應用型人才培養模式下的《嵌入式系統設計》課程改革的研究

潘可賢

摘 要 《嵌入式系統設計》是工科院校電子信息類專業十分重要的專業課，本文以提高學生工程能力和動手能力為宗旨，分析了傳統教學中的存在問題和不足，參考目前流行的嵌入式課程培訓課程體系，針對應用型人才培養的目的，提出了以應用為主導方向的教學模式，以及一些有效的課程改革措施和方法。實踐表明，改革后學生對嵌入式系統開發的興趣，實際動手能力和工程素養都得到了提高。

關鍵詞 教育教改 教學模式 嵌入式系統設計

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1改革背景

《嵌入式系統設計》課程是電子息類專業的一門很重要的專業課程，主要目的在于使學生掌握嵌入式系統設計的基本理論和方法，為今后從事嵌入式系統的研究和開發打下良好的基礎。課程具有很強的應用性和專業性，授課對象一般為本科高年級學生或研究生。此外，當下企業對嵌入式系統開發人員的需求量極大，因此嵌入式系統課程的教學改革的研究不僅有利于提高教學效果，同時也是學校應用型人才的培養模式的一個重要方向。

在國內的各大高校中，如華南理工大學，北京航天航空大學等，關于嵌入式系統課程的教學大綱，大部分的課程內容安排都是從下而上，即選擇某一款ARM核的CPU作為開發實驗平臺，先講解ARM的體系結構，指令集等內容，再針對具體CPU講解硬件的接口，電路結構，然后講解按照硬件如何在該款硬件開發板上移植操作系統，啟動引導程序，文件系統，驅動程序，最后再介紹應用程序如何編寫。有的高校在ARM體系結構的內容上安排起碼30%的課時，CPU的硬件接口授課時間占約30%，操作系統和應用程序編寫的授課時間約40%。還有的高校把授課時間重點放在CPU的硬件接口和實驗上，如基于CPU實現某一些設備的驅動等。

在華清遠見，亞嵌等目前國內有名的嵌入式培訓機構的培訓課程中，嵌入式系統的培訓課程則細分為ARM程序開發班，基于某個操作系統的系統開發班，驅動開發班，應用程序開發班等，其中應用程序的開發班是占了大部分，目前比較流行的嵌入式Linux應用開發培訓， android開發培訓，QT應用開發培訓等等都是屬于上層應用程序開發的訓練。

再者，在嵌入式系統開發的過程中，應用程序開發的人員數占整個項目組的60%以上，企業的需求量較大。而且應用程序開發的入門較簡單，經過較短的時間培訓就可很快上崗。另外，雖然不同的系統應用開發平臺略有不同，但是原理和使用時非常相似的，熟悉一種開發環境，在學習其他的開發平臺是非常快的。

因此，對比目前的教學大綱和教學內容，可以發現一些問題：

第一， ARM體系結構的內容與芯片硬件，操作系統的設計等內容相關，知識內容十分抽象，對于已有開發經驗的人員而言較容易接受，但是對于學生而言內容太過抽象，學習難度非常大，因此學生的學習積極性非常低。

第二，在實際的嵌入式系統開發中，較多的是硬件驅動和上層軟件的開發，底層的體系結構內容幾乎用不到。本科的學生畢業后即使從事嵌入式系統的開發絕大部分也是從上層軟件的開發開始的，因此這些較底層的教學內容對于初學者而言極難又無用。

第三，目前嵌入式系統開發大多由簡入難，大多從用戶界面程序的開發開始，而且用戶界面程序開發也需熟悉相應的開發平臺，需要學生一定的軟件編程能力。應用程序的編程學習使得學生既有一定的經驗有可提高編程能力。但按照目前的教學大綱安排，應用程序的教學環節時間非常少。

針對本校的實際情況，我們在嵌入式系統教學上實力還比不上一些老牌的高校，學生的優勢也不在系統底層的開發，如果一味的按照從底層原理開始講解，學生的接受程度非常低，也對學生的就業情況不符。如安排的授課內容既能夠引起學生的學習興趣，同時學習的內容與企業的需求一致，則針對性更強。

2改革內容

針對目前《嵌入式系統設計》課程教學方法和內容中存在的問題，結合學生的實際需求，研究教學方法，并對教學大綱做出適度的修改，研究與之配套的課內實驗的進度安排和內容。具體如下：

（1）教學方法研究：尋找更合適的教學切入點，使得學生更有興趣以及更容易學習。目前的教學方法為自下而上，即先教底層的CPU的結構，然后教授上層軟件的編寫，教學效果不佳。課程教學改為從上而下教學，即首先使用目前流行的QT軟件進行應用程序開發。學生利用已經學過的C語言，在嵌入式開發板上編寫或移植簡單的用戶界面程序，入手簡單，所見即所得。且課程所用的例程采用游戲開發等內容，更容易引起學生的學習興趣。下一項教學內容為如何利用操作系統和硬件驅動程序實現界面程序，最后再講解與CPU相關的內容。這種由淺入深，層層遞進的方法在嵌入式系統的培訓機構和實際的開發過程中常常使用的，但他們是建立在人數較少和動手機會較多的情況下。因此，學校的教學中也采用了小班教學，約30人一班。

（2）課程內容修改的研究：

①應用開發的課時和內容設置。在原教學大綱中，關于應用程序開發的課時只有2個課時，只能做一些簡單的介紹或演示。可將應用程序開發的課時增加到10個課時以上，向學生講授主要的接口函數用法和例子程序后，布置任務，以任務驅動的形式要求學生自己動手進行編程和調試，提高學生的調試能力。應用程序的編程使得學生熟悉開發的平臺，在編程的過程中可加入操作系統相關的使用和提出疑問，使得學生開始對操作系統與底層產生興趣，慢慢引入操作系統的概念。

②ARM體系結構等教學內容的減少。在原教學大綱中，近1/3的教學時間在底層的ARM體系結構，其中的內容涉及到了常用的寄存器、運行模式、工作狀態、數據類型、存儲器組織、異常及其處理，匯編語言的教學，匯編程序的編寫等內容。這些內容與未講解的CPU硬件相關，還和操作系統的設計相關，內容抽象，而且這些CPU和操作系統的內容放在后面講解，這使得學生很難理解和掌握ARM體系結構的知識。同時在實際的嵌入式系統開發過程中涉及到ARM體系結構的內容非常少，因此可以將這部分教學內容刪除一部分或全部，有興趣的同學可以自行學習。

③操作系統教學內容的選擇。在教學過程中，需要選擇一種操作系統，既能讓學生容易上手，也能有實際的用途。目前流行的嵌入式操作系統有LINUX，WINCE，UCOS等，目前選用的是LINUX操作系統，該操作系統雖然開始學習有一定的難度，但是源代碼開放，學習資料豐富，使用范圍廣，同時也是流行的移動終端開發平臺Android的底層操作系統，因此十分有利于學生畢業后進行相關的嵌入式開發研究。

④實驗課程的設置。原來的教學大綱中，實驗課時為較少，但本課程需要大量的動手編程，因此課程安排為直接在機房上課，前期的內容只需使用虛擬機讓學生進行程序的編寫，和操作系統的熟悉，后期則安排在實驗室上課，在嵌入式開發板上進行程序的下載和開發。如實現直接全部在實驗室上課效果則會更好。

此外，由于嵌入式系統的授課與相應的實驗平臺結合十分緊密，目前很難選擇到與本系實驗室中的硬件實驗平臺，采用的操作系統，軟件開發平臺一致的教材，這個也是《嵌入式系統設計》課程的一個普遍問題。因此，除了教材的選擇外，實驗指導書的內容編寫至關重要。實驗指導書需要涵蓋操作系統，硬件驅動，用戶界面程序的使用和程序編寫指南，而不是僅僅作為某些實驗的內容的講解和操作步驟的說明。因此該實驗指導書的編寫也十分重要，與實際的硬件平臺結合，研究如何根據教學方法和教學內容的不同，編寫出實用的實驗指導書。

3改革的創新點與難點

本項目是基于《嵌入式系統》的課程改革，在培養應用型人才的教學模式上作一些研究。主要是針對《嵌入式系統》這門應用型很強的課程如何講授一些在企業中能有實際應用的內容，能提高學生的學習興趣又能提高學生的動手能力。

主要為修改教學方法，讓學生從簡單有趣的用戶界面程序開始學習，一方面提高學生的學習興趣，另一方面也讓學生熟悉目前企業較為普遍使用的嵌入式用戶界面軟件開發平臺，增加開發經驗，提高學生的競爭力。當學生獲得一些界面開發經驗后，再深入到軟件開發平臺本身，與操作系統，硬件驅動結合，發揮電子專業學生對硬件比較熟悉的特點，熟悉CPU，編寫硬件驅動程序，從而提高實踐能力和實際開發能力。對于學習能力較強的同學，可加入老師的開發團隊，進行與硬件相關度較大的嵌入式系統開發活動中。對于學習能力較一般的同學，也能從事用戶界面等純軟件程序的開發。

4總結

到目前為止，本次教改項目中取得了以下成果：制定了新的教學大綱，編寫了新的實驗指導書，學生進行了一些小的項目開發，取得了一些成果，其中一個學生根據老師的實驗指導書的應用實驗，擴展后做了一個無線點餐機的應用，另外一個項目為基于指紋識別的考勤系統的研發，這些都是基于本次教學改革，學生對嵌入式系統開發產生了濃厚的興趣，主動加入開發的隊伍。

另外本次教學改革還未能充分利用課外的時間進行課余實驗，如果有可能，可以布置學生課外實驗，讓學生課后也能自覺熟悉嵌入式系統的使用，多編寫程序。在上課的班級中，只有極少數同學課后能夠自己購買開發板或借用實驗室的實驗設備自行開發小項目。嵌入式系統課程還可繼續深化改革。