微電子專業嵌入式設計課程教學改革探索

吳濱

摘要：基于微電子科學與工程專業特點以及嵌入式系統應用設計技術發展現狀，針對傳統嵌入式系統設計課程與微電子專業結合不緊密的問題;結合工程認證的要求，以及課程思政教育的要求，提出了新的教學內容安排和教學改革方案。實施課程教學改革三年來，學生普遍反映良好，認為嵌入式設計不再是一門簡單的應用課程，而是整個集成電路設計體系的一個重要環節。

關鍵詞：嵌入式系統設計、工程教育認證、現場可編程門陣列、微電子專業、硬件描述語言

中圖分類號：G642 ?文獻標識碼：A

1 引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。工程教育專業認證的核心是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準，是以培養目標和畢業生要求為導向的合格性評價[1]。另一方面，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教學全過程，實現全方位育人，開創高等教育事業發展新局面[2]。微電子專業的培養方案中也體現了工程教育專業認證和思政教育的要求。在專業培養方案的基礎上，結合微電子專業的特色，對嵌入式設計課程的教學內容和教學方式進行了改革嘗試。經過三年的探索，獲得了學生的認可，取得了一些成果;也有一些不足之處有待完善。

2 傳統嵌入式設計課程內容

傳統的嵌入式設計課程以單片機、ARM的應用系統設計為主要內容，包括單片機工作原理和最小系統電路設計，使用匯編和C語言的單片機應用程序開發。ARM體系結構與內核的介紹，ARM和Thumb指令集的介紹;針對某一款ARM芯片的嵌入式應用系統硬件電路設計，包括各種接口電路的介紹。最后會介紹嵌入式操作系統，包括典型的實時操作系統μC/OS和常用的嵌入式Linux操作系統;以及利用C語言在嵌入式操作系統上進行應用軟件的開發。也有介紹DSP芯片的工作原理和應用的，以及講授嵌入式操作系統時介紹Android系統的，但都不多，不能算是嵌入式設計課程的主流。

從我以往收集、使用的教材能很清晰地反應上述情況。2009年出版的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《嵌入式系統技術》，該書從眾多嵌入式微處理器中總結其設計共性、特點，依次介紹單片機開發系統、嵌入式實時操作系統、嵌入式系統專用術語和應注意的問題、嵌入式微處理器編程語言、先進8位單片機、16位單片機、32位ARM處理器[3]。2015年普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材《嵌入式系統》，該書介紹了嵌入式系統和ARM的基礎知識、嵌入式匯編和C語言、嵌入式Linux操作系統、嵌入式硬件與固件的設計、開發步驟和案例，以及嵌入式系統的應用等[4]。第三本書是普通高等教育“十三五”規劃教材，該書的主要內容包括ARM Cortex-M0處理器內核體系結構與特性，以NXP公司的LPC1100系列ARM芯片為例，介紹了其工作原理和使用方法，最后介紹了基于CMSIS接口標準的嵌入式軟件設計[5]。

傳統的嵌入式教材和嵌入式系統設計課程內容是相匹配的。我們選擇的也都是國家五年計劃規劃教材，具有一定的代表性，教材內容也確實能夠滿足大多數高等院校專業課程體系的要求。可以認為這樣的教材和課程內容設計體現了當時的技術發展現狀，滿足了市場對高校畢業生嵌入式應用技術掌握程度的需求。但是在我校微電子專業培養體系內，尤其是隨著技術的發展，傳統的嵌入式設計課程教學內容就略顯不足了。

3 微電子專業嵌入式設計教學改革

3.1 改革思路

我校微電子科學與工程專業目前的培養方案中，第一學期講授“程序設計基礎C”，第三學期講授“電路理論”，第四學期講授“模擬電子技術”和“數字電子技術”。第五學期講授“嵌入式設計”，后續第六學期開設“數字集成電路設計”。這樣課程體系對于微電子專業來說也算合理。但是對于嵌入式設計課程來說需要考慮揚棄傳統嵌入式設計內容及增加與微電子專業相關的內容。

在做本次課程教學改革設計之前，我們學習了微電子專業工程教育認證體系的要求。希望體現出以學生為中心、以產出為導向、持續改進、對教學效果進行評估和評價的工程教育認證的主旨[6]。根據專業的統一規劃及課程本身內容，嵌入式設計課程支撐畢業要求指標點3個，分別是3-1掌握微電子領域相關工程的設計和產品開發全周期、全流程的基本設計/開發方法和技術，了解影響設計目標和技術方案的各種因素;4-3能夠根據實驗方案構建實驗系統，操作實驗裝置，安全地開展實驗，正確地采集和記錄數據;5-1了解專業常用的電子儀器儀表、信息技術工具、微電子專業工程工具和專業模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性。同時考慮課程思政要求，在組織課程內容的過程中，積極尋找思政融合點，備課和講授過程中注意相關教學案例的收集和講解。引導學生全面客觀認識當代中國、看待外國的科技文化;理解科學中的人文和倫理元素。激勵學生自覺把個人的追求融入到民族的振興和發展中去。

3.2 課程內容安排

嵌入式設計課程共64個課時，其中實驗課時24個，理論課時40個。教學內容中，除了傳統的單片機和ARM兩種處理器外，為了使其更適應微電子專業，本次課程改革增加了以現場可編程門陣列（英文縮寫為FPGA）作為核心處理器的嵌入式系統介紹。理由如下：首先，隨著現代大規模可編程邏輯器件的發展，FPGA確實可以作為一種強大的核心處理器進行應用，尤其在圖像處理等需要大量高速計算的場合。Xilinx公司就設計了一款Zynq系列芯片，使用該公司提供的Vivado軟件編寫硬件描述語言程序，進行嵌入式應用系統開發。其次，對于微電子專業而言，集成電路設計的硬件驗證環節也是用FPGA進行驗證的。第三，用于FPGA編程的硬件描述語言VHDL，同樣可以用于專用集成電路的系統級設計。因此對于微電子專業的學生而言，將FPGA歸入嵌入式設計課程是一舉三得。體現了以學生為中心，以產出為導向的原則，增強了學生的實際工程能力。

為了應用FPGA進行嵌入式系統設計開發，我們首先講授了FPGA的工作原理和硬件結構，介紹了FPGA的電路結構和主要功能;隨后，講授了硬件描述語言VHDL以及Quartus II軟件。VHDL是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的英文縮寫，這門硬件描述語言是現代集成電路設計的兩種主流語言之一。這部分內容占了16個理論課時，因為對于當代的大規模數字電路芯片而言，已經無法使用傳統的電路設計方法進行設計了。需要采用自頂向下的方式從系統級開始設計芯片，而硬件描述語言則是系統級設計的主要工具。后續課程“數字集成電路”中設計大規模數字集成電路就需要用到VHDL語言。

由于微電子專業的培養方案中，并沒有“計算機組成原理”、“操作系統”等先修課程。對傳統的嵌入式系統設計方面預備知識支撐較弱，因此課改減少了傳統的匯編程序、嵌入式C語言開發以及嵌入式操作系統的課時。僅做了入門式的介紹，側重于讓學生了解基本概念、學習方法和信息來源。

3.3 支撐工程教育專業認證

工程教育專業認證的核心理念是以學生為中心、結果導向、持續改進。宏觀來說評估是在院校在專業層次實施，微觀則是相關要求在專業課程層面實施[1]。2016年6月我國加入華盛頓協議，提高了我國工程教育的國際影響力。專業認證注重“學”而不是“教”，基于OBE（成果導向教育）[7]。本課程通過課程目標、教學內容、實驗環節和考核方法支撐了微電子專業學生畢業要求3-1、4-3、5-1。

課程教學內容中我們介紹了單片機、ARM和FPGA嵌入式應用系統硬件設計和軟件設計流程。幫助學生掌握嵌入式系統工程設計，以及產品開發全周期、全流程的基本設計方法，了解影響設計目標和技術方案的各種因素。

通過教學內容中對C語言的介紹和硬件描述語言VHDL的詳細講授;實驗環節的流水燈實驗，地鐵自動售票機控制器和交通信號等控制器設計等實驗。幫助學生提高根據實驗要求，設計系統開發實驗方案，操作FPGA仿真實驗系統，進行實驗，正確采集記錄實驗數據，并對數據進行分析的能力。

畢業要求5-1的支撐是通過課程內容的Quartus II軟件的介紹和實驗環節中Quartus II軟件的使用及八進制計數器的設計為基礎獲取的。使得學生能夠了解微電子專業工程工具和專業模擬軟件的使用原理和方法。并且通過對比軟件仿真結果和試驗箱實際運行結果，理解仿真模擬軟件的局限性。很明顯的例子就是計數器脈沖輸入在軟件仿真中非常容易獲得，計數器的仿真結果良好，顯示計數器電路可以穩定工作。但是在實驗箱上同學們就會發現有時計數會多于按下的脈沖鍵次數，原因在于輸入實際信號有抖動。

以上是我們從微觀的課程層面對專業工程教育認證所做的課程改革。核心是在教學思想上的轉變，從根據教師掌握的理論、技術設計大綱，然后根據大綱教學;轉變為根據學生畢業后的培養目標是否達成為依據進行教學設計。課程內容的安排考慮了對上述畢業要求指標點的支撐。

3.4 課程思政結合點

嵌入式系統伴隨著電子技術、集成電路和軟件等行業的進步而發展，時至今日，嵌入式系統產品已經滲入到社會的各個角落。既是工業生產不可缺少的工具，也是人們日常生活的得力助手。嵌入式系統相關知識點眾多，又是一類實踐性很強的綜合性課程[8]。可以從理論知識的講授中發掘思政融合點，也可以在實踐項目中挖掘思政融合點。

隨著科技的發展，工程技術的運用已經與社會的正常運行密切相關了。比如2018年底的基因編輯嬰兒案件，甚至影響到了人類社會的基本倫理。在倫理問題上陷入困境的工程實踐者多數是因為他們沒有意識到自己所面臨的是一個具有倫理性質的問題[9]。另一方面，由于工程倫理是對工程活動的普遍約束，是高度概括和抽象的，不同的組織機構對工程倫理的準則定義不盡相同[10]。我們選擇了奉獻、環境保護作為嵌入式設計課程的兩個思政融合點。

在學習μC/OS實時嵌入式操作系統時，將奉獻精神嵌入課程內容的介紹中。μC/OS在1992年由美國的嵌入式系統專家Jean J.Labrosse完成，他并沒有將其作為自己賺錢的工具，而是選擇開源。發布在網絡BBS上，供大家修改使用。正是這種奉獻精神，吸引了一批工程師，不斷完善μC/OS;在大家的共同努力下，才有了現在這樣一個享譽世界，廣泛使用的嵌入式實時操作系統。在嵌入式系統設計理論中，有許多場合都要考慮資源和功能的匹配問題。一般的工程設計人員會追求降低風險，選擇資源豐富的芯片。我們在講授中介紹邏輯化簡，并鼓勵學生站在環境保護的角度看待電路的簡化問題。一顆48腳的芯片和一顆64腳的芯片，相差16根金屬引線。學生們很少有人關注這些細微之處，當我告訴他們這個引腳的材質、工藝的發展歷史時，學生普遍表示驚訝。保護環境的工程倫理在這里就順理成章地進入了學生們的意識中。

對于嵌入式設計這樣一門實踐性強的課程來說，實踐環節是另一個思政融入的重要陣地。嵌入式系統深入社會的各個角落，產品的成功失敗案例太多了。包括英特爾這樣的大公司，在ARM芯片上可謂盡心盡力，可最終都是為他人做了嫁衣裳。通過這樣的案例介紹，能夠幫助學生換一個角度思考困境。明白國外的頂級企業也會有困境，國內行業暫時的困境并不可怕;重要的是不放棄，踏實努力，個人的追求民族的振興終將實現。其次嵌入式設計大多分為硬件和軟件兩部分。我們鼓勵學生組隊完成嵌入式設計實踐環節，并且合作完成的作品可以有加分，以此培養學生的團隊精神。

4 結語

通過本次教改，我們取得了一些成果，比如完善了學生在微電子專業領域嵌入式設計的知識結構。提升了學生集成電路設計的硬件驗證能力。完成了專業工程認證的目標，融入了思政教育內容。但是還沒有完全做到以學生為中心、以產出為導向;是將課程內容納入畢業要求，OBE的計算方式方法不夠清晰。未來希望是在畢業要求的指導下設計課程內容，各項考核內容嚴格遵循OBE的方法，考核結構能夠指導課程教學持續改進。發掘更多的思政融合點，真正做到春風化雨，潤物無聲。

參考文獻：

[1]郭哲，王玉佳，王孫禺.聚焦專業認證改革 提升工程人才培養質量——“評估認證與中國高等工程教育質量保障座談會”綜述[J/OL].高等工程教育研究，2021（6）：196-198

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[3]張培仁，潘可，趙松.嵌入式系統技術[M].中國科學技術大學出版社，2009

[4]張軍朝.嵌入式系統[M].機械工業出版社，2015

[5]張永輝.嵌入式系統設計[M].機械工業出版社，2019

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[10]曹珂.嵌入式系統設計課程中工程的倫理元素解析[J].電子技術，2020（3）：60-61