應用型本科院校“嵌入式應用”課程群建設模式的探討

姚文卿　董良威　韓益鋒

摘 要： 文章以常州工學院“嵌入式應用”重點課程群建設為背景，針對應用型本科院校嵌入式類課程知識老化、結構不合理等實際情況，從課程群體系、課程理論和實驗教學等方面進行了探討。該課程群圍繞嵌入式應用由淺入深，課程內容緊貼工程實際，理論和實踐有機結合，在學生創新意識和實踐動手能力培養方面進行了有益的嘗試和探索。

關鍵詞： 嵌入式應用 教學體系 實驗教學

嵌入式技術是21世紀計算機技術發展的一個重要方向。嵌入式技術的發展，是當今新型技術時代的一個重大標志。

在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC時代，技術的飛速進步及市場對高端智能產品需求的日趨增長，8/16位微處理器已無法滿足高端智能產品對微處理器性能的最低要求。而32位嵌入式微處理器因其高主頻、低功耗、高性價比、可運行嵌入式操作系統等特點，已經在高端智能產品、工業控制、信息家電等領域已取得了廣泛應用[1，2]。

近年來，在電子信息學科單片機原理及應用課程、16位及32位微機原理及接口電路等課程的教學中，仍以匯編語言、接口編程等作為主要知識點進行講授，現有課程內容、教學設施和教學手段與現今嵌入式技術的飛速發展嚴重脫節，技術差距在不斷加大，傳統的課程體系和教學方法已經無法滿足應用型人才培養的要求。為此，更新嵌入式應用相關課程教學內容，進行課程改革和實驗建設迫在眉睫。

1.循序漸進，構建三位一體的課程群體系

目前嵌入式應用的實現主要有三種形式：面向實時性要求較低、無需多線程的簡單系統，一般選用單片機等8位或16位處理器的解決方案，適用于低端應用場合；面向處理速度較快、需要操作系統支持的場合，可選用基于FPGA或ARM的片上系統（SOC）的解決方案，適用于高端應用場合；而在如汽車電子、航空航天等工業級應用場合，一般自主開發專用數字集成電路實現嵌入式應用[3]。

圖1 嵌入式應用的實現形式

嵌入式應用課程群針對這三個方向開設三門主干課程：單片機原理與應用、片上系統與嵌入式應用和數字集成電路設計，《單片機原理與應用》以8051為代表，主要講授8位微處理器的結構和工作原理，讓學生對嵌入式系統形成基本概念，學習一般微處理器的指令集、工作原理、硬件配置和軟件開發。《片上系統與嵌入式應用》以FPGA為平臺，著重講授SOPC系統設計方法，在先修課程的基礎上逐步深入，讓學生從這門課程的講授中既能學習到實用性較強的簡單數字系統開發，又能接觸到如底層驅動程序、實時操作系統等嵌入式應用的前沿技術。最后，特別針對本專業微電子的專業特點，開設《數字集成電路設計》，專門講授嵌入式處理器數字IC的開發和使用，培養學生具有設計具有自主系統架構嵌入式專用IC芯片的能力，形成本專業特色鮮明的培養模式。

圖2 嵌入式應用課程群體系

2.教學科研并重，不斷更新教學內容和教學方法

嵌入式領域的技術更新換代速度十分的快，因此，要求教師在教學過程中不斷跟蹤新技術，更新教學內容和教學方法。在“嵌入式應用”課程群建設的過程中，我們將課程的教學內容和教師所承擔各級科研項目中所獲得的工程實踐經驗緊密結合起來，在每個輪次的教學中，都會根據目前最新的前沿技術，加入一部分新的教學內容，以達到更好地提升學生知識水平的效果。我們編寫了適合我校辦學特色的嵌入式系統實驗（實訓）指導書、PPT教學課件、AVI視頻教學動畫等教學資料。目前，課程群中三門課程在教學內容和方法方面都進行了有益的探索。

（1）《單片機原理與應用》課程采用目前工程實踐廣泛采用的C程序設計語言進行描述，改變了以往使用匯編語言講授枯燥、乏味的特點，更易于學生理解和實際應用。同時，我們還在課堂教學中引入了Proteus單片機仿真軟件進行案例教學。在講授完單片機的基本原理之后，教師以講授實際案例為手段訓練學生對于各知識點的理解和應用能力[4]。在此過程中，學生與教師同步在課堂中用自己的計算機完成案例的復現，并用Proteus仿真軟件驗證程序運行的實際效果。應用案例教學法，學生的學習不再是一味地聽，而轉變為實際動手實踐，在實踐中嘗試、總結和提升，學生學習效果顯著強化。

（2）《片上系統與嵌入式應用》是一門新開課程，主要講授Nios II軟核處理器的體系結構、外圍設備和SOPC系統的開發流程。在課程內容上，側重嵌入式處理器的應用而非原理，避免與單片機課程重復。在上一學期學生學習過單片機課程的基礎上，重點講授SDRAM存儲器、Flash存儲器、UART接口等低端單片機系統不涉及的內容和應用實例。在教學方法上，采用任務驅動法來激發學生的學習興趣，以一個簡單的設計實例為主體，介紹軟硬件的開發流程，開發環境的使用和編程思想，使學生循序漸進，逐步深入[5]。例如：設計一個點陣顯示屏控制器，圍繞這個任務讓學生熟悉構建SOPC系統所要用到的外部RAM接口、外部Flash接口、Avalon三態橋、定時器、鎖相環、自定義點陣等外設的特點和編程方法。這種教學方法將學習的難點分散到各個任務中，能使學生在完成任務的同時深刻理解所學內容。

（3）《數字集成電路設計》課程以Verilog語言設計為切入點，從最簡單的邏輯電路設計開始，逐步深入復雜的微處理器電路設計。在教學內容上，針對嵌入式應用課程群的特點，圍繞微處理器的主要結構如ALU、ROM、寄存器組、RISC模型機等電路的原理和設計方法進行講授，學生在經過這門課程的學習后，可以掌握自己動手開發一塊具有自主知識產權的專用嵌入式處理器芯片的能力。

3.開設綜合性、設計性實驗，培養學生創新能力

應用型本科人才并不是“狹窄于技術”的工匠，應具有開放的辯證思維和創新精神。在嵌入式課程群實踐體系的建設過程中，除了開設常規的基礎性實驗以外，在《片上系統與嵌入式應用》和《數字集成電路設計》課程設計中開設了一系列的綜合性和創新性實驗，這些課題來源于實際的工程設計和科研項目，由學生自行提出可行的設計方案，與指導老師共同討論后實施，整個過程由學生主導，充分發揮學生的主觀能動性和創造力。我們將實驗內容分為以下三類。

（1）基礎性實驗。主要是讓學生在實驗指導書的指導下將理論課上所掌握的知識和概念通過實驗的方式進行鞏固，通過直觀、具體的實驗結果驗證理論結果，熟悉軟件使用方法和設計流程。包括PWM直流電機控制、標準輸入輸出設備字符串流控制、PIO控制流水燈、自定義外設點陣控制等實驗。

（2）綜合性實驗。這部分實驗區別于基礎性實驗，并不給出具體的實驗過程，只給出基本原理和大致方案，要求學生綜合運用所學專業知識，周全考慮，自行確定具體的實驗步驟和方法。這部分實驗往往涉及多門知識點甚至是多門課程，包括無線溫度數據采集、μC-OS多任務操作系統、觸摸屏人機交互等實驗。

（3）創新性實驗。這部分實驗主要面向部分基礎知識過硬、動手能力強的優秀學生，利用課外時間提高他們在嵌入式應用方面的實際能力。這類實驗以省、校兩級大學生實踐創新項目為載體，不拘泥于理論和實驗課程的范圍，由學生自主選題，形成創新團隊，由團隊指導老師負責。我們成立了開放的嵌入式創新實驗室，實驗室由老師、實驗員和高年級學生共同值班，學生可以隨時申請使用實驗設備，完成相應的實驗。通過這種形式的鍛煉，嵌入式創新實驗室的同學在省大學生電子設計競賽、全國電子專業人才設計與技能大賽中都取得了優異成績。

4.結語

嵌入式應用課程群經過以上所述課程體系的調整、教學內容的豐富及實驗教學的改革，不斷增加新知識，改進教學手段和教學方法，通過課堂教學、實驗教學和教學科研的結合，在學生創新意識和實踐動手能力培養方面進行了有益嘗試和探索。未來我們將在深化教學改革的過程中不斷探索，不斷完善，探索出一套適合應用型人才培養的嵌入式應用教學培養模式。

參考文獻：

[1]周立功.SOPC嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]宋彩利，康磊.數字系統設計與SOPC技術[M].西安：西安交通大學出版社，2012.

[3]李蘭英，崔永利，李妍等.基于FPGA技術的嵌入式應用型人才培養教學體系[J].計算機教育，2011（16）：18-21.

[4]陳林，魏淑桃，石林祥等.應用型本科“SOPC設計與應用”課程教學改革探索[J].計算機教育，2012（19）：82-85.

[5]金劍波.可編程片上系統教學方法的探討[J].新課程研究，2010（1）：92-93.

基金項目：2010年常州工學院重點課程群建設項目。