“嵌入式系統”課程創新型教學模式探究

摘 要： “嵌入式系統”課程目前是高校理工科專業通信工程、自動化、計算機科學與技術、軟件工程等專業的重要課程。提出理論強化式教學方式和項目驅動式實驗實踐方法。在教學過程中采用針對理論知識型內容進行強化學習、基礎性實驗項目進行單步分析引導、以教師科研子課題組建興趣小組和針對企業需求進行訂單式培養的實踐教學模式。這種教學模式為學生創新能力的培養打下堅實基礎，也為培養“卓越工程師”式復合人才打下堅實的基礎。

關鍵詞： 嵌入式系統課程； 理論強化； 項目驅動； 訂單式培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）10-48-03

Abstract： 'Embedded system' is the core course of communication engineering， automation engineering， the computer science and technology， software engineering professional and so on. This paper proposes the teaching mode of theoretical strengthening and the project-driven experimental practice method. In the course of teaching， practical teaching mode is adopted， which strengthens the learning of theoretical knowledge， analyzes and guides step by step for the basic experimental project， organizes interest group for teacher's sub research topics， and carries out the order training for enterprise need. This teaching mode lays a solid foundation for the cultivation of students' innovative ability， and the cultivation of 'excellent engineer' compound talent.

Key words： embedded system course； theoretical strengthen； project-driven； order training

0 引言

嵌入式系統是近年來非常熱門的一門專業，它具有技術要求高、實踐性強和系統綜合性強的特點，近十幾年發展極為迅速，目前掌握并精通嵌入式系統專業技術的人才嚴重缺乏，學校按以往模式培養的畢業生和市場的實際需求嚴重脫離，不能滿足企業的實際崗位所需，使得精通嵌入式硬件和軟件的就業生成為了市場的搶手人才。為縮小高校培養人才與用人企業實際需求之間的差距，使高校的人才能夠滿足市場所需，符合企業實際崗位需求，嵌入式系統的教學培養方向和培養目標急需改變，教學模式改革迫在眉睫。

本研究課題為培養高校工科大學生的工程創新能力及實踐動手能力，就嵌入式系統課程的教學模式改革與學生人才素質培養進行了新的探索。提出了理論強化式的教學方式和項目驅動式的實驗實踐方法，在教學過程中采用針對理論知識型內容進行強化學習、基礎性實驗項目單步分析引導、以教師科研子課題組建研究興趣小組和針對企業需求訂單式培養的實踐教學模式，不僅培養了學生動手操作和實踐創新能力，還能夠在團隊綜合性項目研發過程中培養學生的團隊合作精神，從而解決理論教學與實踐相互脫節的問題，避免出現眼高手低的情況，為學生創新能力的培養打下堅實基礎，滿足了企業的實際人才需求，也為我院將來培養“卓越工程師”式復合人才打下堅實的基礎[1-2]。

1 授課方式及理論內容設置

1.1 授課方式分析

嵌入式系統具有知識覆蓋面廣、綜合性知識強、實踐動手能力要求高等特點，其技術內容更新速度快，知識難點多，難以建立一個系統性的課程體系[3]。目前多數高校在嵌入式系統的教學模式還停留在8位單片機等層次上，嵌入式系統教學體系建設相對滯后，培養的畢業生與市場需求巨大的復合型、綜合性人才形成了鮮明的對比，畢業生就業后眼高手低，缺乏工程實踐能力，無法達到崗位所要求的技術高度。同時講授嵌入式系統課程難度很大，要求授課教師覆蓋硬件底層基礎知識及上位機界面開發的軟硬件知識，而且最好從事過嵌入式系統綜合性系統性工程實際開發，才能夠透徹的講好該門課。

根據天津商業大學的實際教學情況，“嵌入式系統原理”作為通信工程專業、自動化專業、計算機科學與技術、軟件工程等專業的重要課程，其教學團隊的教師均完成過大型嵌入式系統產品的研發工作，開發經驗豐富，將ARM9微控制器作為教學體系的理論和實驗主要對象。教學過程中，教學團隊改變以往的驗證性實驗操作，采用基礎理論知識與實驗操作有機結合的教學模式，基礎理論知識部分采用引導性筆記的授課方式，單步引導學生進行實驗操作，激發他們的學習興趣、積極性和主動性[4]。

課堂上授課教師針對學生人數相對較多的特點，需營造學生積極參與的課堂氣氛，改變以往將所有授課講義上課前給學生的做法，將具有填空性質的引導性筆記提前給學生。引導性筆記包括：本堂課理論知識的全部信息提綱、基本概念部分、公式關鍵推導和最終結論等等，而學生要將空缺部分補充細節內容。這樣學生在聽老師講課的同時，既記錄下了筆記，理解了重點內容，也能集中注意力聽課，避免了筆記的簡單機械記錄，這樣教師提高了授課效率，也使學生達到高強度的理論強化學習目的。

1.2 課程理論分析設置

嵌入式系統課程在硬件上選擇ARM9處理器進行講解，重點突出ARM9處理器的系統結構、總線、時鐘、存儲器、指令系統、寄存器和輸入輸出接口等，學生可以更深刻的理解嵌入式微處理器內核。嵌入式操作系統則需在硬件后循序漸進地過渡到實時內核操作系統的學習，然后過度到Linux、wince等操作系統的學習，學習不同的操作系統下的驅動開發方式，嵌入式應用界面編程等。人機界面的軟件設計重點講解基于Linux操作系統下人機界面設計思想、開發方法與設計工具，讓學生針對自己感興趣的嵌入式產品特點和流行的軟件界面進行設計、測試和評估，提高學生的設計能力。

我校通信工程專業和自動化專業的學生側重于學習嵌入式硬件開發，而對于計算機科學與技術專業和軟件工程專業的學生則側重于學習嵌入式軟件開發。軟硬件開發均要求學生掌握嵌入式系統硬件底層的基本知識和簡單的嵌入式操作系統，具備嵌入式系統軟硬件開發、程序調試和軟硬件維護的基本能力。嵌入式系統課程具有系統性強、軟硬件結合的特點，根據不同學科的專業特色以及學生的發展長項和能力，來建立一套完善的教學課程體系，將嵌入式系統的課程體系規劃為三個學習階段。第一階段為四個專業的學生均要求學的專業基礎課，例如C語言及匯編語言程序設計、微機原理與接口技術、模擬電子技術和數字電子技術等基礎課程。第二階段四個專業的學生均要求學習，主要開設課程有Linux操作系統、μCOSII操作系統、單片機原理及應用、嵌入式系統開發與設計、計算機網絡等課程。第三階段計算機和軟件專業學生重點學習人機界面軟件設計類課程，如QT圖形界面設計，MFC程序設計等課程；通信工程和自動化專業學生重點學習嵌入式系統硬件原理、傳感器原理、PCB制板的設計開發、Multisim10和PADS等虛擬仿真設計類課程[5-6]。

2 課程實驗項目實踐

嵌入式系統原理實驗項目，從體系上規劃為基礎類實驗項目和提高類實驗項目。基礎類實驗項目實驗原理較為簡單，操作步驟少，均要求學生熟練掌握，理解實驗項目的設計思想和過程、掌握系統開發環境建立方法和步驟；提高類實驗項目實驗原理較為復雜，設計思想繁雜，涉及到得各個學科知識較多，要求學生基本掌握。在提高類實驗項目主要鍛煉的是學生系統綜合應用設計能力、軟硬件協同開發思想以及解決問題的能力[7-9]。我校信息技術綜合實驗教學中心現有嵌入式系統教學實驗箱32 臺套（處理器為Samsung S3C2410），配套的開發環境ADS1.2及其附屬開發軟硬件資源。在2012版教學大綱指導下，教學團隊編寫了實驗教材《嵌入式系統原理與應用—基于SamsungS3C2410微處理器的設計開發》，教材中所有實驗項目均再設計為啟發型-綜合性-創新型實驗項目。

基礎類實驗項目包括：①嵌入式開發環境的熟悉與搭建；②基于ARM的C語言程序設計；③SamsungS3C2410處理器I/O接口實驗；④SamsungS3C2410微處理器中斷實驗；⑤SamsungS3C2410微處理器UART實驗；⑥SamsungS3C2410微處理器A/D實驗；⑦μCOSII操作系統在SamsungS3C2410處理器上的移植；⑧Linux虛擬開發環境的搭建；⑨Boot loader引導程序的下載與作用；⑩Linux操作系統的內核移植、文件系統的制作； [11]Windows CE操作系統的環境搭建； [12]Windows CE下的控件編程及多線程編程； [13]Windows CE操作系統下通信編程。

提高類實驗項目包括：①7寸彩色觸摸屏實驗；②基于U盤的mp3聲音錄放實驗；③USB設備的文件收發；④基于μCOSII操作系統的串口驅動程序；⑤基于μCOSII操作系統的觸摸屏驅動程序；⑥基于Linux操作系統的矩陣鍵盤驅動；⑦基于Linux 操作系統的串口驅動開發；⑧USB設備的驅動開發；⑨Windows CE操作系統的文件系統建立；⑩Windows CE操作系統的下的流接口驅動開發； [11]Windows CE操作系統的系統內核定制及調試。

提高類實驗項目的再設計，要具有綜合性強的特點，其開發難度較大，實驗操作均是以具體的實例展開的，學生在實驗項目操作中通過教師單步引導來逐步進行，教師給學生分析實驗的設計思想、設計方法等，單步引導學生進行實驗步驟的分析操作，使學生帶著問題去學習，提高學生的學習積極主動性。學生每3-5人組成一個嵌入式興趣小組，小組成員分工明確，分別完成項目的需求分析、設計原理、程序編寫、功能測試，共同開發設計完成實驗項目。我校信息技術綜合實驗教學中心根據教育部開展的建設虛擬仿真實驗教學中心的要求，以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，將嵌入式系統課程的部分實驗再設計為應用型虛擬仿真實驗，部分實驗項目需利用虛擬仿真軟件MATLAB、PROTEUS和AD等各種繪圖仿真軟件進行試驗仿真測試。虛擬仿真實驗可以提高學生實驗項目的正確率，操作的便捷性，降低設備的損壞率，強化學生的理論知識學習。

3 科研項目培養結合企業訂單培養

理論知識強化學習和基礎類、提高類實驗項目之后，授課團隊選取開發難度適宜且有意義的綜合性實例項目作為各個興趣小組的課外研究課題[10]，綜合性實例項目需要學生具備軟硬協同設計的思想，能夠系統性的把握項目開發過程，能夠將本課程各個相對零散的知識點貫通起來，這些知識點得到靈活運用，使學生從整體上把握嵌入式系統這門課程。授課團隊從國家級、市級自然科學基金項目中分離出部分子課題、各級大學生電子設計競賽項目和企業的產品開發需求作為綜合性實例項目。

教師的各類型基金項目子課題包括縱向和橫向的科研項目，在項目開發設計過程中，將3-5名同學組成一個嵌入式開發興趣小組，如基于zigbee的物聯網智能家居興趣小組，開發過程中學生作為主體，教師在每個環節輔以引導，每名學生各負其責，共同討論完成課題的方案設計、軟硬件程序編寫、功能實現和功能測試工作。為更好地理解各功能實現的原理，鍛煉學生的團隊能力，協作能力及自學能力，最后采取學生答辯結合老師驗收的結題方式，由每個興趣小組匯報該組項目的設計思想、開發原理、功能作用、程序調試及功能測試的過程，未參與同一個項目的學生也可以從中得到借鑒和積累經驗。教學團隊給予各個興趣小組在開發過程中提供充分的課外指導，信息技術綜合實驗教學中心和電工電子實驗教學中心提供相應的設備及開發平臺。目前我校教學團隊指導的學生已經獲得全國大學生電子設計競賽、TI杯天津市大學生電子設計競賽、合泰杯天津市大學生電子設計競賽、天津市大學生物聯網工程設計與應用大賽等多各獎項。

對于企業的產品開發需求這類課題，對學生采用的是訂單式培養。2010年我校加入英特爾嵌入式大學合作項目，合作共建天津商業大學-英特爾嵌入式實驗室，實驗室提供最新英特爾凌動嵌入式教學平臺，學生興趣小組充分利用此平臺完成創新研究課題的實際硬件電路設計、PCB畫板、調試環境搭建、電路功能的測試、軟件程序的開發和文檔的編寫等環節。對于企業的實際需求，則需要學生有針對性的通過項目需求分析做市場調研，制作出可行的方案并進行比較，歸納分析資料后完成系統的方案定型。開發過程中完成電路板級調試、應用程序的編程調試和系統功能測試等全過程，完成一個產品級的課題開發，以鍛煉學生的系統掌控能力和工程實踐能力。在研發的不同階段，學校實驗室向各個嵌入式興趣小組開放，學生可以隨時到實驗室進行項目開發與設計，實驗室提供嵌入式開發板、直流電源、信號源和示波器等基本的儀器，各訂單企業提供針對自己企業研發產品的平臺及資金支持，企業的一線產品研發專家定期和學生面對面的交流，使學生能夠近距離得到企業嵌入式系統資深專家面對面交流學習的機會，豐富學生的工程項目經驗，提高學生的工程創新和實踐能力。這種教學模式使企業獲得了自己急需的技術人才，達到了為企業量體裁衣式地培養人才目的，教學方式的多樣化也提高了學生品質，學生的學習積極性和就業率得到了提高，更重要的是給予了學生更多的就業選擇權。

4 結束語

我校教學團隊在2012版教學大綱的培養指導下，優化和完善教學師資，合理規劃教學體系，積極拓寬教學視野，吸取其他高校科學的教學理念，采用先進的教學方法，教學上理論內容和實踐內容相結合，通過各類興趣小組和企業需求相結合，實驗項目操作訓練上采用多種教學方式，系統的展開嵌入式系統教學改革與實踐工作，通過學生興趣小組和教師團隊的一系列實踐教學手段互動，形成了專業技術知識與綜合實踐技能相結合的實踐教學體系，提高了學生分析問題和解決問題的能力，加強了學生的工程系統掌控能力和創新能力，激發了學生的學習興趣，教學實踐效果也較符合實際應用。

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