基于ARM体系的嵌入式方向课程设置与教学

[摘要]随着嵌入式技术的应用不断发展，许多高等院校计算机、电子、软件等专业针对市场需求，开设了嵌入式方向相关课程，本文结合实际教学经验，提出了基于ARM体系的嵌入式方向课程设置与教学方案，力求达到适应学生毕业后的实际应用所具有的知识与能力的培养又满足社会就业需求的教学目标，进而探讨了嵌入式方向构建三位一体的教学体系，并且给出了一些建议。

[关键词]ARM体系 嵌入式方向 课程设置

[中图分类号]G643 [文献标识码]A

引言

随着嵌入式系统的广泛应用，许多高等院校计算机、电子、软件等专业针对市场需求，开设了嵌入式方向相关课程，然而同嵌入式技术的飞速发展和巨大的产业需求相比，我国高等教育体系下的嵌入式方向相关课程设置存在教学知识陈旧，缺乏实践锻炼，无法适应企业的实际需要等问题，本文首先结合我校办学特色和实际教学情况，阐述了基于ARM体系的嵌入式方向课程设置与教学方案，进而探讨了农业院校应用型计算机类嵌入式方向教学过程中存在的问题，最后对存在的问题给出了一些建议，对其他地方院校应用型嵌入式系统开发人才培养将起到一定的借鉴作用。

一、计算机专业嵌入式方向培养目标与课程设置

（1）计算机专业嵌入式方向培养目标

我校计算机专业嵌入式系统方向培养整体目标是注重工程能力培养的嵌入式系统人才培养目标，尤其侧重嵌入式系统工程应用编程等软件设计开发。根据学生的接受能力以及我校的办学特色，具体嵌入式系统的学习体现层次性、渐进性、注重操作性，在教学中注重培养在农业领域中的嵌入式系统应用能力。

（2）嵌入式方向课程设置

我校于2012年购买了30套基于ARM体系的嵌入式开发实验平台设备，可实现每人一台的教学环境，其中嵌入式开发平台采用ARM11的UP-Magic6410核心开发板，所以嵌入式方向的课程设置都是围绕ARM体系展开教学内容。

嵌入式方向课程设置遵循四个“1”，即“一种主流嵌入式微处理器、一门开发语言、一种嵌入式操作系统、一套开发工具”，嵌入式微处理器采用S3C6410X（ARM11），嵌入式开发语言主要以C语言为主，其他如汇编语言、C++语言、Java语言等为辅；嵌入式操作系统采用Linux；集成开发工具以ADS为主，辅助Windows CE开发工具，这样就能达到系统学习嵌入式技术的要求。表1是我校嵌入式方向专业课设置时间和学时整体情况。

表1：专业基础及专业课设置情况

嵌入式导论课程：介绍嵌入式的主要应用领域、嵌入式软件开发的基本概念、嵌入式软件开发的基本流程和基本方法、嵌入式系统的特点。

嵌入式操作系统课程：介绍嵌入式系统基本知识，嵌入式操作系统与通用操作系统的差别。结合典型的嵌入式操作系统对操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等内容进行介绍。我校根据具体情况选择、Linux、WinCE等嵌入式操作系统进行教学。

嵌入式程序设计基础：介绍嵌入式系统体系结构、嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动等。通过该课程的学习，学生了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具嵌入式程序设计基础，掌握嵌入式系统的基本原理与设计开发思想，学生能完成简单的嵌入式系统的软硬件设计。

JAVA开发语言：介绍Java语言的体系结构、Java语言的基本概念和程序设计的基础知识、面向对象的程序设计的思路和方法。培养学生的编程能力，使学生能够运用Java语言作为完成应用程序设计。

嵌入式接口技术：介绍键盘接口、LED显示器接口、触摸屏、通信接口、中断接口、A/D和D/A转换、ARM的JTAG接口。

嵌入式高级编程：介绍Android嵌入式开发环境搭建的方法，项目结构；Android的体系结构，嵌入式软件开发流程；嵌入式特性开发，多媒体开发，数据存储开发，联网开发等开发方法，学生通过实践能达到独立完成开发单机、网络嵌入式软件的能力。

嵌入式课程是实操性极强的课程，因此实践教学在嵌入式培养体系中占有重要的地位，既是理论讲解的验证与升华，又是培养学生创新思维和独立分析解决问题能力的重要途径。我校的嵌入式方向实践教学课程设置时间和学时大致如下表2所示。

表2：嵌入式课程实践教学设置情况

嵌入式操作系统实验内容：典型的嵌入式操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等。我校根据具体情况选择Linux嵌入式操作系统进行教学。

嵌入式程序设计基础实验内容：在现有的嵌入式开发平台上完成嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动等，学生掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具嵌入式程序设计基础，掌握嵌入式系统的基本原理与设计开发思想，能完成简单的嵌入式系统的软硬件设计。

JAVA开发语言实验内容： Java语言程序设计的基础知识、面向对象的程序设计的思路和方法，学生能够运用Java语言作为完成应用程序设计。

嵌入式接口技术实验内容：包括键盘接口、LED显示器接口、触摸屏、通信接口、中断接口、A/D和D/A转换、ARM的JTAG接口等实验。

嵌入式高级编程实验内容：基于Android嵌入式开发环境搭建的方法；Android嵌入式软件开发流程；嵌入式特性开发，多媒体开发，数据存储开发，联网开发等开发方法，学生通过实践能达到独立完成开发单机、网络嵌入式软件的能力。

二、三位一体的嵌入式课程教学体系建设

我校嵌入式系统方向学习侧重嵌入式软件设计部分，实验室选用UP-Magic6410嵌入式实验开发平台，着重培养学生在该平台下进行嵌入式Linux程序开发的相关环境搭建与软件设计方法的能力。针对各模块以及物联网的应用背景，按照由浅入深，不同课程层次对应不同实验项目等原则，循序渐进，逐步提高，以满足不同阶段的教学要求，为学生提高了动手能力，为进一步的实践开发和毕业设计打下了良好的基础，因此，我们提出了三位一体的嵌入式方向课程教学体系结构，如图1所示。

图1：嵌入式方向教学体系结构

（1）基础型

基础性包括基础知识和基本技能，主要是为了满足基本的教学要求和教学目标，课程包括ARM体系的基本知识、基本技能以及基础类实验的开展。

教师在基础性课程实施时，可以根据各自的科研项目按照模块化将案例分解到各个部分，鼓励学生对实例所采用的技术和方案进行不同角度的评价，变被动知识灌输为主动探索思考，使教学理论知识与科研实践有机地结合在一起。

（2）提高型

提高型包括ARM体系基础型知识的深化和提升，包括理论知识和实践内容的进一步深化，理论知识包括嵌入式编程的设计思想和设计方法的提高，实践教学包括设计类实验，每个实验课题规定1周或更长的时间让学生动手设计开发嵌入式应用程序，在强调基础性知识掌握的同时，鼓励学生创新的综合设计。使得学生既掌握了一些具体的通用的嵌入式系统的开发方法，也能发挥主观能动性，独立设计并实现较完整的嵌入式系统，激发学习、创造热情。要求学生课外查找资料进一步地学习，引导学生进行主动性学习，对某些问题进行深入的分析研究，进而提出自己的设计思想，教师全程指导学生答疑指导工作，启发学生进行嵌入式编程，为学生提供一些解决问题的方法。

（3）综合型

综合型主要指的是依托科研项目实践来锻炼和提高学生动手能力。科研项目可以包括教师的科研项目、学生的科研项目以及依托科研项目或实践基地完成的毕业设计项目。

嵌入式方向课程授课教师可以鼓励学生参与到教师科研项目之中，如笔者主持的嵌入式系统温室环境监控系统应用项目，学生直接参与到前沿的课题和项目中去，成立了兴趣小组，将温室环境监控系统分解成若干子题目，交由各兴趣小组，模拟项目的形式实践开发，真正做到“在学中做，在做中学”，以务实的项目培养学生的实践科研能力。

近年来，北京地区大学生课外科技活动开展的力度逐年加大，笔者指导的学生主持的北京市大学生科研计划，利用嵌入式平台，对温室环境等参数检测，进而对温室大棚实现智能化控制，学生在该课题中，运用所学理论知识，系统的完成了整个项目，获得了北京市大学生科研计划成果二等奖，尤其值得一提的是，毕业的学生在担任京郊村官期间，将课题成果应用于所服务的村镇，取得了良好的效果。实践证明，鼓励学生参与课外科技活动，将会拓展学生的知识体系，并学以致用，对进一步提高学习兴趣以及培养合作精神发挥了至关重要的作用。

学生的毕业设计是所学知识的综合运用的过程，学生从事的毕业设计已经不仅仅是课程实践教学，而且还是从事科学研究的过程。为了保证提供充分的毕业设计时间，提高设计论文和专业课的学习质量，做到有的放矢，我们将毕业论文提前到第七学期安排任务，进行设计任务的前期准备及调试工作。

三、建议

（1）采取层次化的知识体系

嵌入式方向的理论知识体系体现专业基础知识、专业综合知识、专业系统知识由易到难的渐进性和层次化。

专业基础知识包括嵌入式导论、嵌入式操作系统、嵌入式程序设计基础等课程，这些课程的学习包括嵌入式系统基本概念、典型的嵌入式操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等；嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动等内容。学生通过这些课程的学习目标是掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具嵌入式程序设计基础，掌握嵌入式系统的基本原理与设计开发思想，能完成简单的嵌入式系统的软硬件设计。

专业综合知识包括嵌入式高级编程、通过实践课程获得的综合性知识。这些内容包括智能终端的嵌入式软件开发方法、编程开发流程；数据存储开发、联网开发等开发方法，学生通过学习能达到独立完成开发单机、网络嵌入式软件的能力。

专业系统知识包括基于行业背景的嵌入式软件开发知识，这一层次是通过专业实习和毕业设计的环节完成的，也就是通过实践综合完成的项目后获得的知识，这不仅涵盖了符合社会需求的嵌入式方向的新知识、新技术，还包括企业的项目实施机制等无法从学校课本学习到的知识，为学生顺利走向社会工作岗位提供了重要的支持。

（2）采取多方位的实践教学体系

嵌入式系统作为实操性极强的课程，通过强化夯实基础实验、丰富实践综合教学内容，获取更多的实践项目的多方位立体化实践教学模式对培养高素质嵌入式系统人才至关重要，目前，我院嵌入式实践教学改革还处在起步阶段，今后我们将在智慧农业背景下，立足于农业院校发展特色，将嵌入式系统实验实践体系作进一步完善，重点培养学生的创新思维和独立分析解决问题能力。

针对在校学生缺少行业背景知识这一问题，需要大力开展与企业的相关合作，直接把学生派到企业进行16周的专业实习甚至12周的毕业设计，在工程实践项目选择上，应该尽量选择企业的实际项目，尽可能覆盖嵌入式领域的内容，比如嵌入式项目一般包括需求分析、硬件平台设计、软件平台设计（包括嵌入式OS的选择）、应用程序的开发与系统测试等多方面，使学生能够通过查阅一定的资料，利用所学的知识解决工程实际中的问题。学生在实践工程项目中完成毕业设计和论文，综合能力得到极大的提升，同时学生可以掌握企业项目的实施机制，为毕业后快速进入项目开发打下良好和基础，从而实现人才培养和社会需求的无缝对接。

四、结语

随着嵌入式技术的高速发展，嵌入式方向课程体系也应不断改进与之相适应。本文从ARM体系的嵌入式方向培养目标出发，提出了三位一体的课程体系结构，采取层次化理论知识和多方位的实践教学方式，使学生在学校就具备扎实的专业知识和技能，最后将学生送入实训基地做企业实际项目，为学生走向工作岗位打下良好的基础，最终达到计算机专业嵌入式方向的教学和培养目标。

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（作者单位：北京农学院 计算机与信息工程学院 北京）