地方高校嵌入式实践教学体系的应用

2011-09-04冯小燕陈昌兴

肇庆学院学报 2011年3期

关键词：嵌入式体系实验

冯小燕，陈昌兴

（肇庆学院教育技术与计算机中心，广东肇庆526061）

地方高校嵌入式实践教学体系的应用

冯小燕，陈昌兴

（肇庆学院教育技术与计算机中心，广东肇庆526061）

嵌入式实践教学体系要求学生必须掌握有关嵌入式系统的软硬件知识和技能。在嵌入式系统实践教学中，要明确实践教学的设计思想与预期目标；营造良好的嵌入式系统的实验环境；构建嵌入式教学系统的实践管理体系。为了保障嵌入式教学的质量，要强化组织管理；编订适用的嵌入式系统教学实验教程；更新实验设备；加强师资队伍建设；建立科学的考评体系。

地方高校；嵌入式系统；实践教学体系；课程体系

一、引言

关于嵌入式实践教学体系的理论分析，笔者已经有专文作了研究，这里不再复述[1]。嵌入式系统是一门涉及计算机体系结构、计算机软件以及其他相关电子技术的综合技术。目前，嵌入式系统技术已经成为最热门的技术之一，各类企业对具备嵌入式系统设计开发能力人才的需求量非常旺盛，而传统的嵌入式系统教学，课堂环节多是纯理论教学，实践环节一般也是使用传统的实验箱，实验项目较少，内容固定，创新手段不足，很难满足学生的创新实践的需要。针对传统教学模式中面临的问题，笔者在嵌入式教学中认真选择实验硬件、软件开发平台，精心设计嵌入式实验内容，加强创新性实验内容，强化实践效果的评估体系，这些措施将有利于提高该课程的教学和研究效果。

二、嵌入式系统实践教学要求

嵌入式教学实践课程是计算机科学及电子信息、自动化工程、通信等专业学生的必选课程之一。嵌入式教学实践课程在强调理论的同时，更加强调对学生的动手能力和创新能力的培养，引导学生熟悉社会上流行的开发技术及技巧。

嵌入式实践教学体系要求学生必须掌握有关嵌入式系统的软硬件知识和技能。硬件方面，必须了解和掌握嵌入式系统的基本原理及相关微处理器、存储器、周边设备和接口的基本知识。软件方面，必须熟悉和掌握软件工程学、嵌入式系统开发过程以及嵌入式实时操作系统（RTOS）等理论课程内容，并且掌握一些常用的嵌入式系统的开发工具，熟悉常用的开发方法，了解嵌入式系统的典型应用及产品设计开发的步骤等。嵌入式实践教学体系具体教学内容包括：

1.了解嵌入式系统的发展过程，掌握嵌入式系统和嵌入式操作系统的区别、嵌入式操作系统基本命令，并能够运用基本命令查看嵌入式系统的基本信息。

2.了解嵌入式操作系统的分类及标准，掌握不同嵌入式操作系统的应用环境，并结合应用环境选择嵌入式操作系统。以μC／OSII操作系统为基础，掌握嵌入式操作系统的任务调度、内存管理等。

3.了解嵌入式系统开发周期，掌握嵌入式系统开发周期各阶段的作用，掌握嵌入式系统开发不同方法，并能设计嵌入式系统开发流程。

4.掌握ARM体系结构、内涵、工作模式、寄存器，以及数据类型之间的深层次关系，熟悉寄存器的使用，运用不同寄存器设置不同工作模式和状态切换。

5.掌握中断概念、存储器映射方式、寻址方式、响应流程、不同状态下的存储器映射、具体寻址方式，并运用上述知识解决在嵌入式系统运行、具体编程、程序调试等诸多实际问题。

6.掌握嵌入式系统外设基本概念、分类、具体功能和接口使用，运用常用外设解决主机／嵌入式设备通信、调试等具体问题。

7.熟悉嵌入式系统的调试方法及调试技巧。

三、嵌入式实践课程体系设计及实现方法

（一）明确实践教学的设计思想与预期目标

在嵌入式系统实践教学过程中，倡导“开放式和启发式综合设计”的实验教学方式，克服传统单纯演示式和单纯设计方法的弊端。授课教师结合演示实验，具体给出综合各演示嵌入式模块的设计目标后，鼓励学生独立、主动地思考、设计和实验，然后教师抽查学生的设计效果，并由学生在实验课堂中交流解决方案，提出硬件资源充分的利用方向，改进硬件连接方法，并提高编程实现的可靠性、规范性。树立“实验教学就是项目开发”的理念，按照项目开发的思路和方式方法开展教学实验活动，增强实验教学的实效性和针对性。

运用这种教学实验方法，旨在活跃学习气氛，克服嵌入式系统实验中硬件和软件相互交织带来的复杂性，调动学生主动性、责任心和学习兴趣，极大地提高教学效果。同时，将学生引入嵌入式系统设计领域中，为其未来职业生涯打下良好的基础。

（二）营造良好的嵌入式系统的实验环境[2]

一个完整的嵌入式系统一般由微处理器及相关接口芯片、嵌入式操作系统、应用软件组成。在嵌入式操作系统和RISC微处理器的结合的软件和硬件平台的支持下，嵌入式系统程序设计能够实现复杂控制，进行多任务的处理。嵌入式开发环境一般由三部分组成：运行于PC机端的集成开发环境、仿真器和用户的实验板或开发用的目标板。（基本结构与连接形式如图1所示）。

1.构建嵌入式系统的软硬件平台。Samsung S3C44B0X微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比的微控制器解决方案，它使用ARM7TDMI核，工作频率在66MHz。为了降低系统总成本并减少外围器件，这种芯片的片上还集成了8KB Cache、外部存储器控制器、LCD控制器、4个DMA通道、2通道UART、1个多主I2C总线控制器、1个IIS总线控制器，5通道PWM定时器及一个内部定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、实时时钟、8通道10位ADC等部件。

实验系统硬件平台主要包括：存储器；JTAG仿真器接口；D/A和A／D接口；以太网接口；通用I/O接口；IIC总线接口电路与实时钟接口电路；CPLD接口；LCD和LED接口；HDLC（面向位的传输协议）接口；USB接口等[3]，图2中对两者关系做了详细说明[3]。

图1 嵌入式实验系统基本结构

图2 嵌入式系统硬件平台与软件关系

2.构建嵌入式系统的软件开发平台。在嵌入式开发环境中，准备工作需要3个步骤。首先，在PC中搭建Keil MDK或者ADS（ARM Developer Suite）编译环境。其次，安装嵌入式操作系统（Linux、uc/OS－Ⅱ、WINCE等），针对系统硬件进行裁剪和移植，建立交叉编译环境。然后，安装BSP及驱动程序，构建嵌入式操作系统映像文件，通过JTAG接口进行下载、调试[4]。最后，开发建立在选定的嵌入式操作系统之上的应用程序并调试。

（三）构建嵌入式教学系统的实践管理体系

1.建设校内嵌入式综合实验室。根据地方高校的实际情况，按照“集中化、一体化和三层次”的思路进行实验室建设。

集中化就是在学校层面集中成立校级实验中心，将面向全校范围的基础课实验教学、相同或相近的实验课程等，归并整合，由校级实验中心所有，或挂靠某联系密切的院（系）运行管理一体化是根据实际情况在有条件的院（系）合并系（教研室）和实验室，采取两块牌子一套人马的运行模式。三层次包括：第一层次是面向全校开放的公共服务体系，跨院（系）、跨学科的基础课或专业基础课校级实验教学中心；第二层次是原则上为一个或几个学院（系）开设专业基础课实验教学的院（系）级中心实验室；第三层次是专业实验室。专业实验室分为教学与科研两个体系。管理和运作体系可以概括为：四位一体、模块化组织和因人设所。四位一体包括专业建设、课程建设、学科建设和实验室建设。模块组织是指按研究方向、学科（术）带头人、梯队等构建模块，进行项目论证和建设。因人设所是指为引进的高层次人才设置专门的研究机构，开展嵌入式系统的研发和创新[4]。

2.选择“产学研”的教学形式，提高学生的创新能力。嵌入式实践教学体系的校外实习实训基地可以通过产学研合作形式实现。企业提供实习实训平台，整合双方人才和技术资源，建立集教学、科研、生产、培训于一体的综合性人才培养基地。从嵌入式实践教学和学习的转换可以看出，教与学是项目的两端，往往可以借助项目这一载体有效实现对接。围绕项目开展教学和学习活动，项目是教学活动的核心。随着项目的推进，教与学的过程随之进行。从项目的设计、实施到整个过程的结束，实际上是教学、实习和项目研发三者的紧密结合。学生通过完成项目，最大限度地学习和掌握了有关嵌

入式系统的知识和应用方法，并使之在理论与实践的结合达到了较高层次的升华[2]。

在产学研合作过程中，教师也可以尝试在总项目基础上分解若干子项目，鼓励学生独立完成一些难度较小、完成周期短的项目,最大限度调动学生参与的积极性和创造性。

在具体教学活动中，除高校教师授课和辅导外，还可以聘请一批具有实践经验的企业工程师或技术人员带领学生针对性的解决一些疑难问题。校外实习实训基地建设，不仅有利于高效与企业开展产学研合作和学生应用能力培养，也可以通过校企双方在合作中逐步形成关联互动机制，为高校拓展产学研合作途径和解决学生就业难题拓宽更加广泛的途径[5]。

3.逐步提高学生综合实践能力。按照验证性实验、综合性实验和创新性实验3个层次逐渐培养学生开发应用程序和驱动程序的能力。针对实验设备的多样性，采用驱动程序屏蔽的方法，给学生提供一致的应用程序编程接口，利用实验设备共性部分开设基础验证性实验。同时，针对各种外设开发出各种实验样例程序，如液晶屏、触摸屏、小键盘和摄像头等，由学生自由组合成综合性实验。对于实验设备选配件以及未开发的部分，允许学生自主命题，申请器件进行创新性设计。鼓励高年级大学生选修嵌入式系统课，侧重图片显示、触摸屏和视频采集的内容，通过开源手机平台等提高学生对硬件类课程的兴趣。考虑到有些厂商对实验设施支持的局限性，可以尝试建立嵌入式系统教学联盟，寻找提供交流平台，通过多方位、多途径提高学生应用能力，培养学生对嵌入式系统的实践能力[5]。

四、保障措施

（一）强化组织管理

嵌入式实践性教学质量的保障关键在于有效的管理。具体体现在建立完善、有效的教学管理体系。根据地方高校运行模式，建立由学校教学主管领导牵头，教务部门统筹，教学执行部门实施，各任课教师为个体的组织框架，并制定相应的管理制度，权责明晰，责任到人,形成符合嵌入式教学实践的管理模式。建立检查、评估和督导制度，安排专人负责教学和实习实训过程的评估和考核。同时,教务部门还要组织二级学院、学生管理部门定期或不定期地对其教学和实习实训环节进行具体检查和指导。

（二）编订适用的嵌入式系统教学实验教程

该教程具体规定学生在嵌入式实验室开展的实习实训环节、完成的任务以及达到的效果。由教学承担单位和教务主管部门严格组织实施，确保按规定完成相关教学、实验计划。对未能达到要求者,要责成其相关单位和个人制定和实施整改方案，确保达到预期效果。

（三）更新实验设备

针对目前地方高校普遍存在的嵌入式实验设备陈旧，利用效果较差的现状，积极筹集资金引进较为适用的软硬件实验设备，保障学生从事嵌入式系统开发的基本要求。目前一些高校普遍使用的实验箱、实验仪主要有：ARM实验箱、单片机实验仪、爱迪克实验箱、三知DSP实验箱等。尤其是ARM实验箱，是ARM公司为了支持国内大学和科研机构开展嵌入式和ARM技术的教学和科研推出了大学计划，价格比较优惠，产品比较适用于地方高校用以完成基于ARM的嵌入式产品的开发[6]。

（四）加强师资队伍建设

现在，嵌入式系统实践教学受到国内许多高校重视，但师资普遍短缺。一些原本就师资紧张的地方高校更是显得捉襟见肘。以肇庆学院为例，教育技术与计算机中心、计算机学院和软件学院共有80多位教师，但具有嵌入式系统专业背景，且一直从事该领域教学和研究的教师只有2～3位。因此，着力加大对嵌入式系统实践教学师资的培养和引进力度，打造一支高学历、高职称、高素质的师资队伍，对推进地方高校嵌入式系统实践教学显得尤为迫切。

（五）建立科学的考评体系

嵌入式实践教学的考评体系侧重于教学与实验两个环节在实践层面的衔接和融合。其总体原则，一是在考核内容上突出嵌入式专业就业岗位需要的核心知识、能力、技能训练目标，体现创新性；二是在考核体系上形成以嵌入式专业能力与技能为核心的嵌入式课程考核模块,体现综合性；三是在考核目标上定位于对嵌入式专业岗位核心能力教学实验训练质量的检验,体现实用性；四是在考核形式上倡导多样化的知识和技能考核方法,体现针对性；五是在考核要求上注重考核内容和考核形式的辩证统一,体现科学性[7]。嵌入式实践教学的实验环节十分重要。对教学实验环节的考评方式应侧重于查阅和评审学生的实验报告[8]。教师根据学生自行设计的综合实验报告，以及每次的实验情况进行综合评分，并将成绩纳入整体考评结果之中。对学生设计的实验报告的考核指标主要包括：报告对所反映的相关技术理解程度、查阅相关资料的能力、技术方案的合理性、设计内容的深度，以及内容的完整性等。