嵌入式系統課程的教學改革探索

姚 霽

（西安郵電大學自動化學院，陜西 西安710121）

0 前言

隨著電子信息技術的飛速發展，嵌入式系統在工業控制系統、航天軍事、信息家電等領域中都有著廣泛的應用。雖然幾乎所有的高等院校都開設了嵌入式系統課程，然而由于嵌入式系統是一門綜合性極強的課程，涉及到數電、模電、計算機和通信、微機原理等多學科的知識；尤其是嵌入式系統實踐性很強，而且發展迅速，新的技術不斷涌現，因此傳統的嵌入式教學體系、授課方式、實驗方法已經不能滿足信息時代的培養嵌入式人才的需求。因此，本文針對傳統的嵌入式系統教學實驗中存在著的弊端，提出了一系列的改革和創新辦法，旨在培養出適應時代發展和市場需求的嵌入式工程師。

1 傳統嵌入式系統教學中存在的弊端

傳統的嵌入式教學中普遍存在著以下問題：（1）教材陳舊，內容過時，不能適應市場發展的需求，而且教材普遍以生硬的講概念說原理為主。（2）傳統的授課方式以老師灌輸為主，學生只能被動地接受知識，從而感到枯燥，無法激發學習的興趣；而且教學和實驗環節脫節。（3）傳統的實驗內容以驗證性內容為主，缺乏設計性實驗，不能培養學生的創新能力。另一方面，實驗內容陳舊，和實際生活嚴重脫節。（4）傳統的考核方式只重視筆試成績，不能反映嵌入式系統這種實踐性強的課程的特點，無法體現學生的實際動手能力和創新能力。

2 嵌入式系統教學改革的探索

為了提高嵌入式系統教學的效果，培養出符合時代發展需求的嵌入式人才，本文針對傳統的嵌入式系統教學模式下存在的問題，進行了深入的調查研究和實踐活動，提出了一系列的教學改革的方案。

2.1 教學內容選擇針對性和合理性

嵌入式是技術與應用結合的領域，也是交叉學科領域涉及微電子、集成電路和計算機組成原理等，覆蓋范圍廣，發展速度快。其特點決定了嵌入式系統的教學內容也需要做到與時俱進，雖然我們無法向學生傳授所有新的處理器，總線協議、嵌入式技術，不是我們應當在教學內容上，保持必要的開放性，向學生闡述嵌入式德理念，讓他們具備嵌入式的大腦，授之以漁!

在教材的選擇上，盡量選擇系統性連續的、實驗內容新穎，和實際緊密結合的教材。即便如此，在實際教學中，也應當取消或者調整教材中內容陳舊，思想過時的部分，老師應該有能力做到把教學內容和行業內技術的發展趨勢保持一致，甚至把自己平常在嵌入式科研項目上的一些知識有機地融入到教學內容中，盡量保持保持教學內容的鮮活生命力和可持續發展性。

基于當前的嵌入式技術的發展現狀和市場的需求，我們在教學內容上，選擇把“ARM硬件平臺＋嵌入式Linux操作系統”作為主要的教學內容。目前市場上占主導地位的嵌入式系統90%依然是基于ARM處理器的硬件平臺。因此，向學生傳授基于ARM的嵌入式理論知識，不僅可以幫助學生保持市場就業的競爭能力，對于學習其它的嵌入式系統也是觸類旁通的，不如正在蓬勃發展的基于INTEL處理器的嵌入式系統。而在操作系統方面，我們選擇了以嵌入式Linux操作系統為主，但為了讓學生充分理解嵌入式系統的開放性，對于Win CE商業操作系統，我們也作了基本的講解，這不僅能讓學生通過對比，理解不同的嵌式如操作系統的流程和特點，發掘他們之間的共性，也給學生提供了更加廣泛的就業空間。

另外，老師可以根據嵌入式系統課程的知識體系，結合相關的的實驗內容，把一部分的實驗內容作為教學內容，在課堂上利用嵌入式的實驗設備演示相關的教學內容，以激起學生的學習興趣。

2.2 授課方式的改進

傳統的嵌入式教學只是注重于理論知識的單向傳播，且理論課的教學和學習主要限制在課堂，而實驗課則被限制在實驗室并按照設定的實驗程序“依樣畫葫蘆”。學生完全是被動的學習和接收。這種禁錮在課本和實驗指導書中的封閉式的教學，極大地限制了學生的創新能力的培養。

我們將改變這種傳統的結論灌輸的的教學模式，在講解嵌入式的基本理論知識的時候，我們將強調嵌入式系統和通用計算機系統的基本理論中相同點和不同點，結合學生已經學習過的單片機系統，微機原理等基本理論，以類比，對照的方法進行解析。甚至啟發式地引導學生把已有的通用計算機系統知識和理論進行轉換、進而映射到嵌入式平臺中來，從而可以更加深刻地體會和理解嵌入式系統中的一些重點理論和特點。比如，在講解ARM指令的時候，我們采用啟發式教學，在學生已經學習的80×86匯編語言的基礎之上，通過啟發、對比和完善，把ARM指令和匯編語言的相同點和不同點分析出來。接著通過一些典型試驗訓練，讓學生通過閱讀和分析程序，領會其精髓。這樣既可以節約課堂授課時間，也可以讓學生更加深刻的理解到嵌入式平臺和通用平臺80×86的區別所在，從而加深對嵌入式系統特點的理解。這種啟發對比式的授課方式更能讓學生理解嵌入式技術的發展過程和形成背景，這樣比讓學生單純的死記硬背一些結論性的概念更有實際意義。

其次，我們將推行以實驗為主的教學方法，打破傳統的課堂教學理論與實驗課完全獨立的授課方式，將理論知識的學習貫穿到試驗中，以實驗來促進理論知識的吸收。也就是以實例、實驗為主線，實行講授與實驗一體化的教學方法。首先，在課堂上利用嵌入式仿真器、實驗箱等實驗設備演示實驗項目，先讓學生看到實驗的過程及其結果，變抽象為具體，變枯燥為有趣，激起學生的學習興趣。其次，適當地將課堂搬到實驗室，充分利用實驗室的資源，結合試驗，講授理論知識。再次，根據嵌入式系統課程的知識體系，設計出與各項內容相適應的實驗內容，一方面在授課的時候，以實驗內容為教學內容編成講義，以講義為主，教材為輔；另一方面，在實驗中，以實驗的方式鞏固教學內容。最后，鼓勵學生自己動手做實驗，自己去分析實驗中涉及的硬件、編程方法及實驗目的。讓學生從試驗的被動接受者變為實驗的主動構建者和創新者，讓學生體會到科學試驗的樂趣和魔力，激發他們學習的興趣。

2.3 改進實驗內容和方法

嵌入式系統是一門實踐性很強的課程。在嵌入式系統教學中，實驗是學生掌握嵌入式系統設計技術的關鍵。通過實驗，不僅可以幫助學生鞏固理論知識、增加學生對嵌入式系統的感性認識，提高學生的學習興趣；而且可以幫助學生理解嵌入式系統的開發和設計流程，全面掌握嵌入式系統的設計技術、硬件基本體系和結構、系統運行模式、嵌入式軟件開發、系統調試與驗證方法等，使學生具有一定的嵌入式系統開發知識和能力。

首先，我們要改變的傳統的實驗課的授課方式，打破先上理論課，再上試驗課的傳統模式，將理論課和實驗課結合起來，邊教學邊實驗，理論教學和實驗練習充分結合。其次，改進傳統的的實驗內容設計，一方面結合教材內容，設計出一些基礎實驗，幫助鞏固理論知識；更重要的是選擇生活中能見到的嵌入式的應用實例，設計出系統實驗內容，容易激發學生的學習興趣和動手實踐的愿望！再次進一步拓展實驗內容，注入一些新穎的，與現代企業嵌入式應用技術緊密聯系的實驗課題，引導學生盡可能多地接觸國內外工業界的嵌入式系統設計開發實例，一方面來彌補課內實驗教學在內容上的不足，同時還能拓展學生的視野，提高就業能力。最后，鼓勵學生自己設計實驗內容，自主查閱整理資料，確定實驗主題和試驗目的，討論解題思路與設計原理，自主完成程序流程圖、開發程序、上機調試等。這種自主式的實驗訓練不僅鍛煉了學生的科研、創新和實際解決問題的能力，而且也幫助老師豐富了教學資源，也促進了老師的提高，真正體現了教學相長的新型教學理念。

當然，在進行實驗教學時，還是應當遵循循序漸進的方式，由易及難，由淺入深。讓學生基于對嵌入式理論的理解，從而系統地理解嵌入式系統的設計過程、掌握開發工具和驗證方法。另外，這種實驗改革的創新，決不是一味的讓學生獨自承擔創新的任務，老師的作用不僅僅是負責實驗內容的改革和創新。在實際的實驗教學中我們發現，如果老師能和學習一起參與到具體的實驗中，一起實現實驗中的硬件設計。比如液晶顯示控制實驗，當學生看到老師通過連線、編程，可以實現LCD顯示漢字字符、彩色位圖等的實驗結果后，自己一定很想試試。這樣就大大激發了學生的實驗積極性。另外，學校在條件允許的情況下，應當提高更好的嵌入式實驗條件，老師應當為學生創造寬松的實驗環境。比如盡可能的開放實驗室，改變傳統的只能在實驗課做實驗的模式，讓學生充分利用實驗室提供的實驗器材、設備和環境等資源來完成實驗。不僅讓學生享受到實驗成功本身的成就感，而且能讓學生感受到自由創新的自豪感。

所有的實驗，都是為了提高學生的知識水平和實踐能力，培養他們自主創新的能力。于是，我們鼓勵學生積極參加各種嵌入式競賽，去證明自己的能力。老師則給他們必要的賽前集中培訓，這種培訓，不僅僅是簡單的編程能力的培訓，更是對嵌入式系統知識的升華，對于培養學生積極思考、努力探索、和解決實際問題的應變能力都有極大的意義。最近幾年我校的學生參加了不少的嵌入式系統設計大賽，比如：大學生電子設計大賽、飛思卡爾智能車大賽、博創杯嵌入式大賽等，都取得了不錯的成績。這對培養學生的應用能力和積極參與競爭的意識有著重要的意義。

2.4 改進的課程考核辦法

傳統的嵌入式系統課程的考核由筆試成績和平時實驗成績組成，而實驗成績僅僅通過實驗報告來考核。這種考核方式對于嵌入式系統這種實踐性很強的課程，缺乏必要的區分度，一方面會使學生陷入死記硬背理論知識的老胡同里，另一方面也很容易讓學生出現重實驗報告，輕實際操作的弊病，不能真正考核學生的實際能力。因此我們不僅需要改進傳統的閉卷考試方式的方法，而且也要減少簡單的理論成績和實驗成績加成帶來的弊端。基于對學生實踐能力的培養，因此在考核的評定辦法上我們應當格外強調實驗中的表現。改革的考核辦法如下：（1）平時成績以參考實驗中的表現為主，書面的實驗報告為輔，這就要求老師要觀察學生在試驗中的表現，而不是僅僅通過課后的實驗報告的數據和結果來打分。（2）期末評定時，不僅要減少理論課筆試成績的比例，而且在理論筆試中，盡量避免死記硬背的題型測試，并重點考察學生對知識的理解程度和應用能力。（3）在期末考試中，不僅要增加專門的實驗測試環節，而且要提高實驗測試成績載期末總評中的比例。實驗測試時，有學生當場抽取自己的實驗測試題；實驗測試題除基本要求外，還給學生提供必要的發揮空間，能讓實際動手能力較強的同學又充分發揮表現的空間。（4）對于平時或者假期參加了嵌入式大賽的學生，或者參加企業的實際嵌入式項目實踐的學生，或者參加了自主創新實驗實踐活動的學生給與適當的附加課外創新成績。

3 結束語

嵌入式系統是一門綜合性、應用性、時效性很強的課程。本文針對傳統的嵌入式系統教學中存在的弊端，提出了一系列關于課程內容建設、授課方式改進、實驗內容創新、考核辦法改革的方案和措施，目的在于保持嵌入式系統課程的開放性和創新性，保證其長期發展的生命力和活力，改善教師的教學方法和實驗方法,以此來提高學生的學習興趣,培養學生的實踐能力、創新能力,培養出更多優秀的嵌入式工程師。

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