嵌入式系统教学的探索和实践

张庆辉 王学梅

摘 要：在分析了嵌入式系统教学的特点和现状的基础上，研究了嵌入式系统教学模式，包括理论教学、实验教学和课程设计，提出实验环节在嵌入式系统教学中的重要地位，重点分析了课程设计的教学模式。

关键词：嵌入式系统 教学 探索 实践

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）04（a）-0113-02

近年来，随着科技的发展和社会需求的推动，嵌入式技术及其应用已成为当今世界IT行业研究和应用的热点。随着网络技术和通信技术的发展，嵌入式系统的发展和应用有了有力的技术支持和巨大的市场前景。嵌入式系统已经在国防、航天航空、机器人、移动通讯、医疗仪器、工业控制、汽车电子、信息家电、仪器仪表、数码产品等诸多领域广泛应用。社会对掌握嵌入式技术的人才需求越来越大，但目前相关技术人才却严重匮乏，可以预见，嵌入式工程师将成为未来几年内最为热门的职业之一。

嵌入式领域的人才需求日益旺盛，人才缺口在逐步扩大，目前很多高职高专院校的相关专业都针对市场需求开设了嵌入式系统相关课程；但是由于嵌入式系统具有实践性和应用性极强的特点，多数院校嵌入式系统教学起步较晚，普遍存在设备更新缓慢的问题，或者受人才储备不足以及教学改革研究经费难以保障等因素的影响，在嵌入式系统教学上障碍重重，缺乏嵌入式系统人才的问题已经阻碍嵌入式产业可持续发展的重要问题之一[1]。因此，嵌入式系统的人才培养问题是高校嵌入式系统教学正在面临与必须解决的问题。为更好地为社会培养实践型、技能型人才，本文对嵌入式系统教学改革进行了探索和研究。

1 嵌入式系統教学特点和现状

与国外相比，我国嵌入式系统起步较晚，真正得到发展还是近几年的事情。高等院校作为培养嵌入式人才的主要基地，课程零散，无系统性，还没有形成统一的教学体系和人才培养模式，还没有发挥各个课程间的协同优势，没有一个全局的教学规划，是各大高校教学中亟待解决的共同难题。

（1）现在国内的部分高校对嵌入式技术的概念模糊，对内容没有彻底了解。如何同大学的前期课程的学习结合起来，这是教学的关键所在。另外，需要合理的规划和研究如何确定主流的微控制器芯片和主流的操作系统。

（2）实践性强是嵌入式系统课程的特点，对于初学者，必须有足够的必要实验环节和重要的验证性实验，这样教学过程就不会简单枯燥、内容乏味，学生也不会失去兴趣；否则，老师教好、学生学好将是无从谈起。所以说开展好实践教学非常重要。

（3）学生专业不同，所掌握的背景知识不同，具体表现在：计算机类专业学生的电路与硬件基础薄弱，对模电数电知识模糊；而电子类专业学生软件基础薄弱，不具备操作系统的相关知识，虽然都学过“电路”、 “C语言编程”等课程，但是他们一般都缺乏大型软件项目的开发经验，尤其缺乏操作系统方面的相关知识。因此在嵌入式系统课程体系中，针对不同的学生，需要首先增加一些用于弥补学生硬件电路、软件知识和操作系统的课程。

2 嵌入式系统教学模式探索

2.1 理论教学

学生在校期间的学习时间毕竟有限，而嵌入式控制领域又涉及到很广的知识面，需要学习很多东西，并且知识枯燥。为解决这个矛盾，嵌入式系统课程的目标是：实验教学辅助理论教学，以理论教学为主，以实验教学为辅，通过教学培养研究开发型人才。因此本课程的教学模式最好采取“启发-强化-实践”逐步深入的方法。课程教学的前期要通过讲述嵌入式控制系统的优越性及其广阔的应用前景，来调动和激发学生的学习兴趣。

教学中间阶段是对课程基础知识的学习和强化。国家标准对于嵌入式系统的定义是这样的：置入应用对象内部起操作控制作用的专用计算机系统。即凡是能置入一个大的对象内部、起到控制作用的芯片就可以叫嵌入式系统。实际上最基础、最典型的嵌入式系统就是单片机系统。嵌入式教学的起步应该是教授8位单片机系统。随着单片机等微处理器的应用越来越广泛，8位单片机的处理速度、存储容量和开发手段等方面越开越不能满足需要，于是开始向更高的处理速度、更方便的操作方式以及16位和32位系统进展[2]，例如DSP、ARM等，最后出现了能够支持操作系统的嵌入式芯片和技术[3～4]，比如SOPC。而对于芯片而言，根据不同的厂家，有多种选择，同一个厂家也根据处理速度和管脚多少有不同的产品。操作系统一般应用嵌入式Linux系统，或者Windows CE系统，能够放在很多嵌入式芯片上应用，比如ARM和FPGA。所以当我们循序渐进的教学时，应当先从单片机入手，熟练后学习ARM的有关知识，最后是Linux操作系统的掌握。

课程学习的最后阶段是实践应用环节，该阶段可以验证学生对所学知识的理解和掌握情况，能够让学生充分理解和掌握嵌入式芯片的工作原理和软硬件开发平台。课程的实验环节主要包括实验教学、课程设计以及科研训练项目。

2.2 实验教学

在嵌入式系统课程教学中，实验教学非常重要。本文结合自己的教学和实践经验，主要介绍实验教学环节的实施过程。该过程是这样的：以工程应用为主，循序渐进、逐渐深入。课内实验是必修教学环节，包含验证性实验和设计性实验。验证性实验以各种专用实验箱为主，与相应的课堂教学同步进行，配合相应的理论课学习，采用理论授课与动手实验相结合的方式。通常单片机实验是这样的，依赖某一个特定的实验箱或是实验板，提供了几个固定的经典实验。学生通过这样的试验箱，能够快速的学习各个模块的使用，亲自验证各个功能模块的实验，记忆深刻，等到综合性实验时就可以灵活运用它们了。同时验证课堂上学到的相关理论知识，使学生加深对理论知识的理解和掌握；了解嵌入式系统的集成开发环境、调试工具和测试工具的使用方法[5]，了解嵌入式系统的开发流程。

设计型实验则在理论课所学知识的基础上，自行设计相关应用型实验。在充分验证课堂上所学到的理论性知识的同时，培养学生的自主动手设计能力。实验中，老师根据知识难易程度给出实验课题，要求在学生掌握单片机或者ARM架构、寻址方式、指令系统和外围接口等知识的基础上，提倡学生自主设计实验方案，自行设计外围电路，编写实验程序，调试运行，使学生具备在嵌入式平台上设计开发的能力。对于嵌入式微处理器，该能力包括汇编语言编程、C语言编程及汇编语言和C语言混合编程、调试及对外围接口编程和运用能力。同时学校提供一些核心板和功能扩展模块，配合学生的设计性实验。

2.3 课程设计

（1）课程设计的重要内容是综合性实验。在验证性实验和设计性实验的基础上，在课程结束时进行课程设计。根据老师给定的一些综合性选题，学生自由选择感兴趣的题目，根据整个课程的知识，利用学校实验台资源，制定出实验方案和步骤。通过设计硬件电路，编写程序，仿真调试，独立完成一个比较复杂的综合性实验项目。通过课程设计的综合性实验，使学生掌握嵌入式系统的开发流程，对嵌入式系统设计有更深入的理解，并初步具备进行具体应用和综合设计的能力。

（2）引入案例教学和项目教学模式，激发学生学习的积极性。针对社会对应用型人才的要求，结合学生的情况和学科的前沿技术，引入以案例教学和项目教學为主体的教学模式，遵循“学以致用、以用促学、边学边用、熟能生巧、追求创新”的理念。嵌入式课程教学可以一开始就可以下达课程设计任务让学生选择与了解，课题可以选用教师教学科研项目和各种大学生创新竞赛项目。这样可以让学生更积极地去学习实践环节，学生从“强迫学”变成“主动学”，同时学生也比较了解自己将要用到什么知识需要学什么知识。另外，实际应用能力的提高让学生更有动力，使他们充分利用课余时间，既巩固了知识点，又提高了设计经验。

（3）建立学生为主力的研发团队。对于基础牢、悟性高、有一定开发能力的学生，通过选拔建立研发团队，教师引进横向课题，带领学生完成这些面向应用的创新性项目。践行“导师负责制”，筛选一批技术扎实、专业经验丰富的教师队伍，亲手指导和教授学生，形成一支教师为带头人、学生为主力军的研发团队。同时在实践教学中，强调以学生为认知的主体，通过学生的“感受”提出问题，在教师的指导下解决问题，能够在大学期间更好地提高自己的工程实践和创新能力。

3 结语

上述教学改革措施，以培养创新型人才为目标，把理论教学与实践教学有机结合起来，进而提高嵌入式系统应用的综合素质，使学生能成功地运用嵌入式芯片这门工具进行创造性开发设计。

参考文献

[1] 李成华，江小平.嵌入式Android操作系统实践教学改革[J].石家庄：教育教学论坛，2011，20（7）：153-154.

[2] 范剑，李军，夏如艇.单片机课程现场实验教学改革与实践[J].北京：中国教育技术装备，2012，3（6）：63-64.

[3] 高国旺，党瑞荣，任志平.DSP课程教学改革与创新实践探索[J].北京：理工高教研究，2010，29（1）：131-133.

[4] 倪福银，朱幼莲，钱志文.“DSP技术与应用”课程教学改革研究[J].南京：江苏技术师范学院学报，2010，16（6）：85-88.

[5] 宋金华.单片机实验教学的研究[J].成都：中国西部科技，2011，30（10）：93-95.