基于FPGA和ARM的嵌入式实验教学改革研究

白云

（西安科技大学 工程训练中心，陕西 西安 710054）

基于FPGA和ARM的嵌入式实验教学改革研究

白云

（西安科技大学 工程训练中心，陕西 西安 710054）

本文以西安科技大学工程训练中心的FPGA和ARM嵌入式实验教学改革为背景，通过对传统嵌入式实验教学存在的问题进行分析，提出了嵌入式实验教学改革的新思路，旨在形成新的嵌入式技术实践教学体系，探索工程应用型人才、卓越工程师的培养模式。

FPGA；ARM；嵌入式实验教学改革

嵌入式技术是计算机应用技术的新发展，具有广泛的应用领域和发展前景，在通信、国防、工业自动化、计算机设计与应用、仪器仪表等领域的电子系统设计中，嵌入式技术的含量正以惊人的速度提升。电子类的新技术项目的开发也更多地依赖于嵌入式技术的应用，作为当前最热门最有发展前途的应用领域之一，嵌入式人才稀缺，就业形势看好。嵌入式技术涵盖了机械、控制和通讯等所有现代工程专业的内容，是目前世界各国进行工程训练、教学实验和研究的最为理想的平台。本文以西安科技大学工程训练中心的FPGA和ARM嵌入式实验教学改革为背景，通过对传统嵌入式实验教学存在的问题进行分析，提出了嵌入式实验教学改革的新思路，旨在形成新的嵌入式技术实践教学体系，探索工程应用型人才、卓越工程师的培养模式。

一、传统的嵌入式实验教学存在的问题

目前普通高校开设的嵌入式实验课程大多数都有相应的课堂教学，其主要内容都是涉及教师在课堂上所要求的重点内容，无法从系统的整体设计上进行考虑。主要存在的问题有：

1.实验课的重视程度不够。

2.实验教学内容与社会发展脱节：在教学过程中，教学大纲往往得不到及时的更新，相应教材也得不到及时的更换，因此出现了教学内容跟不上社会发展对嵌入式人才需求的现象。

3.学生实践机会少，动手能力差：传统的嵌入式实验教学主要是验证性实验，即使含有设计内容，也主要是用既定的元器件进行组合电路而成，学生无法从这样的设计过程中体会到真正的嵌入式技术，所以，就会出现学生们对嵌入式系统的系统结构、硬件接口、编程语法都能学得很好，可是一提到利用嵌入式系统开发产品时，真正能动手的学生寥寥无几，出现学知识和用知识脱节的现象。

二、FPGA和ARM的嵌入式实验教学改革内容

1.嵌入式实践教学体系的建立。通过对嵌入式技术相关行业的走访调研，深入了解社会对嵌入式人才的需求情况，确定具有我校特色的嵌入式技术实践教学体系。首先，开发立体化教学包，教学包中包括FPGA和ARM嵌入式技术实训课程教学大纲、实验指导书、电子教案、实训指导、FPGA/ARM嵌入式实验箱、实验箱的使用说明、教学资源库（包括：FPGA和ARM系统的技术资料、实验模块的软硬件设计技术资料等）及实验环节考核系统等，以适应电类及相关专业的学生进行FPGA和ARM嵌入式技术课程实训，提高教学质量和教学效果。其次，将教学内容分为基础篇和提高篇，基础篇可以满足大一、大二学生工程训练的要求，让低年级学生获得嵌入式技术全方位的系统化的基础工程训练。提高篇面向三、四年级的创新班和在嵌入式方面有一些基础的大学生，面对创新项目和电子竞赛题目，一对一地指导和授课。层次化的教学内容满足了不同年级学生对嵌入式实验的需求，提升学生的专业知识、创新能力和就业竞争力。最后，在教学内容的安排上，为了使学生掌握嵌入式系统软硬件设计，能运用所学的知识进行各种嵌入式系统的开发，培养学生软硬件开发的能力。具体教学内容包括：FPGA和ARM嵌入式系统结构、FPGA和ARM嵌入式操作系统、FPGA和ARM的应用软件开发、FPGA和ARM嵌入式系统的开发软件的调试和使用等。根据不同专业的人才培养方案要求，注重学生动手能力及工程实践能力的培养，精心设计实验项目，将与嵌入式相关的课程有机结合起来，在实验教学中体现理论、实践、能力的有机结合，形成以课堂讲授+互动讨论+动手实验+科技活动相融合的嵌入式技术实践教学体系。

2.实验教学方式的改革。目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技术实训课所使用的实验平台是我们中心自己研发的FPGA/ARM嵌入式实验箱，通过调研，兄弟院校也有实验室开嵌入式课程，但大多都是买市场上成品的嵌入式实验箱如FPGA实验箱等，功能单一。我们中心自己研发的FPGA/ARM嵌入式实验箱采用全开放式的模块化设计，功能单元丰富，作为实验平台完全能够满足嵌入式实验的教学要求。在实验教学中融入了“模块化”、“自主化”、“工程化”的思想，帮助学生系统地完成从简单数字电路实验到各种复杂数字系统的设计。例如，利用实验箱里已有的模块如FPGA最小系统、液晶显示模块等搭建一个智能小车系统，学生处理用已有的资源外，要自己制作或去电子市场购买车体，还需要一下外围电路模块，如电机驱动模块等，学生可以自己制作。从硬件设计开始做起，培养学生制作电路原理图、电路PCB图，经过PCB制版，然后在自己做的PCB板上焊接元器件。再经过硬件调试，在调试好的电路板上开发设计程序，逐渐完成硬件功能的调试分析到软件编程的调试运行。整个一个过程下来，学生对FPGA嵌入式系统有了更深层次的理解，也更好地提高了学生的创新思维和实践能力。

3.实验教学改革实施效果。将本次教学改革在全校的公选课上试行，通过对60名参加FPGA和ARM嵌入式技术选修课程学习的学生的问卷调查发现，学生对改革后的FPGA/ARM嵌入式实验课程感到满意的为97%，对实验环节是否能激发学生的创新思维的认可程度为90%，对综合性实验感到收获很大的为84%。通过采用新的教学体系、内容和方法，大大提高了学生的学习兴趣，许多学生都能够主动地查找与实例相关的教学内容，包括硬件连接、寄存器设置、程序代码的编写，提高了学生主动学习的能力；通过已有的实验模块，引导学生开发新的实验模块，搭建嵌入式系统应用平台，既能够补充新的嵌入式系统知识、提高学生动手能力，又能够为学校节省经费；通过嵌入式实验的课堂培训，大大提高了学生动手能力，激发了学生对嵌入式技术的求知欲，鼓励学生多实践，参加学校组织的电子竞赛，并有机会参与到教师的课题研究中来。在学生毕业就业时，学生的就业率和就业质量也得到了大大的提高。

本文针对当前FPGA和ARM嵌入式实验教学中存在的“实验设备、实验教材及内容针对性、实用性不强，不能满足教学和社会需求”等实际问题进行研究与实践，从教学内容、教学方式、实践环节几方面提出了嵌入式实验教学的新思路，实践证明，上述嵌入式实验教学改革方案对提高学生的学习积极性、动手能力、创新能力和运用能力都有很好的作用和效果。

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1674-9324（2014）35-0248-02