基于開源軟硬件平臺(tái)的嵌入式教學(xué)研究

趙石磊++唐光義

摘 要：文章從嵌入式系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，指出了基于開源軟硬件平臺(tái)的嵌入式教學(xué)策略，即從教學(xué)方法上教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)，整合教學(xué)內(nèi)容，合理安排實(shí)驗(yàn)案例。

關(guān)鍵字：嵌入式教學(xué)；開源硬件平臺(tái)；策略

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2015）10-0018-02

近年來，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，各種相關(guān)的嵌入式產(chǎn)品也紛紛涌現(xiàn)，同時(shí)，嵌入式人才的需求量也在逐年增加，因此各大高校紛紛開展嵌入式教學(xué)。然而，在嵌入式教學(xué)中，一方面，面對(duì)比較深?yuàn)W的嵌入式知識(shí)，學(xué)生很難有自覺深入學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，即使在教學(xué)中加強(qiáng)了教、學(xué)、做一體化等教學(xué)模式，大多數(shù)學(xué)生也只是照葫蘆畫瓢，被動(dòng)機(jī)械地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，不能有效地提高自身的技能和創(chuàng)新能力。另一方面，雖然學(xué)生邏輯思維能力不強(qiáng)，但是他們的思維十分活躍，只要教學(xué)內(nèi)容符合他們的需求，引起他們的興趣，就能激發(fā)他們學(xué)習(xí)的動(dòng)力和創(chuàng)造力。因此，如何在嵌入式教學(xué)中挖掘出嵌入式教學(xué)中存在的問題的根源，并以此為根據(jù)來對(duì)癥下藥，才是解決嵌入式教學(xué)中問題的關(guān)鍵。

一、嵌入式教學(xué)存在的問題

各個(gè)學(xué)校開展“嵌入式系統(tǒng)”及相關(guān)課程已經(jīng)有很多年了，所遇到的問題有很多[1]，主要有以下幾點(diǎn)。

（一）“嵌入式系統(tǒng)”課程教授難度大

嵌入式課程是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性很強(qiáng)的專業(yè)課程。嵌入式課程內(nèi)容的抽象化決定了嵌入式課程教學(xué)必須通過大量的實(shí)踐和動(dòng)手操作訓(xùn)練來強(qiáng)化其知識(shí)結(jié)構(gòu)，僅學(xué)習(xí)芯片的基本知識(shí)而不綜合運(yùn)用軟硬件技術(shù)且動(dòng)手解決實(shí)際問題的話，就等于紙上談兵。這些抽象內(nèi)容的具體化以及如何組織大量的實(shí)踐成為學(xué)生學(xué)習(xí)以及教師授課的最大困難。

（二）學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)興趣缺乏

各個(gè)學(xué)校一般在一、二年級(jí)強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)教育，開設(shè)了相當(dāng)多的基礎(chǔ)課程，而與嵌入式相關(guān)的基礎(chǔ)課程，即專業(yè)基礎(chǔ)課程，如“計(jì)算機(jī)技術(shù)”“半導(dǎo)體技術(shù)”等則相對(duì)較少。因此，當(dāng)大三開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”課程時(shí)，學(xué)生并沒有嵌入式的直接知識(shí)，更無感性認(rèn)識(shí)，再加上課程本身難度較大，從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，即使勉強(qiáng)堅(jiān)持，也會(huì)因?yàn)椴欢脑絹碓蕉啵絹碓绞W(xué)好“嵌入式系統(tǒng)”課程的信心。

（三）缺少適合的教材與實(shí)驗(yàn)儀器

目前，大多的“嵌入式系統(tǒng)”的教材以知識(shí)結(jié)構(gòu)為主線，先講解ARM的體系結(jié)構(gòu)、指令集和匯編程序，最后分析綜合應(yīng)用實(shí)例。此類教材雖然內(nèi)容比較翔實(shí)，理論性教強(qiáng)，但缺乏直觀性，案例較少或者只能提供一些簡(jiǎn)單的案例，且沒有考慮初學(xué)者學(xué)習(xí)嵌入式課程的特點(diǎn)，使用這類教材進(jìn)行教學(xué)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生感到學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象、枯燥，難以理解。具體來說就是很少有符合不同學(xué)校實(shí)際情況的教材。即使能找到較好的教材，也很難找到與其相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器。理論與實(shí)踐不能很好結(jié)合，致使教學(xué)效果下降。

（四）實(shí)驗(yàn)形式單一，學(xué)生動(dòng)手能力弱

學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式課程中重要的實(shí)踐就是課程實(shí)驗(yàn)[2]。而學(xué)生在課上實(shí)驗(yàn)過程中，大多以實(shí)驗(yàn)箱為主體，進(jìn)行理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一，方法簡(jiǎn)單，只需按照指導(dǎo)書上的步驟完成相同的實(shí)驗(yàn)即可，大大限制了學(xué)生應(yīng)用理論去解決實(shí)際問題的能力。此外，由于學(xué)生嵌入式基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)無興趣，使得學(xué)生在課下很難有效地組織興趣小組來拓展實(shí)踐知識(shí)。而當(dāng)有學(xué)院、學(xué)?；蛘吒邔哟蔚碾娮痈?jìng)賽時(shí)，往往由于缺乏必要知識(shí)而無法參加，致使實(shí)際鍛煉機(jī)會(huì)較少，學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力難以發(fā)揮。

二、基于開源硬件平臺(tái)的嵌入式教學(xué)策略

出于以上原因，在講授嵌入式課程時(shí)，教師難教，學(xué)生難懂，長此以往，最終將導(dǎo)致學(xué)生失去興趣，這些問題的存在使得嵌入式教學(xué)成為高校教學(xué)中的一大難點(diǎn)。此外，現(xiàn)在各個(gè)學(xué)校教授嵌入式系統(tǒng)原理及實(shí)踐知識(shí)的過程為原理到實(shí)踐的過程。由于在學(xué)習(xí)原理時(shí)與實(shí)踐脫離，理論知識(shí)的枯燥性，再加上嵌入式入門門檻高、學(xué)生嵌入式基礎(chǔ)差等問題的使得嵌入式課程，教學(xué)效果難以得到保障。

在高校嵌入式教學(xué)中，若能引入業(yè)界更多優(yōu)秀的系統(tǒng)，不僅會(huì)給學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式知識(shí)提供更多可以選擇的平臺(tái)，也會(huì)有效減緩教師授課的困難，并成為提高嵌入式課程教授效果的一個(gè)有效手段。

開源軟硬件平臺(tái)Arduino無疑是很好的選擇[3]。Arduino編程簡(jiǎn)單，軟件、硬件等資源均為開源，且在學(xué)習(xí)過程中需要的嵌入式知識(shí)較少，只需要掌握 C 語言即可完成復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，由于Arduino Due 本身的核心是ARM，即Atmel公司的SAM3X8E內(nèi)核，所以二者本質(zhì)上是一致的。將其引入，能在加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生興趣中起到關(guān)鍵的作用。在將開源軟硬件平臺(tái)Arduino引入到“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)過程中[4]，主要考慮了以下幾個(gè)方面。

（一）教學(xué)方法：教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)

大學(xué)的學(xué)習(xí)主要是自主學(xué)習(xí)，要想學(xué)生能夠更好地自主學(xué)習(xí)，就要求教師在教學(xué)的過程中不僅僅教授知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、教授學(xué)生學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生愛學(xué)習(xí)、會(huì)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性及學(xué)習(xí)的效率。特別是“嵌入式系統(tǒng)”這門課程，如果能夠讓學(xué)生DIY一些小制作，就會(huì)充分激發(fā)學(xué)生的積極性，同時(shí)也會(huì)給他們帶來極大的自信，鍛煉他們自我解決問題的能力。由于Arduino具有編程簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)資源多、設(shè)計(jì)模塊化等等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于初學(xué)者或者剛接觸的人，只要略加指導(dǎo)，就能夠很快上手，并制作出比較“炫”的東西來。因此，使用Arduino平臺(tái)能夠從學(xué)習(xí)方法上改變過去先學(xué)理論再實(shí)踐的過程，從而有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（二）整合教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容的改革是嵌入式課程提高教學(xué)效果的核心。由于Arduino開源硬件平臺(tái)編程比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)硬件知識(shí)較少，因此在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了相應(yīng)的改變，拋棄了課程教授初期就講授晦澀難懂的ARM的體系結(jié)構(gòu)、指令集和匯編程序等原理知識(shí)，減少了由于不了解、不懂而產(chǎn)生的厭學(xué)問題。在開課之初，使用Arduino進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)放在Arduino中操作硬件的函數(shù)運(yùn)用上，而基礎(chǔ)較高硬件編程知識(shí)是被函數(shù)屏蔽的。此外，教師可以在這個(gè)階段介紹一些器件知識(shí)，如光敏電阻的性質(zhì)、按鍵的實(shí)現(xiàn)原理等等，一旦有一定積累，就可以轉(zhuǎn)向ARM的教學(xué)了。由于Arduino內(nèi)容的緩沖，使得ARM知識(shí)不會(huì)顯得突兀，從而在一定程度上緩解了學(xué)生對(duì)嵌入式無感性認(rèn)識(shí)等問題。

（三）合理安排實(shí)驗(yàn)案例

“嵌入式系統(tǒng)”這門課程與其他課程最大的區(qū)別就是實(shí)踐的問題。實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)好這門課程的關(guān)鍵，只有通過自己動(dòng)手實(shí)踐，才能真正理解所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式過于單一、呆板，學(xué)生只需按照指導(dǎo)書的規(guī)定步驟機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)，沒有思考，效率不高。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中加入更多的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，給學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)題目，最大限度地調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主體作用，才能提高學(xué)生的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力。在這一方面，由于Arduino開源硬件平臺(tái)的相關(guān)資源都是開源的[5]，可發(fā)揮教師及學(xué)生的能動(dòng)性，定制出適合本院學(xué)生的實(shí)驗(yàn)案例。

基于以上分析，將Arduino引入到嵌入式教學(xué)中，能夠有效緩解、甚至解決傳統(tǒng)“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)中入門難、學(xué)生容易失去興趣的問題。在教學(xué)中，先學(xué)習(xí)Arduino知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)嵌入式學(xué)習(xí)的樂趣；然后在實(shí)踐中指出Arduino編程中存在的問題、分析問題的本質(zhì)，繼而學(xué)習(xí)ARM知識(shí)來解決這些問題，即深入了解Arduino、掌握嵌入式編程原理；最后，再利用嵌入式原理回到嵌入式實(shí)踐，也就是ARM的實(shí)踐。那么，本文提出的嵌入式教學(xué)方法為從實(shí)踐到原理再到實(shí)踐的過程，而且實(shí)踐—原理—實(shí)踐的反復(fù)過程使得理論的學(xué)習(xí)更加生動(dòng)、更加有利于理論聯(lián)系實(shí)際。同時(shí)，Arduino的引入可在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)等方面起到積極的作用。

當(dāng)然，引入Arduino也存在以下幾個(gè)方面的問題需要解決：（1）需要研究編寫適合各個(gè)學(xué)院本身教學(xué)特點(diǎn)的理論教學(xué)資源；（2）如何將Arduino知識(shí)逐漸地深入，拓展到ARM上來，即怎樣過渡的問題；（3）如何定制出與理論教學(xué)資源相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。雖然以上提出了一些尚未解決的問題，但由于Adruino資源豐富，再加上本身為開源平臺(tái)，可借鑒的資料非常多，這也給解決以上問題帶來很多便利。

通過在“嵌入式系統(tǒng)”課程中引入Arduino并結(jié)合已學(xué)知識(shí)，能夠讓學(xué)生在接觸課程之初就開始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用工程設(shè)計(jì)，從而極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，在轉(zhuǎn)入ARM的學(xué)習(xí)之前，采用工程引導(dǎo)的方式，提出問題、并給出解決問題的方式，也能夠使學(xué)習(xí)過程有一定的連貫性。此外，由于一直使用C語言開發(fā)，為后面的ARM學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生在語言與硬件方面有了較好的結(jié)合，避免了直接學(xué)習(xí)ARM的突兀性?？傊珹rduino的引入，不僅可以讓學(xué)生的理論知識(shí)得到更好的實(shí)踐，還有效地培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力，以此作為培養(yǎng)應(yīng)用型本科教育模式是值得研究的。

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