软件类专业嵌入式系统教学探究与实践

何剑锋 姜 林 刘 琳

摘要:嵌入式系统教学体系建设是高校教学改革的一个重要组成部分,在高校开设嵌入式系统的课程已是大势所趋。本文从不同角度分析了嵌入式系统教学,详细讨论适应社会需求的本科阶段软件类专业嵌入式系统方向理论课程体系和实验课程体系。同时,阐述了在嵌入式系统教学实践中运用的多种教学方法和思想。

关键词:嵌入式系统;教学体系;教学方法;教学实践

中图分类号:G642文献标识码:A

1引言

网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来,无疑为32位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间;同时,也为力不从心的8位单片机向高端发展起到了接力作用。嵌入式技术及产品的快速成长成了全球IT产业发展的显著特征,嵌入式技术是二十一世纪最有活力和生命力的新技术之一。然而在中国,嵌入式软件复合型人才的缺乏,已成为嵌入式产业的可持续发展的瓶颈,作为对新技术研究和探索最活跃的群体之一——高等院校中独立软件学院,如何接受嵌入式技术带来的挑战,学习嵌入式、研究嵌式、使用嵌入式,已成为一个重要的研究课题,加强与完善高校嵌入式系统教学迫在眉睫。由于国内嵌入式系统教学起步较晚,目前还没有形成适应高校教学的一个统一的教学体系和教学规范。由此强调要以信息技术为手段,深化教学改革和人才培养模式改革,如何根据社会的实际需要,培养具有一定专业特色的和特定能力强的软件实用型、复合型人才是我们学院应首要解决的问题。因此必须深入探究嵌入式系统课程体系结构,寻求各专业嵌入式系统实践教学解决方案,积累教学实践经验,建立较规范的嵌入式系统教学体系,使嵌入式系统应用开发技术更好地融入到教学与科研活动中,以适应社会对嵌入式系统人才的需求,对于深化我国高校的教学改革具有重要的现实意义。

2嵌入式系统教学体系探究

嵌入式系统作为一个新兴的课程体系,目前在教学过程中相关先修课程与基础知识的准备教学内容(包括硬件平台与软件平台)的选择、实验教学与实践环节组织等问题依然处于争论和探索阶段。国内高校对于嵌入式系统的教学研讨从嵌入式课程体系的设置、嵌入式理论教学的开展、嵌入式实验教学的开展、嵌入式综合设计与学生工程实训等几方面展开。

2.1嵌入式系统教学分析

(1) 从应用角度来分析,具有世界最大嵌入式技术市场的中国,嵌入式系统教学中更多的强调以“应用”为中心。嵌入式系统应用程序的开发还必须具有一定的行业领域知识,教学中最好要在一个实际的应用项目开发环境中去实践,提高嵌入式软件开发方面的综合应用能力。

(2) 从学科专业角度来分析,嵌入式系统涉及多门交叉学科致使将嵌入式系统的教学大致分为三类:软件学院专业嵌入式教学;计算机专业嵌入式教学;微电子、电子信息工程、自动化等相关专业嵌入式教学。在嵌入式系统教学中应重视不同专业嵌入式课程体系建设、课程目标和内容等方面展开。

(3) 从技术角度来分析,嵌入式系统是软件和硬件有机的结合体。要考虑什么样的硬件设计更容易编写驱动程序,软件处理效率等因素就必须要学习操作系统和驱动程序开发相关的知识,同时需要考虑如何取舍软硬件设计。由此嵌入式系统教学中应注重培养同时具备软件和硬件两方面及综合性知识分析能力。

2.2嵌入式系统方向理论课程体系

本科阶段的按专业方向课程规划既要重视基础理论的学习,又要注重实践性,既要突出专业自身特点,又要把握嵌入式系统在多学科知识领域中相互渗透的规律。不同专业嵌入式系统方向课程体系如图1所示。信息工程专业涉及的专业基础课包括数字电路、微机原理与接口技术、单片机原理与接口技术、计算机组成原理、可编程逻辑器件、EDA设计等课程。而软件工程专业涉及的专业基础课则为C/C++语言、数据结构、计算机网络编成、编译原理、软件工程、操作系统等。嵌入式系统课程体系包含两个专业的相关内容。数字电路的知识是从事嵌入式系统的必备,关键要增强逻辑思维能力。C语言作为一种“高级的低级”语言、易移植、易维护、可读性强、具有强大的内存操作能力,成为嵌入式系统开发的最佳选择。数据结构与算法在嵌入式系统教学中要作为重点,可适当增加实验课时,无论学生以后从事嵌入式系统的软件还是硬件开发,这门课的思想将贯穿其中,这两门课程教师应当要求学生加强上机实验的操作,鼓励相互交流,体会编程的思想。

嵌入式处理器体系结构:在嵌入式领域中广泛应用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微处理器。ARM公司引发了嵌入式领域的一场革命,在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位,是目前32位市场中使用最广泛的微处理器,学习以ARM为架构的嵌入式技术具有非常广阔的前景。对于嵌入式操作系统:目前比较适合用于本院教学主要有VxWorks、Windows CE、Linux(uClinux)和μC/OS-Ⅱ等。基于Linux内核稳定可靠、源码免费开放等优势成了教学和学习嵌入式操作系统的首选。嵌入式的软件开发从智能手机开发(SYMBIAN)、J2ME程序设计、数字媒体终端等实践编程。嵌入式软件开发语言主要有汇编语言、C/C++语言、Java语言等。

2.3嵌入式系统方向实验课程体系

嵌入式系统是实践性很强的课程体系,学好嵌入式系统课程不仅有助于学生了解系统设计的基本方法,而且能提高学生对于相关学科的理解和实际应用能力。在嵌入式系统教学中,实验是最重要的环节之一,是学生掌握嵌入式系统设计技术的关键。为满足不同专业学生的学习要求,我校现有嵌入式系统实验设备40套(XScale PXA270处理器)及相关配套实验仪器及测试仪器,实验教学内容涉及微处理器系统设计、嵌入式实时操作系统开发、嵌入式中间件平台开发、嵌入式系统应用开发等内容。为达到教学目标,将实验教学体系分为基础类实验、系统设计类实验和创新类实验。基础类实验:采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,使学生能够进行修改、组合和补充式的应用编程。包括ARM集成开发环境ADS1.2的使用与仿真调试方法、ARM中的汇编程序与C语言调用的混合编成等15个实验。系统设计类实验:主要采取精讲精练的方式进行,使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。教师指定几个设计课题,并提供任务书,任务书内容包括实验题目、实验所涉及的主要内容、要实现的功能说明及实验中应注意的问题。学生自行设计实验方案,编写实验程序,选择硬件接口并调试,独立进行课题设计,并写出设计实验报告,教师在设计过程中仅起指导作用。包括嵌入式Linux内核分析、裁减、移植和烧写在内的10个实验。创新类实验:为了培养学生的科研能力、创新思维能力和工程实践能力,研究课题和内容由他们自己提出,或是来自教师的科研课题,或是与企业相结合的科研项目,学生自己讨论确定研究方法和研究手段,利用现有的实验设备和条件进行课题研究,教师在一定阶段给予必要的指导。

3嵌入式系统教学实践

(1) 注重理论知识和实践训练相结合教学,着力培养学生创新能力。

结合实例讲解理论,使理论来源于实践,又进一步指导实践。在课堂教学中,要求教师注重体现工科特色,突出本课程在嵌入式软件开发中的基础性作用。由于嵌入式系统是一个实践性很强的课程体系,学生的动手能力的培养是嵌入式系统教学中的一个非常重要的环节。在教学方式上,注重采用理论与案例相结合的课堂教学、系统的多级课程实践、工程实习以及前沿技术讲座等多种形式的教学与实训,使学生在掌握扎实的嵌入式软件基础理论、开发技术和工具的基础上,进行嵌入式软件的设计和开发。实现对嵌入式系统的感性认识和理性认识相统一。在实践教学手段上,除了继续加强毕业设计(论文)、毕业实习、课程设计和理论课内实践教学外,还提出了“实验选修课”的新模式,要求各专业大学生必须修满一定的实验选修课学分。实验选修课面向全校各专业开放,课程强调以实践为主,进行综合性、设计性的训练。而该课程的教授中占据着核心地位的是创新能力的培养:采取学校与企业合作,企业中有工程经验丰富的一线工程人员和高水平的技术团队,构建这样一个高水平的学生工程实践环境,为学生提供实际项目开发机会,完善自身职业素质和工程能力;通过大学生嵌入式设计竞赛可以针对具体问题使学生在实践中提高发现问题,解决问题的能力。

(2) 配套立体化教材,共享嵌入式系统教学资源。

如果仅仅是购买了一个开发套件而没有相应的配套技术资料,可想而知学习的效果肯定是很差的,因为只有配套的资料才能体现出设计者的原创思想,更为重要的是在学习过程中遇到了困难,配套的技术资料可以帮助老师和学生加深理解、解决问题。各硬件厂商提供的产品芯片说明和开发参考以及嵌入式操作系统的源代码和相应软件环境使用说明是最好的教材。但资料多为英文,学生使用起来比较吃力,所以此时教材的选择非常重要,课程开始给学生推荐经典的教材,在此基础上引导学生尽快过渡到英文资料的阅读和使用上。多媒体教学比传统教学的模式具有更大的优势,多媒体教学把枯燥的计算机内容转化为生动的图像、交互和视听媒体,把教学内容直观化,有利于学生更好地接受知识。同时,加强教师的培训,提高教师应用网上资源进行教学、整合网上资源的技能。

(3) 总结教学方法,提高实际教学效益。

运用“学教并重”进行课程教学设计、采取了互动式教学、采用启发式、范例式课堂教学、现代与传统教学手段相结合,直观、生动的等多种教学方法,激发学生主动学习热情,让他们成为教学中的主体,并培养其收集相关领域信息、拓宽知识面的能力。将教学的重点放在培养学生发现、分析问题、解决问题能力上。从而达到能理解嵌入式软件设计文档;独立负责嵌入式软件组件编码和调试;执行软件组件的单元测试;符合嵌入式软件开发企业的入职要求等教学效益。

4结语

嵌入式系统在国内真正得到发展还是近几年的事情,还没有形成统一的教学体系和规范,加之社会对高素质嵌入式系统人才的需求日益增加,各个高校迫切要求建立嵌入式系统课程体系、实验体系、教材体系和教师培养体系,本文所探究的针对软件本科专业的嵌入式系统理论课程体系和实验课程体系,积累嵌入式系统的教学实践,融合了社会企业的需求和软件专业的特点,符合实际应用。当然,独立软件学院的嵌入式方向的教学还任重道远,需要从事嵌入式系统教学的教师在实践中不断地进行研究、不断地积累经验,不断地创新,才能培养出社会所需要的高素质嵌入式技术人才。

参考文献:

[1] 凌明,刘昊,时龙兴. 关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J]. 电气电子教学学报,2007(10):94-96.

[2] 毛德操,胡希明. 嵌入式系统—采用公开源代码和StrongARM/XScale处理器[M]. 杭州:浙江大学出版社,2003.

[3] 李耀波,杜丽敬,徐洋. 高校嵌入式系统课程群规划的探讨[J]. 信息科技,2007,10(19):9,25.

[4] 管秋梅.“嵌入式系统”课程教学的研究[J]. 电气电子教学学报,2007(12):108-109,112.

[5] 黄晓玲,段凤云,赵建科. 嵌入式系统实验教学体系的探索与实践[J]. 实验技术与管理,2006(04):85-87.

The Teaching Research and Practice of Embedded System for the Software Speciality

HE Jian-feng, JIANG Lin, LIU Lin

(College of Software , East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Abstract:The teaching system construction of embedded system is an important component of teaching reform in higher educational institutions. Setting up embedded system courses is an irresistible trend in colleges and universities. In this article, the embedded system teaching is analyzed from a different point of view, and the curriculum theory and experimental curriculum of the professional software for embedded systems in undergraduate stage which adapts to the social needs on teaching is discussed in detail. At the same time, a variety of teaching methods and ideas in embedded systems teaching are proposed and used in the teaching practice.

Key words: Embedded System; teaching system; teaching method; teaching practice