基于企業(yè)需求的嵌入式教學(xué)內(nèi)容設(shè)置分析

摘要：嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最熱門，最具有發(fā)展前途的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備、汽車電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械、航天航空設(shè)備和手提數(shù)碼產(chǎn)品等廣泛的領(lǐng)域之中。由企業(yè)的需求出發(fā)，構(gòu)建由淺入深、循序漸進(jìn)的嵌入式專業(yè)教育體系，并且結(jié)合嵌入式實(shí)踐設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新競賽等活動，加強(qiáng)學(xué)生對嵌入式專業(yè)知識的理解。最重要的是培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)思路，增強(qiáng)學(xué)生思考問題、解決問題的自學(xué)能力，以便更好地適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)對嵌入式專業(yè)人才的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式教學(xué)；企業(yè)需求；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革

作者簡介：譚斐（1983-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師；王偉然（1983-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，講師。（江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0125-02

國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）對嵌入式系統(tǒng)定義為：用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置。[1]實(shí)質(zhì)上嵌入式系統(tǒng)就是一種以應(yīng)用為目的，軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等都有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。[2，3]近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到各個現(xiàn)代高新產(chǎn)業(yè)中。隨著嵌入式系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中比例的快速增長，企業(yè)需要大量同時能夠掌握硬件和軟件設(shè)計(jì)的嵌入式新型復(fù)合人才。由于高校課程設(shè)置的滯后，盡管每年大約有50萬左右的電氣工程類高校畢業(yè)生，企業(yè)對嵌入式人才需求的缺口仍然達(dá)到每年80萬左右。這個現(xiàn)象說明目前高校對于電氣類課程的教學(xué)還是基于傳統(tǒng)模式，沒有跟上企業(yè)的需求，這種情況極大違反了課程設(shè)置的要求，同時也給在高校中開展嵌入式教學(xué)體系的設(shè)置和改革帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如何設(shè)置電氣專業(yè)嵌入式課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，培養(yǎng)符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)踐型復(fù)合人才是當(dāng)前最需要研究解決的目標(biāo)。

一、嵌入式課程教學(xué)及其實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是一個硬件平臺和軟件編程的結(jié)合體，當(dāng)前國際各大電氣公司都推出了自己相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)，比如TI公司的DSP系列、飛思卡爾的DSC系列、三星公司的ARM系列、Xilinx公司的FPGA系統(tǒng)等。目前嵌入式系統(tǒng)種類較為復(fù)雜，軟件編譯平臺也有所不同，但是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的總體思路是不變的，只要熟練掌握了一種嵌入式平臺的設(shè)計(jì)，舉一反三地自學(xué)其他嵌入式系統(tǒng)也是相對較為簡單的。[4，5]

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)涉及到一系列基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，比如模電數(shù)電、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)控制、C語言、操作系統(tǒng)甚至還有匯編語言等等。結(jié)合江蘇大學(xué)（以下簡稱“我校”）電氣類專業(yè)課程建設(shè)以及電氣工程及其自動化專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)，和當(dāng)前企業(yè)對于嵌入式專業(yè)人才的需求，將對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革。教學(xué)改革以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，貼近企業(yè)需求，以培養(yǎng)符合復(fù)合型嵌入式實(shí)用型人才為目的。從整體上考慮嵌入式教學(xué)和其他學(xué)科的契合點(diǎn)，研究符合本校、符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以使學(xué)生盡快熟悉嵌入式平臺的設(shè)計(jì)及其操作，同時培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力，為將來學(xué)習(xí)其他嵌入式系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

二、嵌入式教學(xué)體系設(shè)置的思路

以扎實(shí)理論基礎(chǔ)，提高實(shí)踐動手能力，增強(qiáng)學(xué)生思考能力，培養(yǎng)符合企業(yè)需求的嵌入式復(fù)合型人才為教學(xué)指導(dǎo)思想；以思考與動手相結(jié)合，授課與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課內(nèi)教學(xué)與課外自修相結(jié)合，理論與實(shí)踐相結(jié)合，知識與創(chuàng)新相結(jié)合，能力與素質(zhì)相結(jié)合，目標(biāo)與需求相結(jié)合為教學(xué)理念。將基礎(chǔ)教學(xué)、嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件綜合實(shí)驗(yàn)、嵌入式課程設(shè)計(jì)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)及課外科技創(chuàng)新活動等環(huán)節(jié)相結(jié)合，構(gòu)建了較為完善的嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（圖1）。[6-8]

1.相關(guān)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)

學(xué)好嵌入式系統(tǒng)不是可以一蹴而就的，這涉及到一系列的基礎(chǔ)課程，需要熟悉硬件設(shè)計(jì)開發(fā)流程，掌握基本的接口設(shè)計(jì)及相關(guān)的程序編寫方法，熟練規(guī)范地使用C語言，了解一部分的匯編函數(shù)，掌握一定的通信原理知識。這些需要在課程設(shè)置時考慮到學(xué)生前期鋪墊的專業(yè)基礎(chǔ)課程，所以一上來就直接開設(shè)嵌入式課程不僅不能幫助學(xué)生快速上手，反而會混淆學(xué)生的思維，打擊他們學(xué)習(xí)嵌入式課程的興趣。教師應(yīng)該循序漸進(jìn)設(shè)置好相關(guān)基礎(chǔ)課程，為學(xué)生進(jìn)一步的嵌入式學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。當(dāng)學(xué)生在嵌入式學(xué)習(xí)階段遇到問題時，可以通過前面所學(xué)習(xí)到的知識來思考和解決問題，同時這也是對前面基礎(chǔ)知識的一個復(fù)習(xí)過程。

2.針對某一嵌入式芯片設(shè)計(jì)其數(shù)字控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)首先最主要的是設(shè)計(jì)其核心控制模塊。隨著選擇的嵌入式芯片的不同，核心控制模塊也是有所區(qū)別的，設(shè)計(jì)時應(yīng)查找芯片廠商所提供的資料，構(gòu)建嵌入式自身獨(dú)有的核心控制模塊。一般來說，嵌入式芯片自身都帶有一定的存儲空間ROM/Flash ROM，但是如果在工程運(yùn)用中容量不夠的情況下，就需外擴(kuò)存儲器。外擴(kuò)存儲器、通用設(shè)備接口、I/O接口和特殊功能模塊需要根據(jù)工程實(shí)際情況選擇添加。其設(shè)計(jì)時也需根據(jù)工程要求參考芯片廠商所提供的資料，確定芯片的型號及其硬件連接走線。

當(dāng)設(shè)計(jì)嵌入式數(shù)字系統(tǒng)硬件的時候，需要用到電子設(shè)計(jì)自動化工具（EDA）來輔助進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計(jì)。利用EDA工具，可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量的工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并且可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計(jì)算機(jī)上自動處理完成。現(xiàn)在一般常用的EDA工具有Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim12、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等。這些工具都具有較強(qiáng)的功能，除了一般的電子設(shè)計(jì)之外，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)上的電路仿真、PCB自動布局排線、輸出多種電子表格、多種實(shí)用的第三方軟件接口。學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式數(shù)字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時應(yīng)選擇其中一種或者多種進(jìn)行熟練掌握。

3.嵌入式芯片平臺的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)

嵌入式芯片平臺的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是嵌入式教學(xué)的重點(diǎn)。

首先，教師在教授嵌入式系統(tǒng)之前自身就應(yīng)該具有較強(qiáng)的專業(yè)知識、工程經(jīng)驗(yàn)和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性強(qiáng)，知識量豐富，并且需要實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的課程，這不是只靠著一些教材或者課外輔導(dǎo)書可以教授好的。目前許多教授這一門課程的教師自身就有著一定的不足，這就需要教授這一課程的教師不斷進(jìn)行自身的充電。學(xué)校也應(yīng)為教師創(chuàng)造機(jī)會，讓教師可以實(shí)際參加到工程生產(chǎn)的設(shè)計(jì)中去。

其次，課程教授的過程中需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。嵌入式的學(xué)習(xí)除了書本和資料上面的內(nèi)容外，最重要的是教授學(xué)生該如何使用，如何考慮相關(guān)問題。這需要除了在基本功能驗(yàn)證外，增加設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括資料的查找、方案的設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及其PCB制版、軟件的編寫、組裝調(diào)試。通過針對嵌入式的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，綜合訓(xùn)練學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)能力，同時培養(yǎng)學(xué)生自主思考問題、查找資料、解決問題的能力，為學(xué)生今后的嵌入式學(xué)習(xí)之路打下基礎(chǔ)。

最后，科學(xué)設(shè)置嵌入式教學(xué)的考查環(huán)節(jié)。由于嵌入式的特點(diǎn)，注定一般以考試為主體的考查環(huán)節(jié)是不適合嵌入式教學(xué)的。個人認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)的考查應(yīng)以這幾個方面的形式：

（1）專題演講。要求學(xué)生整理自己感興趣的嵌入式方面的內(nèi)容。比如，當(dāng)前嵌入式的發(fā)展動態(tài)、一種嵌入式芯片的使用說明、一種主流的嵌入式軟件的使用方法、一個針對實(shí)際問題的嵌入式系統(tǒng)解決方案、現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的一些不足或者不方便的地方及其可以對其進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)想等等。

（2）設(shè)計(jì)報(bào)告。教師就一個實(shí)際問題要求學(xué)生分組設(shè)計(jì)嵌入式解決方案，包括芯片選型、硬件設(shè)計(jì)、軟件編寫、總體調(diào)試。如果這個問題比較復(fù)雜，可以允許各小組之間分工配合。

（3）讀書筆記。要求學(xué)生就學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)這一課程后的心得及對教材、資料、課外書籍的認(rèn)識、總體概念寫成讀書筆記。

（4）科技競賽。允許學(xué)生自由分組，就自己感興趣的內(nèi)容設(shè)計(jì)一個嵌入式系統(tǒng)，并進(jìn)行樣品自主試制，最后相互之間進(jìn)行評比。

4.嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的助研實(shí)踐和科技競賽

鼓勵學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。現(xiàn)在大部分教師都進(jìn)行著縱向或者橫向課題的研究，這里基本上都涉及到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。學(xué)校應(yīng)該鼓勵學(xué)生參與到這些課題的研究當(dāng)中，針對這些課題進(jìn)行相關(guān)方案設(shè)計(jì)及其硬件樣品制作和軟件編寫。

現(xiàn)在國家、省市和相關(guān)電子企業(yè)都大力支持大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽，舉辦了如全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、中國機(jī)器人大賽、江蘇省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽、飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車競賽、德州儀器杯電子設(shè)計(jì)競賽等。科技創(chuàng)新競賽本身就是一個綜合性的教學(xué)活動。學(xué)生在競賽的過程中將專業(yè)理論知識運(yùn)用到實(shí)際問題中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思維的意識，還培養(yǎng)了發(fā)散型創(chuàng)新思維的能力。

三、結(jié)語

嵌入式教學(xué)中需要建立以學(xué)生為主體，企業(yè)要求為目標(biāo)的互動型教學(xué)方式。在課程教學(xué)方案中需選擇主流典型的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，主要講解嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)中的共性。平時注意收集資料，除了所講解的嵌入式系統(tǒng)外，也需分類介紹其他一些常用的嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)。注意串聯(lián)知識點(diǎn)，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生知識體系中的不足，當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生基礎(chǔ)知識體系中有所不足的時候，需要及時給學(xué)生補(bǔ)充或者制訂課余學(xué)習(xí)計(jì)劃，并及時檢查學(xué)生的完成情況；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案中需要從學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合實(shí)際，不斷探索新的實(shí)驗(yàn)方法和手段，注意實(shí)驗(yàn)過程中的每一個環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)際動手能力的培養(yǎng)。

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