片的片上資源，如定時器、A/D等，同時還要介紹嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計、匯編程序設(shè)計、操作系統(tǒng)等等。在有限的課時內(nèi)，很多內(nèi)容只能淺顯地介紹。一個學期下來，一部分學生看上去了解了嵌入式系統(tǒng)的許多內(nèi)容，但是一到具體的應(yīng)用實際就會發(fā)現(xiàn)還欠缺很多知識和技能。

（2）傳統(tǒng)的以教師為核心的課堂上，在講解這門綜合性實踐性很強的課程時，很多學生都是被動接受知識。學習一段時間后，由于學術(shù)缺乏學習的主動性，也就漸漸失去了興趣。

（3）在相對較短的試驗課程內(nèi)，學生需要熟悉開發(fā)的軟硬件環(huán)境，如開發(fā)工具、試驗箱上的硬件原理圖等，還要了解試驗內(nèi)容，看懂芯片手冊，讀懂試驗例程代碼，并能在已有代碼的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)地修改以及添加自己的代碼。在這期間，學生自主的實踐動手能力得不到充分地鍛煉，某種程度上也就僅僅是熟練了一種開發(fā)工具而已。一學期下來，離教學目標還有很大距離。

2.基于項目應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)教學改革

筆者在總結(jié)分析上述問題的基礎(chǔ)之上，逐步對課堂教學進行改革。把項目應(yīng)用的教學理念逐步引入到課堂當中。所謂的項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機地結(jié)合起來，培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際問題的能力。由于“嵌入式系統(tǒng)”課程普遍開設(shè)在本科的大三和大四階段或者是研究生階段，學生已經(jīng)掌握了多數(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，所以可以在“嵌入式系統(tǒng)”的前期授課中布置課程作業(yè)論文，同時課程設(shè)計的內(nèi)容可以讓學生結(jié)合自己的興趣愛好自行擬訂，老師不再強制給出具體的題目，而是給出參考題目。學生在已有的專業(yè)知識基礎(chǔ)上，選擇一個自己感興趣的題目作為本學期的課程論文來完成。這樣學生會帶著自己的問題在新學期開始就要深入了解課程的內(nèi)容，同時課下查詢相關(guān)的資料，這比課堂被動地接受知識更能培養(yǎng)學生的學習能力。比如，有的學生選擇了利用ARM實現(xiàn)簡易示波器的題目，這就需要他們課下學習有關(guān)數(shù)字示波器的知識，并且要設(shè)計圍繞以ARM處理器為控制核心的電路、設(shè)計程序流程、調(diào)試等諸多知識。學生帶著這樣的問題去學習嵌入式系統(tǒng)課程，一是明確了嵌入式系統(tǒng)的以應(yīng)用為核心的本質(zhì)，二是可以對所學的知識進行綜合應(yīng)用。同時，課堂上老師的角色也從傳統(tǒng)的講授者轉(zhuǎn)變成學生解決問題的合作者，雖然老師不能對學生所選擇的每一個題目都很熟悉，但是卻可以在與學生的討論過程中幫助學生理清設(shè)計思路，完成設(shè)計目標。同時在對學生成績考核時也不再只是看試卷的分數(shù)，而是由學生最終完成的論文以及演示的成品作為最終的成績考核。

這種基于項目應(yīng)用的教學方法強調(diào)以學生為學習認知的主體，目的就在于激發(fā)學生的學習積極性，促進學生在工程實踐中培養(yǎng)提出問題、解決問題的能力。在“嵌入式系統(tǒng)”的教學過程中，師生共同討論問題，教師的職責也悄然地發(fā)生了變化，教師成為幫助學生學習的管理者和指導者。學生在課程論文的實踐中加深了對嵌入式系統(tǒng)概念的理解，掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法和開發(fā)過程，培養(yǎng)了利用嵌入式系統(tǒng)工具解決具體應(yīng)用問題的能力。

四、教學效果

通過基于項目應(yīng)用的引導式教學和實踐改革培養(yǎng)了學生通過研究具體課題來學習知識的能力，學生能夠在教師的引導下主動完成學習任務(wù)，能夠根據(jù)具體的問題提出自己可行的實施辦法。“嵌入式系統(tǒng)”課程的學習目標是使學生深入地鍛煉自己動手實踐的能力，并在與教師的探討中能夠提煉出設(shè)計題目完成所需的流程和方法，真正達到學以致用。在“嵌入式系統(tǒng)”課程最后的考核中，學生提交的作品包括電子時鐘、基于ARM的簡易數(shù)字示波器、利用GPRS模塊實現(xiàn)的短消息收發(fā)等等。雖然作品表面上技術(shù)難度并不是很大，但是學生為了完成這些課題時閱讀文獻、制訂具體的設(shè)計方案的整個過程，掌握了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)知識，熟悉了開發(fā)的軟、硬件平臺，充分調(diào)動了學習的主動性。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場合也將越來越廣泛，對嵌入式系統(tǒng)的人才需求也越來越大，同時對嵌入式系統(tǒng)的教學也提出了更高的要求。這種強調(diào)以應(yīng)用為中心、以項目實踐為導向的“嵌入式系統(tǒng)”教學將會得到更多教師和學生的認可。

參考文獻：

[1]凌明，劉昊，時龍興.關(guān)于嵌入式系統(tǒng)課程教學過程中幾個問題的思考[J].電氣電子教學學報，2007，（S1）.

[2]曾煉成，沈岳，張林峰.嵌入式系統(tǒng)實踐教學研究[J].中國電力教育，

2010，（27）.

[3]王田苗，魏洪興.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)[M].第3版.北京：清華大學出版社，2008.

[4]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

（責任編輯：王祝萍）