计算机嵌入式课程教学

嵌入式系统是相对于通用计算机系统提出的“嵌入式计算机系统”。根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。它是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的综合性产物，被广泛应用于通信设备、信息家电、工业控制和交通等方面。 作为高职高专计算机类开设嵌入式课程一直都在摸索之中，特别受到高职高专学生基础较差，学时较短，内容较综合等因素困扰。特别是针对通信类高职高专学生开设嵌入式课程更是几乎没有，因为，这将带来有限的课时与烦琐的内容之间的矛盾。而随着时代的发展，随着现代通信高可靠性，高速率，高带宽的发展趋势，以单片机技术为主的传统教学无法满足通信技术专业的教学需要，而以高速度、多进程、高可靠性的嵌入式技术正适合现代通信发展要求。嵌入式方面的教学可对通信技术专业学生嵌入式系统接口与通信编程实践能力加强培养。 1　嵌入式系统的教学目标与培养方案 通信领域至少需要15万嵌入式人才，电信业嵌入式人才的需求将会在今后一段时间内继续上扬，因此，掌握嵌入式系统的通信类学生将是社会急需的人才。 嵌入式应用特点决定嵌入式系统是一门综合类课程，一般把嵌入式系统设计分电子应用模式和软件应用模式，电子应用模式主要是以电子技术应用工程是为主，从事控制、仪器仪表等方面硬件设计和驱动程序的设计等；软件应用模式主要是以计算机、通信技术应用工程为主，从事实际操作系统和应用软件设计。根据社会对高职高专通信类学生的职业活动导向分析，毕业生应具有相应的嵌入式工程实践能力；根据学生的基础差、学时短的基本实际情况分析，毕业生应具有熟练的嵌入式系统测试能力。综上所述，我们通信类学生定位在熟悉嵌入式工程实践的基础上侧重与通信项目应用软件测试。强调嵌入式系统知识与相关知识的融合，加强学生实践能力和创新能力培养。 1.1　嵌入式系统教学体系 由于高等职业院校学生培养周期比较短，一般是2年零3个月，而嵌入式系统课程包括前导课程内容比较多，特别是通信专业学生，在完成本专业学习的同时还要学习嵌入式系统，学时和内容之间的矛盾更加尖锐。因此，需要在课程上完成课程融合，在尽量减少课时量的同时教授学生掌握最实用、最常用的能力。 第一是前导课程的融合。通过学习电子技术课程、EDA课程、单片机与接口设计实训融合电路分析、数字电路技术、计算机系统结构、微机原理与接口等课程，内容基本涵盖硬件知识；通过学习C语言、软件技术基础课程涵盖C语言、数据结构与算法、操作系统等课程，内容基本涵盖软件知识。 第二是嵌入式系统的融合。2004年IEEE和ACM对计算机专业本科教育的课程体系进行的设置认为嵌入式系统的课程应包括以下内容：嵌入式的发展历程和概述、嵌入式微处理器、嵌入式软件设计、实时操作系统、低功耗计算、系统可靠性设计、设计方法学、嵌入式系统设计工具、嵌入式多处理器系统设计、网络化嵌入式系统、接口和混合信号系统等。显然，高职高专通信类学生不能这么学，这是由高职高专学生培养周期短和工作性质所决定的。我们应以学生职业需求为导向，以学生以后的工作过程为基础，通过项目教学为引导。 教会学生嵌入式系统工程实践的经验和解决实际问题的能力。因此，根据我们通信类专业特点和学生实际就业情况，我们开设了一门120课时的“嵌入式系统与通信项目设计”的课程来指导学生熟悉嵌入式工程实践、掌握嵌入式测试方法、了解嵌入式开发流程，然后，我们安排6周实训巩固所学知识，通过聘请一线工程设计人员带领学生以职业活动为导向，工学结合，指导分组学生自主设计一个简单但完整的基于嵌入式系统的通信项目作为学习成果展示，重点培养学生的过程教学。 1.2　嵌入式系统课程体系 由于嵌入式系统内容比较综合，而且学生在学习“嵌入式系统与通信项目设计”的课程之前没有嵌入式系统的基础，因此，我们在讲嵌入式通信项目设计之前，我们首先通过知识理论实践一体化教学，要求学生熟练掌握在项目设计中最常用的、最基本的嵌入式系统命令和参数；然后老师将平时收集到的典型工作任务导出职业行为领域，通过职业行为领域引导一些典型的嵌入式系统通信项目在课程中进行分解，把项目的内容分成若干个任务，按照项目开发流程，逐步由易向难进行教学，同时将学生分组，锻炼学生团队组织能力和相互协作能力，在教学过程中以学生为主体，淡化讲授和实验的界限，采用一体化教学，以项目为载体，打乱嵌入式操作系统、嵌入式Linux设计、Linux中TCP/IP协议设计等多门课程的内容，使其内容根据一个个通信项目重新组合在一起，通过做项目将常用的命令和知识点融合其中，突出能力目标。一些使用率低的命令和知识点由于课时有限，学生的精力有限。我们舍弃不讲，鼓励学有余力的学生自学，尽量做到“丢芝麻捡西瓜”。 通过对工作过程分析，我们抽象出涉及有线、无线通信多个领域的三个典型工作项目：一是网络温度采集项目；二是基于GPRS的无线控制项目；三是基于网络的视频监控项目。 第一个项目运用温度传感器、TCP/IP网络的知识。 首先，由三星S3C-2410通过SPI总线采集数字温度传感器DS18B20的数据；然后，将数据存入WEB寄存器，等待连接请求；最后，连接请求通过后，利用TCP/IP技术将温度数据打包传入WEB页面。 第二个项目运用串口通信的知识、GPRS模块的知识。首先，由三星S3C-2410响应串口中断，读出串口的值；然后，根据串口的值的不同通过GPRS模块向指定用户发送不同的短信；最后，手机用户接收到短信，完成监控功能。反之，通过发送短信完成对串口的控制。 #p#分页标题#e# 第三个项目运用图像采集、位图压缩、嵌入式web服务器、嵌入式流媒体服务器的移植综合知识，首先，通过摄像头采集jpg格式图片，然后，通过位图压缩减少图片容量，最后，通过架设嵌入式web服务器、嵌入式流媒体服务器完成每秒25帧的图像传递。 学生通过自己的操作很快能看到正确结果，成就感很强，兴趣当然很高。同时通过分组考核，激发学生全队合作意识和创造性。学生根据课程的进度逐步完成项目中的各个模块实验，为了完成各个项目，他们必须主动参与操作，积极参与新知识的探索，在课程中不断学习新的知识点，并应用所学知识完成项目。 2　学生主体，多种教学方式相结合 嵌入式系统内容比较多，仅通过一两种教学方式达不到教学目的，所以，我们通过老师在多媒体上做，学生在计算机上模仿的讲练结合的教学方式为主，特别是课程初期，这种方法很重要，随着课程的发展，老师讲得越来越少，随之，自学等多种学习方式相继开展起来，最后，基本由学生团队自主完成项目。在学习过程中鼓励学生和其他相关专业学生交流，从而，激发学生的创新能力，有利于学生对其他知识的摄取和学习。在学习过程中，老师和学生之间没有任何界限，老师是学生团队的合作伙伴，是解决实际问题的朋友。通过老师解决问题的方法启发学生，影响学生，使学生养成良好的解决问题的能力，而不单纯是专业知识和技能。使受教育者应通过职业教育使自己具备一种能力,不只是“有饭碗”，而且应有一个“好饭碗”，尤其是在丢掉这个饭碗时候还能重新获得一个“新饭碗”。 3　工学结合，以职业活动为导向 校企合作、工学结合，使得行业企业和职业院校相互融合,都成为职业教育供给的行为主体。嵌入式系统教学与产业更应密切相关，我们与中国电子学会嵌入式分委会、北京博创实业科技公司合作，从企业中邀请经验丰富的一线工程设计人员和技术团队带学生实训，通过校企双方共同努力构建一个工学结合、以职业活动为导向的教学环境，使学生提前感受到企业文化、完善自身职业素质和工学结合的实践能力。 学生在通过工学结合中受到一线工程设计人员潜移默化的影响，能较快的融入到学习中来，提高自身技术水平。通过组织学生参加企业嵌入式系统通信模块测试，受到企业和学生的好评。为学生毕业前自我工作定位、合理的自我评价打下很好的基础。 我国对嵌入式系统产业的发展有巨大的需求，与巨大的市场商机和产业化需求相比，高职高专发展嵌入式系统教育应快马加鞭，应针对某一行业某一领域培养专门专用人才，一定不可大而全，应加强工学结合、以职业活动为导向，完善校企合作机制，建立订单式模式培养，否则，将会深深地陷入嵌入式系统泥潭而不能自拔。