以學生為主體的嵌入式實驗教學模式的研究與實踐

耿淑琴 袁穎 侯立剛 汪金輝 彭曉宏

摘 要：分析了嵌入式實驗教學的特點，提出了模塊化實驗教學模式。采取靈活豐富的模塊化嵌入式實驗系統，可實現嵌入式系統的針對性和裁剪性。研發并實踐了模塊化教學模式，激發了學生自主學習和設計的興趣，提高了學生緊跟工程技術快速發展的能力。

關鍵詞：嵌入式；實驗教學；模塊化

“十二五”發展規劃中強調高等教育教學改革的重點是提高教學質量，注重創新人才的培養。嵌入式技術具有非常廣闊的應用前景， 其應用領域包括工業現場控制、智能儀器儀表、航天軍工、鐵路汽車控制等等。此外，據預計，到2020年，超過40萬個百萬設備（地球上的每人將擁有五到十個嵌入式設備）將出售世界各地。嵌入式的系統已成為一個日益重要的課題，是幾個特別設計的課程重點。隨著物聯網、通信技術的發展，嵌入式產品在全球各行業得到了更廣泛的應用。但嵌入式技術更新速度非常快，這對嵌入式技術人員提出了更高的挑戰，也對教學和實驗內容緊跟技術前沿提出了更高的要求。

嵌入式系統是一門實踐性很強的課程，嵌入式系統實驗著重于培養學生的實際動手能力，學生通過實驗掌握嵌入式系統的硬件基本體系和結構、系統運行模式、嵌入式軟件開發流程、系統調試、驗證和測試方法等，使學生具有一定的嵌入式系統開發知識和能力。學好嵌入式系統課程不僅有助于學生了解系統設計的基本方法，提高學生的動手能力，而且能提高學生對于相關學科的理解和實際工程應用能力。在嵌入式系統教學中，實驗課程可以加深學生理解理論知識，并將理論知識與實踐緊密結合，提高學生解決實際問題的能力，提高系統設計能力，增加學生對嵌入式系統的感性認識。通過具體實驗，學生不僅切實感受到嵌入式系統的豐富功能，而且對嵌入式系統的開發和設計流程有一個全面和系統的認識，有利于學生全面掌握嵌入式系統的設計技術，有利于學生在今后的工作中成為卓越的工程師。但目前嵌入式實驗過程中還存在一些問題，主要表現在以下幾方面：（1）實驗內容多為驗證性實驗；（2）實驗平臺多為實驗箱，學生只需簡單地、機械化地按實驗步驟操作，遠離了工程復雜的實際環境，沒有達到實驗教學的目的；

（3）嵌入式系統飛速發展，對其實驗教學的快速跟進、研究、探討和實踐缺乏科學合理的實驗教學體系。

現代教育理論指出：指導學生從實踐和探索中通過思考獲取知識，又在解決問題的探索活動中，運用已獲得的知識和技能是培養智能的最好途徑。

我們以培養適應社會需求的嵌入式開發人才為目標，充分研究了嵌入式實驗教學的特點、體系結構及開發內容、嵌入式實驗方式的特殊性以及業界對嵌入式開發人才的知識體系結構需求，開發了多模塊配置方案實驗項目的嵌入式實驗教學系統。

為了緊跟嵌入式技術前沿的快速發展，嵌入式實驗內容必須及時更新才能使培養出的人才技術創新能力強，具有很好的市場適應性，提高學生的緊跟工程技術快速發展的能力和素養。

一、嵌入式系統實驗特點

我國國內對嵌入式系統公認的定義為：嵌入到對象體系中的專用計算機系統。即以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

可以看出，嵌入式系統的教學必須以應用為中心，而嵌入式系統實驗更必須結合應用。以計算機為基礎是指嵌入式系統一般都以處理器或微控制器為控制核心。嵌入式系統的處理器一般分為：微控制器、嵌入式微處理器、DSP處理器和FPGA為代表的片上系統（SOC）。常規情況下，嵌入式系統單指以32/64位嵌入式微處理器為核心的系統。由于ARM嵌入式微控制器和微處理器系統應用非常廣泛，ARM技術成為嵌入式系統中的主流技術，當前嵌入式系統本科教學通常是以ARM嵌入式微控制器和微處理器為核心的嵌入式系統。軟硬件可裁減是指針對特定的應用系統，實現特定的軟硬件功能，具有很強的針對性，因此不具有通用性和壟斷性。因此，對嵌入式系統教學和實驗都必須圍繞軟硬件系統開展，而且是圍繞特定應用要求的軟硬件系統，并且對功能、功耗、成本、體積和可靠性都有較高的要求。學生既要掌握一定的硬件電路設計、PCB置備、元器件焊接和電路連接等環節，同時也必須完成程序的研讀、編寫、編譯和下載等環節，而且在程序下載到硬件系統之后，完成軟硬件系統的聯調。可以看出，嵌入式系統課程理論的教學離不開實驗內容。

嵌入式系統實驗是嵌入式系統課程內容的一部分，通過實驗可以進一步了解和掌握嵌入式系統的基本理論、處理器或微控制器的體系結構，系統硬件設計和焊接基礎以及嵌入式軟件環境和

軟件環境搭建和相應的軟件設計，學習和掌握嵌入式系統開發環境的使用和實現技術，提高調試電路的能力和計算機應用能力以及對操作系統有更高水平的理解。

二、基于模塊化嵌入式實驗的研究與實踐

1.理論與實踐緊密結合

由于實驗課時的限制，在理論教學中，將硬件電路設計和軟件設計的要求、特點及處理器的端口選擇、芯片的選擇等除了在課上講授之外，還要作為多個大作業布置給學生，學生可以自主選擇大作業的不同內容，利用理論課為實驗課做好充足的課上課下準備，力爭提煉出設計、綜合和創新層次。確保硬件電路正確，合理選擇元器件，PCB制備無誤。只有真正理解電路的真正原理，才會在實驗課上，線路聯結正確，焊接無誤，才會在硬件電路出問題時，快速查出原因，及時采取正確措施，才會使實驗課上知其然且知其所以然，才會有的放矢，而不是盲目跟著實驗步驟做實驗，從而真正提高學生掌握設計、制備、焊接和調試的系統流程。對于軟件部分，學生雖然在大學一年級學過C語言，但要和工程實際相結合，達到解決工程所需的軟件設計能力還遠遠不夠，需要在理論課上和課下做好充足的準備。

2.實驗模塊化便于應用的可裁剪

由于特定系統要求不同，進而嵌入式系統就各不相同。傳統的嵌入式實驗平臺一般都是實驗箱，雖然實驗很方便，但往往又限制了學生真正進行電路設計、PCB制備、焊接、調試、軟件平臺搭建、軟件設計、編譯和調試等實際工程體驗。

因此，我們學校采用了教學研究中自己制備的多個實驗模塊，可以供學生自行選擇、自行設計、制備和調試，學生上課的積極性也很高。

嵌入式系統實驗所使用的設備由計算機、微控制器和微處理器、傳感器監測單元、開關量輸入輸出單元、各種接口單元、液晶顯示單元、鍵盤單元、傳感信號擴展單元、直流電源單元等組成，如圖1所示。微控制器是應用前景廣泛ARM微控制器新品Cortex-M4，處理器是應用非常廣泛ARM系列新品Cortex-A8，學生可以根據任務的不同要求進行選擇。由于處理器或者微控制器的各種接口較多，為了實現較典型的接口功能，選擇功能模塊化，便于學生實驗的選擇、設計和實驗，其中計算機是處理器開發軟件的運行環境，是程序編輯和調試的重要工具。傳感器監測單元是輸入，主要完成監測信號的采集和回放。開關量輸入輸出單元可以實現開關量輸入或輸出。各種接口單元針對不同的系統要求實現各種不同的功能。如，AD轉換實現模數轉換，串口單元實現信號的收發，進而實現通訊功能等等。液晶顯示單元可以對運行結果進行文字顯示。直流電源單元可以提供1.8V、1.2V、3.3V、+5V、-12V和+12V的等多種可靈活選擇的多模塊直流電源。

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圖 嵌入式實驗系統硬件框圖

裝有處理器開發軟件和操作系統的計算機與整個實驗系統共同構成整個的嵌入式系統的軟、硬件開發環境。嵌入式系統的模塊化實驗是基于這套實驗裝置完成的。

3.實驗的組織形式和考核方式

實驗以兩人為一小組，從開始的電路設計、PCB制備、焊接、軟件環境搭建、部分工程程序編寫、編譯和下載調試等，解決實驗中遇到的各種實際問題。因此，為了滿足嵌入式系統各種功能的要求，模塊化實驗比較適合嵌入式系統的特點。處理器的架構體系、軟件環境搭建、硬件電路設計與置備、Bootloader與操作系統移植、最小嵌入式系統、各種接口嵌入式系統（I/O口、串口SPI、UART、IIC、

IIS等）。

實驗的考核也以兩個人為單位，學生從理論課下的大作業開始進入考核，從實驗方案的合理性、完成實驗的先后、硬件電路的性能、軟件程序的功耗和有無器件損壞等方面進行評分。

嵌入式模塊化實驗體系，既能激發學生的學習興趣，又能鼓勵學生自我創新，根據實驗系統的功能模塊進行有機組合，實現嵌入式系統的可裁剪性，自主設計實驗項目，在學習和實驗中培養興趣，在興趣的驅使下能力得到鍛煉，工程素養得到提升。對充分提升實驗課程的教學效果有著顯著的效果，能夠很好地為學生打下嵌入式技術開發的堅實基礎。

通過實驗可以引導學生形成一股扎扎實實的學習、試驗和研究的風氣，激發學生在專業領域的學習興趣。基礎好的學生利用課下可以參與到教師平時的科研中，增加動手實踐的機會，并在科研中進一步培養學生的研究興趣，形成良性循環。對于取得的研究成果，可以引導學生撰寫論文，并能在學生中起到表率作用。模塊化嵌入式系統實驗方案緊跟嵌入式技術前沿的快速發展，及時更新嵌入式系統實驗內容，靈活自主地選擇和設計方案，培養出的人才就會技術創新能力強，具有很好的市場適應性，而且提高了學生的工程技術素養。

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（作者單位 北京工業大學電控學院）