嵌入式教学改革探索

摘要：针对嵌入式系统以实际应用为中心的特点，文章结合十几年的教学经验，总结出了“软硬结合、高低兼顾、重实践”的教学模式，围绕该模式详细介绍了从课程体系、教学方法、评价机制、实验环节的具体改革措施，实践证明该模式激发了学生的学习兴趣，增强了学生的实践能力，拉进来了与企业的距离，具有参考意义。

关键词：嵌入式系统；教学改革；课程建设；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0101-03

近年来，以计算机技术，通讯技术、消费电子技术为主的电子信息技术的高速发展和国际互联网络的广泛应用已经改变了人们的生活方式，其中以嵌入式为核心的电子信息技术是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的领域之一。由于嵌入式产品市场的蓬勃发展以及嵌入式技术的广泛应用，嵌入式系统软、硬件开发工程师等技术人员在就业市场上较为紧缺，社会对嵌入式相关技术人才有迫切需求。从培养嵌入式系统应用开发人才角度来看，教学内容和教学模式都与实际脱节，培养的学生在嵌入式专业技能、实践能力、创新意识等方面都不能满足用人单位的要求，缺乏利用规范的工程方法构建符合应用需求的系统能力，入职后需要较长的适应期。因此，如何适应形势的变化和发展，消除校企之间的鸿沟，提高嵌入式系统课程教学质量，培养社会需求的高素质嵌入式系统应用开发人才，是我们面临的一个紧迫课题。自2006年起，山东科技大学在电子信息科学与技术专业开设了嵌入式系统设计方向，经过10年的教学实践和不断改进，积累了一些经验，摸索出了一个适合自己专业的“软硬结合，高低兼顾，重实践”的教学模式，取得了较好的效果。

一、培养目标与定位

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。山东科技大学的电子信息科学与技术专业由信息学院于2000创建，因为其诞生于计算机类学院，因而比较注重高层应用、嵌入式操作系统等方面的教学。同时，由于其自身又属于电子类学科，因而也注重于数字电路、模拟电路、电路设计等底层硬件电路方面的教学，从而自然形成了自己这种“软硬结合、高低兼顾”的教学体系。培养学生“硬可以设计电路，软可以编写程序”，既符合电子仪器仪表类企业或者工业控制类企业所要求的传统实时嵌入式系统设计，又符合高端消费类电子企业所要求的高端应用编写（比如信息家电、网关、手机应用等的设计），是符合我校综合实际情况的合理定位。

二、嵌入式教学改革

（一）课程体系设置

在课程体系方面，依据培养目标和定位，主要遵循“紧跟时代潮流，坚持软硬两条腿走路”的原则设计，可归纳为“三层递进，左硬右软”的架构。左半部分为偏硬件类课程，第一层以数电、模电和电路三门公认的电子类经典课程为基础，让学生打下良好的理论基础；第二层通过8051单片机的学习，掌握微处理器的工作原理和编程方法。在学习51单片机的同时，开设电子线路CAD课程，让学生掌握电路板的设计方法。因为嵌入式是专用的系统，往往每个项目都需要设计与之匹配的电路板，所以特别强调电路板设计的基本功。FPGA和SOPC的课程，则完全得益于2005年我校与Altera公司联合建立的“山东科技大学―Altera SOPC/信息家电联合实验室”，该实验室是目前Altera公司在全球设立的唯一信息家电联合实验室。通过FPGA课程的学习，学生不仅仅更加巩固了数字电路知识，而且从更底层理解了处理器的设计原理，在该课程中以8051单片机的内核设计为主导，逐步引导学生理解并设计出功能较为完善的8051单片机。与前面所学单片机知识相互印证，加深理解和应用能力，在随后的第三层次中，以嵌入式ARM原理为核心课程，重点讲述ARM的体系结构、汇编与C编程应用，再结合“一高一低”两款具体ARM处理器的具体学习和大量的实验实践，使学生既能从事实时工业应用设计又能从事高端顶层软件的开发。而在SOPC课程设计中，则强调嵌入式与可编程逻辑器件的结合应用，以NIOS处理器为中心，结合各种外设IP核的运用，使学生体验到可编程硬件的灵活性，与ARM形成优势互补。右半部份课程则为软件设计类课程，以嵌入式C语言、计算机体系结构、信号与系统作为基础。第二层则以数据结构、面向对象编程、数字信号处理为主干课。数据结构有利于学生理解操作系统的原理，面向对象设计使学生的编程思路发生转变，可以很快适应高级嵌入式操作系统例如linux、android等系统的高级图形界面应用编程。第三层次则以嵌入式操作系统为主，主要教授强实时的ucos-II和软实时的linux两种典型操作系统，使学生达到既可以编写基于强实时的控制类应用，也可以编写类似手机应用类的软实时应用。最后软硬件课程汇集到嵌入式系统设计这门主课。在这门课中，以综合应用设计的方式，配以案例教学和大量的实践实验，使学生切实体会到一个项目的提出、方案选择、硬件设计、软件设计、调试等一系列过程，达到各种所学知识的高度融合，也更适应于企业项目的开发方式，更加符合企业对设计应用人才的实际需求，有利于其尽快适应企业的工作要求。

（二）教学方法改革

嵌入式系统是以应用为目的，尤其强调动手实践能力的专业，能综合运用所学知识，解决实际问题是嵌入式教学的最终目的。嵌入式系统后期的专业课程具有理论较少，而需实践应用的内容较多的特点，因而在教学方法上也不能再采用“满堂灌”的形式。这种方式因为不够直观，又无理论推导，导致学生很容易失去方向感，进而失去求知的欲望。还有些学生由于受到我国教育体制的影响，从小到大都是在教室学习，缺乏对外界事物的了解，导致不能理解老师讲授的具体应用。针对这些问题，我系提出“兴趣+实践”的教学方针，通过激发学生的学习兴趣和进行大量的实践帮助学生学好嵌入式。围绕教学方针，在教学手段上，尽量避免大量长时间的口头授课，尽量采用形象直观的多媒体技术，演示教授内容，包括使用方法、具体现象、结果等，让学生有个直观的认识，产生动手实践的兴趣。尽可能地采用先进流行的教学手段，比如采用微课的方式，讲解演示难点内容；利用在线通讯QQ、论坛等，建立在线学习交流平台，在老师积极解答学生提出的问题的同时，也鼓励其他同学解答探讨问题，经过多年的积累，大多数学生提出的问题都能直接在平台中找到答案。还有采用项目驱动的方式授课，比如在嵌入式系统设计这门课中，围绕信息家电这个项目，从需求的提出、可行性分析、硬件选型方案、软件设计方案、操作系统的选择等逐步细化展开。通过这种方式，学生解决实际问题的综合能力得到提高，所学的方方面面的知识也得到了综合利用，而且最终学生可以做出实物演示系统，极大地提高了学生的学习热情。

配合“兴趣+实践”的方针，经过综合考量和多年实践，对专业课的授课学时和实验学时也做了调整。为此我系对一些专业课程的教学和实验学时的设置，过程中可以发现，各课程大量减少了课堂授课时间，而增加了实验时间，提高了实验占比。如此一来，有些课程甚至可以达到一堂授课，接着下一堂就马上实验体会的效果，使学生及时消化吸收其所学知识。单片机原理与设计这门课是学生接触到的第一种处理器，因而授课时间较多，又因单片机集成资源较少，20个学时的实验也基本上能完全覆盖其每个功能部件。对于电子线路CAD来讲，其理论性较少，操作流程和操作技巧的内容较多，因而实验占比较大，可达1.1。嵌入式ARM原理这门课由于ARM体系结构的复杂性，以及要讲解ARM9和Cortex M3两种架构的芯片，因此总体授课学时设置为72，实验授课比为0.8。嵌入式操作系统是一门理论与实践并重的课程，既要讲解操作系统的原理，又要让学生能实际运用UCOS-II和Linux操作系统的功能，因而课程总学时也为72，实验授课比也为0.8。而嵌入式系统设计这门课则更强调实践性，因而其实验授课比可达1.4。

（三）评价机制

合理的评价考核机制可以引导促进学生的实践热情，为了刺激学生的实践积极性，我系考试成绩的评定机制向实验实践方向上做了较大的倾斜。通过这种比例分配，学生不再只是死背硬记课本，而是花更多的时间在实验室实际动手做实验，彻底改变了过去学生对实验课漫不经心，应付了事的态度，取得了良好的效果。

三、实验环节改革

（一）实验仪器建设

嵌入式技术的发展日新月异，实验仪器设备既要紧跟时代潮流的发展，又要沉淀积累共性的知识。2005―2010年，我系先后引进了从低端的ARM7到高端的ARM11的实验系统，在实际应用过程中，我们发现这些实验箱为了满足各个高校的普遍需求，往往是大而全，缺少针对性，从而增加了学生学习的难度。比如我系引进的某款实验设备，因为要集成的功能太多，厂家人为地增加了一款CPLD来扩充CPU的功能，导致每届学生在做这方面的实验时都难于理解，老师不得不额外花费功夫来讲解CPLD所实现的功能，既浪费了时间又偏离了实验的核心内容。自2010年后，我系就开始自行研发实验开发板，定位为既能满足我系的培养目标又能用于教师学生科研竞赛的需求。2013年底成功开发出基于三星蜂鸟S5PV210的双核Cortex A8处理器的实验板，主要用于基于嵌入式Linux操作系统和Android系统的高端实验应用。2015年初又研制了基于STM32F103的Cortex M3实验板，主要用于工业控制类、仪器仪表类实验课。研发成果不仅节省了大量的设备经费，而且更符合我系的教学需求。以普通的AD转换为例，我系原来引进的实验箱，都是直接把一个滑动电阻接在CPU的引脚上，没做任何的信号调理，只能输入0-3.3V的电压信号，这种设计只能用作最初级的功能验证，与实际工业现场的需求完全不符。而自行开发的系统中，则大量融入了老师们实际项目中积累的经验和设计，AD转换部分加入了信号调理和滤波电路，完全符合工业的需求，输入信号可以是0-10V或±10V的电压、4-20ma或0-20ma的电流等标准工业模拟信号，学生可以直接应用于将来的工作中，最大程度地消除教学与企业实际应用之间的差别，极大地提高了教学效果。

（二）实验内容建设

针对嵌入式系统“重实践，重经验积累”的特点，对实验内容和实验方式也做了相应的调整，将每次实验调整为为基本验证、功能综合扩展、总结与测评三大部分。基本验证部分主要是对本次实验涉及的功能部件的测试，比如串口部件、定时器部件等，这部分实验内容一般都提供参考例程，主要是让学生迅速地掌握该部件的使用方法和特点，时间一般为30～40分钟。在功能综合扩展阶段，则要求学生在验证例程的基础上扩充功能，时间为40～50分钟，不提供参考例程，要求将多个功能部件综合应用或者将前几次的实验内容进行综合，进一步提高现有程序的功能等。例如学生第一次实验内容为按键控制的各种流水灯，第二次实验为串口通信，那么在功能扩展部分就要求学生用串口通信来控制流水灯和按键监测，第三次实验又学了液晶显示，则功能进一步扩充，要求学生不仅仅会显示字符，还要将前两次实验的内容也整合进来。如此一来，随着实验的不断增加，学生的综合运用能力也在不断的增强。第三阶段要求每个学生总结本次实验情况，实验老师对实验进行打分，作为实验成绩的评定基础。这样就充分调动了学生的实验积极性，取得了良好的实验效果。

四、总结

经过多年的实践和不断优化，我系取得了可喜的成果，在历年的大学生电子设计大赛、博创杯嵌入式设计大赛、齐鲁软件设计大赛中，每年都会获得优异成绩；学生就业良好，一直保持需求旺盛的状态。用人企业普遍认为我系学生具有工作上手快、工作积极、适应性强、善于动手、学习速度快的优点，这也充分印证了我系“兴趣+实践”模式的特点。当然嵌入式技术还在不断发展，企业的需求也在不断变化，何种模式才是最优的培养方式，还需继续研究与探索。

参考文献：

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