淺談嵌入式系統開發課程教學研究

王威

摘要：嵌入式系統開發是一門軟硬件相互結合的綜合課程。筆者分析了嵌入式系統開發課程的特點及現狀，針對目前教學中存在的問題，結合計算機技術系學生特色與NEWLab實訓設備，從課程內容、教學方法、實驗教學等方面進行了一系列教學研究及改進。經過教學實踐證明，該文教學法能有效解決之前存在的問題，更好地達成課程目標。

關鍵詞：嵌入式系統開發;物聯網;教學方法

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）34-0104-02

嵌入式系統是一種專用計算機系統，嵌入到裝置或設備中。嵌入式系統的功能、成本、開發效率等條件決定了嵌入式設備的選材多樣化，軟件、硬件可裁剪[1]。隨著近年物聯網新一代信息技術發展，作為物聯網重要組成部分的嵌入式系統技術人才需求大增，有這廣闊的應用和就業前景。

嵌入式系統是系統的應用軟件與系統的硬件一體化，類似BIOS工作方式，應用范圍很廣。因此，嵌入式系統開發課程教學內容設置廣泛，軟件部分包括匯編語言、C語言以及嵌入式Linux操作系統相關知識，硬件部分涉及計算機原理、基礎硬件電路、接口協議等技術，在綜合知識和計算機編程能力上有較高要求[2]。

1 嵌入式系統開發課程特點

1.1 綜合性強

嵌入式系統開發課程對知識的綜合性有較高要求。要求學生掌握計算機相關基礎知識，以及硬件結構和軟件編程。硬件有ARM結構、電路原理、串口協議;軟件有ARM指令、匯編、C語言、嵌入式Linux操作系統軟件開發。嵌入式系統開發課程，要求學生了解嵌入式Linux系統的移植和基礎設備驅動開發，熟悉硬件體系結構和基礎ARM硬件開發，掌握嵌入式系統開發環境的搭建，讓學生能夠獨立開發一個小型完整的嵌入式系統。

1.2 實踐性強

課程的實踐性很強。課程設計上實訓環節占了大部分時間，重要程度不言而喻。在實訓過程中，學生對基礎理論知識有了更強的理解，學生的學習興趣得到提高，學生的動手能力得到培養。通過實訓，學生能熟悉嵌入式系統完整的開發流程，并在實例中掌握軟硬件開發方法。

2 嵌入式系統開發課程教學內容改革

2.1 教學內容設置

江西信息應用職業技術學院計算機技術系旨在培養計算機應用技術領域緊缺人才，在嵌入式課程體系設置上，規劃了《單片機技術》和《嵌入式系統開發》兩門課程。專科第二學期開設《單片機技術》課程，介紹了51單片機工作原理及相關應用技術。在第四學期開設《嵌入式系統開發》課程，使用NEWLab嵌入式ARM開發板，作為嵌入式系統開發的實訓平臺。51單片機由來已久且學習難度不高，在C語言程序設計與嵌入式系統開發中有一種承上啟下的作用，從而為嵌入式系統開發課程的學習打好了基礎。

在教材的選擇上，由于NEWLab嵌入式ARM開發板采用市場上較新的S3C2451芯片，而市面上還沒有關于S3C2451芯片開發的教材，故選用相近的S3C2440芯片的教材。系里采用韋東山編著的《嵌入式Linux應用開發完全手冊》作為教材。

2.2 物聯網專業嵌入式教學內容側重點

嵌入式系統開發可分為硬件開發和軟件開發兩個方向，而軟件開發又可細分為系統級軟件開發和應用軟件開發兩個子方向。硬件開發包括ARM、存儲（如flash）、I/O（I/O控制電路、顯示模塊、通訊模塊等），系統級軟件開發包括Linux操作系統內核、I/O軟件以及設備驅動開發，應用軟件開發包括基于Linux的應用開發。考慮到物聯網技術專業學生特長和發展方向，目標培養更偏向于嵌入式Linux系統軟件的開發，在授課計劃安排上以軟件為主，兼顧學習硬件基礎知識。主要學習匯編語言、C語言程序設計、Linux命令、側重于編程應用。

3 課堂教學方法改革

3.1 講授法與討論法相結合

在教學中，講授法是最基本的教學方法，但要充分調動學生的學習積極性，還需與討論法相結合。教師在講授了基本知識后拋出適當的問題，學生以小組為單元，在教師的指導下對問題進行分析和探討，并通過討論活動獲得知識。有點在于，培養合作精神，激發學生的學習興趣，提高學生學習的獨立性。

3.2 項目驅動式教學方法

江西信息應用職業技術學院是一所應用型高職院校，主要是以應用型人才培養為目標，因此在嵌入式系統開發課程中使用項目驅動式教學方法[3]。講授實訓開發內容時，以項目為任務中心，在強烈的問題動機驅動下，通過對學習資源的積極主動應用，進行自主探索和互動協作的學習，并在完成既定任務的同時，引導學生產生一種學習實踐活動。專業教師應積極鼓勵學生參加專業相關的職業技能競賽活動，例如物聯網比賽、互聯網+比賽，創新創業比賽等，在比賽中指導學生，讓學生在比賽中進一步加深知識的應用。

4 實驗教學改革

實驗教學是嵌入式系統開發課程教學的一個重要環節，其優劣關系到學生對于這門課的掌握。通過實驗，可以幫助學生加深對理論知識的理解，更著重培養學生正確使用儀器設備，進行測試、分析、綜合思考和編寫實驗報告的能力。

4.1 實驗課程的內容安排

實驗設備采用北京新大陸時代教育科技有限公司的嵌入式教學平臺NEWLab，其ARM核心模塊采用S3C2451作為CPU，配有64MB的SDRAM，1GB nand flash。外部接口豐富，包含USB、miniUSB、RJ45通信接口，JTAG調試接口，液晶屏、觸摸屏、鍵盤接口，并將SDIO，SPI，I2C，UART，SD/TF等接口引出，方便與外部模塊進行連接。

實驗課內容從容易到難，從單個硬件的使用到多個硬件的綜合控制。開始是用GPIO端口控制LED顯示的例子程序，在這個例程中需完成工程的新建、匯編程序的編寫、C語言程序的編寫、燒寫程序并調試，最后是觀看實驗結果。在這個實驗中，學生初步掌握嵌入式linux系統中arm-linux-gcc開發工具的使用以及程序燒寫的一般步驟，還對基本的ARM內GPIO端口有了初步的認識。后續開設的實驗項目包括UART串口打印實驗、中斷控制實驗、RTC實時時鐘實驗等，這些實驗都會用GPIO。實驗過程中，注意激發學生的學習熱情和動手實驗的興趣。鼓勵學生采用不同的C語言算法實現同一個實驗的功能，提高學生的編程能力，達到舉一反三的作用。

4.2 實驗教學環節改革

對實驗教學環節設計進行改革，從以往的“驗證性為主”逐步變為“驗證性為輔，自己動手創新為主”的實驗課程教學設計模式。

在GPIO端口控制LED顯示等實驗中，首先教學生用匯編語言點亮一個LED燈，在學生都能掌握匯編語言程序編寫和燒寫調試后，對C語言指針等基礎知識進行復習，引導學生用C語言程序來點亮LED燈。這樣，不僅加強了學生對C語言的掌握，還進行了驗證性實驗。接下來對學生開展創新型實驗，將每個班的學生分成10組，實驗以小組為單位進行，每組采用不同算法實現LED跑馬燈或流水燈等亮化效果，實驗完成后各小組展示自己的實驗成果，最后由亮化美觀效果進行評分。實驗結果表明，通過分組展示的競爭激勵機制，調動了學生的積極性，充分發揮了學生的創新能力。

5 結束語

通過以上一系列課程教學改革，有效地調動了學生學習的主觀能動性，提高了學生分析解決問題的能力，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 張立新. 計算機嵌入式系統核心技術的開發探討[J]. 無線互聯科技， 2017（21）： 80-81.

[2] 朱銘琳. 嵌入式系統開發課程教學改革[J]. 信息與電腦： 理論版， 2017（19）： 231-233.

[3] 湯龍梅， 王璇， 郭方. 嵌入式系統開發實例課程教學方法探索[J]. 福建電腦， 2017， 33（5）： 67-68， 92.

【通聯編輯：謝媛媛】