多层次嵌入式课程实践教学体系的建设与探索

张益嘉，宋嘉琳，丁 男

(大连理工大学 电子信息与电气工程学部， 大连 116023)

多层次嵌入式课程实践教学体系的建设与探索

张益嘉，宋嘉琳，丁 男

(大连理工大学 电子信息与电气工程学部， 大连 116023)

实践环节是嵌入式教学的重要组成部分，对学生的实践能力和创新能力的培养具有重要作用。文中针对国家对于高层次嵌入式人才的巨大需求，结合高校的嵌入式实践教学的实际情况，提出构建多层次嵌入式实践教学体系。经过近3年的教学实践表明，多层次嵌入式实践教学体系不仅能够激发学生的学习兴趣，而且有效提高了学生的动手能力、创新能力和团队意识。

嵌入式课程；实践教学；创新能力；建设

随着后PC时代的到来，以智能手机为代表的嵌入式智能设备已经渗入到人们日常工作和生活的各个领域[1-2]，嵌入式技术作为后PC时代的关键技术之一，有着重要的研究意义和巨大的产业需求[3-4]。嵌入式技术不是一个独立的学科，与计算机、电子电气、通信、自动化等诸多专业课程有关，更与具体的应用背景相联系[5]。这使得嵌入式专业教学既要突出专业性问题又要覆盖基础性问题，更要强化对学生的实践能力的培养，以更好地适应嵌入式产业的实际需求。高等院校担负着为国家培养高层次嵌入式人才的责任，如何在实践教学中不仅使学生真正掌握嵌入式开发的基本技能，而且有效培养学生的创新和动手能力是目前高校嵌入式教学亟须解决的重要问题。针对这一现状，大连理工大学电子信息与电气工程学部结合多年嵌入式实践教学的相关经验，在实验课程设置、专业实验室建立和实验教学方法等方面做了一些探索和尝试。通过构建多层次的嵌入式实践教学体系，达到培养具有扎实的专业技能和创新能力的高水平嵌入式人才的目标。

1 嵌入式实践教学体系的设置

实践教学是对理论教学的必要补充，嵌入式领域的专家目前一致认为，嵌入式实践教学对于高素质的嵌入式人才培养有着极其重要的作用。由于嵌入式课程内容相对复杂，对学生综合能力的要求较高，因此很难通过一门实验课程使学生真正地掌握嵌入式开发的基本技能。通过多年的实践和探索，针对目前社会对嵌入式人才的需求，我们构建了多层次的嵌入式实践教学体系，来培养高水平创新型嵌入式人才。

1.1 嵌入式系统设计实验

嵌入式系统设计实验是多层次嵌入式实践教学体系的基础，目标是使学生能够理解并掌握嵌入式系统基本的组成结构及原理，掌握最新的嵌入式系统设计方法和典型开发工具，为后续嵌入式实践环节打下良好的基础。

在嵌入式系统设计实验中，通过嵌入式系统设计的基础实验内容，如串口通信实验、A/D转换实验、触摸屏驱动实验等，使学生理解嵌入式系统基本硬件电路的工作原理；掌握ADS嵌入式开发集成环境的使用方法；掌握基于Bootloader的下载调试过程。在此基础上，开设uCOS_II操作系统的移植与应用实验，通过uCOS_II操作系统的移植和开发使学生真正理解uCOS_II操作系统内核的组织结构；抢占式任务调度原理；文件系统和内存管理机制等。

1.2 嵌入式操作系统实验

嵌入式操作系统实验是基于嵌入式系统设计实验基础上开设的实践环节，目标是在学生对嵌入式系统有了一定的理解的基础上使学生掌握Linux嵌入式操作系统的基本原理和基于Linux嵌入式操作系统的设计方法。

嵌入式操作系统实验的内容主要包括：Linux交叉编译环节的搭建、Linux内核的裁剪、基于Linux的多线程编程、基于Linux的驱动开发和QT移植实验。由于Linux操作系统相对uCOS操作系统要复杂得多，因此对于实验内容要根据学生的特点、学时的设置和培养目标的不同进行调整。此外，针对“基础较好”、“学习热情高”的学生，可以开设Linux源代码阅读分析实验，通过对Linux核心代码的剖析，能够使学生更深入的理解Linux操作系统的核心工作机制，并熟悉内核代码的组织方式和编程风格，对学生编程能力的提高有重要的作用。

1.3 生产实习环节

为了进一步提高学生对所学知识的综合运用能力，我们在生产实习环节开设基于嵌入式技术的实习项目，如“智能家居系统的设计”等。在生产实习环节中学生面对的是一个相对完整的实训项目，这与针对某个接口或功能开设实验项目相比有本质的区别，能有效提高学生分析问题和解决问题的能力。由于生产实习环节需要多个学生一组，共同完成一个题目，因此学生的团队意识和协作能力也得到进一步加强。

在这个环节中，老师设计几个可选的实训题目，学生根据自己的爱好和兴趣进行选择，并自行组成项目组。实习过程中，老师提供实验器材和必要的指导，项目组内每个学生的分工不同，共同协作完成整个项目，最后以项目的形式进行验收。以“智能家居系统的设计”为例，学生通过这个实训项目，能够将嵌入式系统设计实验和嵌入式操作系统实验的实验内容有机地结合起来，能够在一个整体的水平上设计并理解嵌入式系统，更能够根据项目的需求主动地学习嵌入式相关知识。

1.4 创新实验环节

创新实验环节是根据学生的兴趣爱好，利用课余时间开设的由学生和指导教师共同参与的实践环节，所以鼓励学生参加嵌入式创新实验是强化学生嵌入式开发技能，培养学生创新能力和综合素质的有效途径。指导教师是创新实验环节的核心保障，不但和学生一起设计实验的内容，而且根据选题需要给学生进行相应的辅导，进一步拓宽了学生的知识面。我们嵌入式教学团队还将最新的科研成果融入到创新实验中，使学生在创新实验环节中面对的不单是一个虚拟的课题而是一个实际的项目。从近三年指导的创新实验情况看，由于学生有学习兴趣支撑，能够主动学习相关知识，并阅读大量文献，因此学生能够通过创新实验环节有效的提升自我学习能力、实践能力和创新能力。

2 嵌入式专业实验室的建设

嵌入式专业实验室的建设是嵌入式实践教学体系建设的重要组成部分，是提升实践教学质量的关键环节。目前市场上嵌入式教学产品有很多，单就嵌入式处理器来说就有ARM、MIPS、Rambus等，但ARM处理器凭借着自身的优势及特点市场份额占有绝对优势[6-7]。所以嵌入式专业实验室以ARM9 2410和ARM11 6410处理器为核心的两款实验教学平台为主，这使我们的实验教学内容和社会主流的需求相一致。

ARM9 2410处理器是一款目前国内应用最广泛的基于ARM920T 内核的16位/ 32 位RISC 嵌入式处理器，主频 203MHz，由ARM9TDMI、存储管理单元( MM U) 和高速缓存三部分组成。其中M MU 能够有效管理虚拟内存, 高速缓存由独立的16 KB 地址和16 KB 数据高速Cache 组成[8]。此外，ARM9 2410处理器还集成了大量的功能单元：内置外部存储器控制器( SDRAM 控制和芯片逻辑选择)、三个通用异步串行接口、2 通道SPI接口、一个多主IIC 总线、一个IIS 总线控制器、四个PWM 定时器等。因此以ARM9 2410处理器为核心的嵌入式实验平台能够很好适应嵌入式系统设计实验和嵌入式操作系统实验的相应要求。

ARM6410处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，主频高达667 MHz，除了拥有ARM2410处理器的基本功能单元外，更进行了多媒体处理扩展，使其对视频、音频的编码解码性能大幅度提高[9]。因此以ARM6410处理器为核心的嵌入式实验平台能够提供更强大的嵌入式处理性能，非常适合生产实习环节和创新实验环节的实践教学任务。

我们在满足基本教学内容的基础上还补充了其他不同类型的嵌入式平台，例如：基于ARM和DSP双核架构的OMAP5910嵌入式实验台[10]、基于PAX272的ARMScale嵌入式平台[11]、基于Virtex-5的高性能FPGA开发平台[12]等。这些高性能嵌入式实验设备的补充进一步完善了嵌入式专业实验室的建设，同时也更好地满足多层次的嵌入式实践教学的需要。

3 嵌入式实践教学方法改革

嵌入式专业实验内容多、难度大，对学生动手实践能力要求高。针对嵌入式实践教学特点，我们采用启发式实践教学方法，重在培养和引导学生的学习兴趣。通过合理安排验证性实验和综合性实验的比例，充分调动学生的学习热情和积极性。在遇到问题时，鼓励学生自己动手解决，必要时教师和学生一起讨论分析，通过这种方式学生对实验中出现的问题理解更加透彻，印象也更深。在具体实验项目中，给学生提供开放的实验空间，倡导多种实验设计方案，既激发了学生的实践热情，又培养了学生的创新能力。

为了让不同层次的学生都能得到很好的锻炼，在实验中设置难易程度不同的必做项目和选做项目。在必作项目中我们针对实验难点，通过设置小案例、小问题的方式启发学生；在选做项目中学生可以根据自己的能力，利用实验室提供的实验平台选择不同难度的实验项目。

培养学生的团队精神和协作能力也是实践教学的目的之一。我们的具体做法是在嵌入式系统设计实验和嵌入式操作系统实验中，要求两名学生组成一组，以组为单位完成实验；在生产实习环节和创新实验环节完全采用项目组的方式进行管理，由学生自行组队搭配。实验过程中，学生逐渐学会如何沟通交流，如何解决争端，如何协同合作。通过这种方式，学生的团队意识和协作能力都有不同程度的提高，使学生毕业后能更快地融入到实际工作环境中。

4 结束语

本文结合兄弟院校的成功经验和我们多年嵌入式实践教学体会，从培养高层次嵌入式人才出发，在多层次嵌入式实践教学体系建设方面做了一些有益的探索和实践。其中多层次的实践环节设置，专业实验室建设以及实践教学方法的改革都已经在实际教学过程中得到了实践，提高了实践教学的有效性，取得了显著的成效。学生针对嵌入式实践环节表现出了更强的学习兴趣和热情，解决实际问题的能力和创新意识也有了切实的提高。特别是从2005年开始，我们指导30余人参加国家各级嵌入式相关竞赛，包括全国电子设计大赛、英特尔杯嵌入式设计大赛、博创杯嵌入式大赛等，共取得3个一等奖，6个二等奖的优异成绩。

[1] 李宁，宋薇，库少平. 项目化嵌入式教学方法研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010，10(2):5-8.

[2]俞建新. 略论嵌入式系统的实验教学[J]. 实验室研究与探索, 2006,25(7): 741-745.

[3] 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,2006,23(4): 85-87.

[4] 赖晓晨,刘文杰.高校嵌入式实验室建设探索[J].实验室研究与探索,2007,26(6):52-54.

[5] 马洪连,丁男，张益嘉，等. 嵌入式系统设计教程[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[6] 刘凯. ARM嵌入式应用技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7] 张群忠,沈建华.ARM&Linux 嵌入式系统BootLoader 的研究与设计[J].计算机应用与软件,2006,23(12):97-99.

[8] 徐英慧, 马忠梅.ARM9嵌入式系统设计: 基于S3C2410与Linux[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2007.

[9] 侯殿有,刘晓光,吉鹤.S3C6410X(ARM11)精简指令系统微处理机(RISC Microprocessor)的特点和使用实例[J]. 电脑学习, 2009, 25(6):22-24.

[10]肖金锽,殷小贡,张淼，等.基于双核OMAP5910的嵌入式系统及其应用[J]. 电子设计应用, 2004,3(10):104-108.

[11] 杨波.基于ARM核的Intel XScale嵌入式系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2004,4 (3):38-41.

[12] Geomatrix,王晨阳.Virtex-5 FXT FPGA——最合适的系统集成平台[J]. 电子技术应用, 2008, 34(9):11.

Construction and Exploration of Multilevel Embedded Curriculum Practical Teaching System

ZHANG Yijia, SONG Jialin, DING Nan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Practical teaching is a considerable part of embedded course, which plays a crucially important role in the training of student practical and innovative ability. In this paper, we aimed at our country’s demand for high level embedded talents, aligned with the realities of college and university embedded practical teaching, and proposed construction of multilevel embedded practical teaching system. The results of three years practical teaching shows that multilevel embedded practical teaching system can not only stimulate student’s interest but also effectively improve the student’s practical ability, innovative ability and team awareness.

embedded course; practical teaching; innovative ability; construction

2013-08-22

张益嘉(1979-)，男，硕士，工程师，研究方向：嵌入式系统开发、生物信息学。

G642.423；TP319

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.050