嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討

    目前，嵌入式技術(shù)和嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)滲透到工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、儀器儀表、軍事技術(shù)以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。由于社會(huì)對(duì)掌握嵌入式技術(shù)人才的大量需求，使得嵌入式軟硬件工程師成為未來(lái)幾年內(nèi)最為熱門的職業(yè)之一。因此，作為對(duì)新技術(shù)研究和探索最活躍的群體一高等院校，如何接受嵌人式技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，盡快開設(shè)嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)課程，并通過(guò)對(duì)其研究、探討與實(shí)踐，逐漸形成較規(guī)范的教學(xué)體系已成為一個(gè)重要的研究課題。

    為了使我校培養(yǎng)的學(xué)生適應(yīng)社會(huì)需要，掌握最新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，我校于2004年新增設(shè)了嵌入式系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)課程。兩年來(lái)，通過(guò)對(duì)這門課程的探討與實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)
    本校開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程主要是針對(duì)目前流行的基于ARM架構(gòu)的嵌入式微處理器與源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選擇μC／OS～I(xiàn)I進(jìn)行詳細(xì)剖析，并結(jié)合具體的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠熟練掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)方法。在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為認(rèn)知的主體，通過(guò)學(xué)生的“感受”產(chǎn)生問(wèn)題，在教師的引導(dǎo)下“理解”產(chǎn)生問(wèn)題的本質(zhì)，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)、掌握操作技能，并將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，從而大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)主要體現(xiàn)以下3個(gè)特點(diǎn)：

    ①基礎(chǔ)性。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)涉及多個(gè)專業(yè)。如計(jì)算機(jī)工程、軟件工程、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電工程、精密儀器和電子工程等，嵌入式技術(shù)與各個(gè)專業(yè)相互滲透融合，將逐漸形成新的學(xué)科研究方向，因此，嵌入式系統(tǒng)可作為上述各專業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)課，以強(qiáng)化專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。

    ②綜合性。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。它涉及電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等諸多專業(yè)相關(guān)課程的內(nèi)容，如C語(yǔ)言、微機(jī)原理、單片機(jī)設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)等課程，有很強(qiáng)的綜合性，因此，可以有效地對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合能力的培養(yǎng)。

    ③實(shí)踐性。嵌入式系統(tǒng)是理論與實(shí)踐結(jié)合密切的課程。實(shí)驗(yàn)是嵌入式系統(tǒng)課程的重要組成部分，缺乏實(shí)驗(yàn)的嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)是紙上談兵，因此，學(xué)生必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，來(lái)加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)的理解。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立
    為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力與刨新能力，以達(dá)到“學(xué)習(xí)嵌入式，使用嵌入式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和作用，我校建立了“基礎(chǔ)型一綜合設(shè)計(jì)型一研究型”三層次的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并根據(jù)課程的特點(diǎn)，采取開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路和方法。

(1)第一層次基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)
    這部分實(shí)驗(yàn)采用理論授課與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，讓學(xué)生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，掌握實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的使用方法，熟悉軟件編程環(huán)境，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試，讀懂實(shí)驗(yàn)源程序和程序的運(yùn)行過(guò)程，并能進(jìn)行修改、組合和補(bǔ)充應(yīng)用編程。

(2)第二層次綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)
    這部分實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合整個(gè)課程的知識(shí)，盡可能多地利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的資源，構(gòu)造一個(gè)具有實(shí)際意義的嵌人式應(yīng)用系統(tǒng)，即做一個(gè)較為復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)。

(3)第三層次研究型實(shí)驗(yàn)
    這部分實(shí)驗(yàn)是提供給基礎(chǔ)較好的學(xué)生深入學(xué)習(xí)的，目的是使他們能夠更深入的掌握嵌入式系統(tǒng)的理論知識(shí)，并有更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)進(jìn)行綜合課題的設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置與實(shí)踐
3．1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置
    嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置旨在使學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作掌握嵌入式系統(tǒng)基本、實(shí)用的設(shè)計(jì)與開發(fā)技能。實(shí)驗(yàn)中心于2003年建立了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，并配置了ARM嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、PC機(jī)、ARM JTAG實(shí)時(shí)仿真器等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為兩部分：一部分為核心板，它提供了MC9328MXl系統(tǒng)的最小系統(tǒng)、音頻接口及擴(kuò)展連接線等模塊；另一部分為擴(kuò)展板，它提供了用來(lái)完成各項(xiàng)不同實(shí)驗(yàn)的功能模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要目的是為32位CPU及嵌入式操作系統(tǒng)的使用者提供一個(gè)強(qiáng)大的硬件功能平臺(tái)，并且移植目前最為流行的實(shí)時(shí)、開放源碼的μC／OS-II操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所列。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)踐
    在實(shí)際教學(xué)中，我校的做法是理論教學(xué)方面?zhèn)戎赜谇度胧讲僮飨到y(tǒng)原理的學(xué)習(xí)和嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)方法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面基于上述三層實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
    ①基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)采用理論授課與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，要求學(xué)生獨(dú)立完成基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能實(shí)驗(yàn)。指導(dǎo)教師在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后或在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢查實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。檢查結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核成績(jī)占整個(gè)課程成績(jī)的10％。
    ②綜合型實(shí)驗(yàn)由指導(dǎo)教師指定幾個(gè)設(shè)計(jì)課題或讓學(xué)生自由選擇自己感興趣的課題進(jìn)行設(shè)計(jì)，教師在這個(gè)過(guò)程中僅起指導(dǎo)作用。學(xué)生每人一題，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、編寫實(shí)驗(yàn)程序、選擇硬件接口及調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，提交書面報(bào)告并由教師對(duì)實(shí)驗(yàn)中技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行提問(wèn)，其考核成績(jī)占整個(gè)課程成績(jī)的90%(其中，完成質(zhì)量占30%、難度占30%、創(chuàng)新占20%、書面報(bào)告占10%)。
    ③研究型實(shí)驗(yàn)是作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行的，研究課題和內(nèi)容來(lái)自教師的科研課題，或是與企業(yè)相結(jié)合的科研項(xiàng)目。學(xué)生不僅要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和編制，而且還要進(jìn)行一部分硬件電路的設(shè)計(jì)和制作，以及軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，這樣使學(xué)生建立了不同課程之間知識(shí)的有機(jī)聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)的能力。研究型實(shí)驗(yàn)也可作為學(xué)生課外科技活動(dòng)的組成部分，學(xué)生2～3人自發(fā)組成嵌人式系統(tǒng)興趣小組，利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件進(jìn)行課題研究，教師在一定階段給予必要的指導(dǎo)。去年已有兩組學(xué)生的課題設(shè)計(jì)在全國(guó)大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)大賽中獲獎(jiǎng)，今年又有部分學(xué)生參加了國(guó)際跨國(guó)公司組織的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽。該層次的實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造性，使學(xué)生盡早進(jìn)入了科學(xué)研究領(lǐng)域，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)
    三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系較好地培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，受到了學(xué)生的熱烈歡迎，提高了教學(xué)效果?？傊?，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有不斷改革、創(chuàng)新和實(shí)踐，才能共同提高嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的水平。