嵌入式系统课程的教学改革探索

姚 霁

（西安邮电大学自动化学院，陕西 西安710121）

0 前言

随着电子信息技术的飞速发展，嵌入式系统在工业控制系统、航天军事、信息家电等领域中都有着广泛的应用。虽然几乎所有的高等院校都开设了嵌入式系统课程，然而由于嵌入式系统是一门综合性极强的课程，涉及到数电、模电、计算机和通信、微机原理等多学科的知识；尤其是嵌入式系统实践性很强，而且发展迅速，新的技术不断涌现，因此传统的嵌入式教学体系、授课方式、实验方法已经不能满足信息时代的培养嵌入式人才的需求。因此，本文针对传统的嵌入式系统教学实验中存在着的弊端，提出了一系列的改革和创新办法，旨在培养出适应时代发展和市场需求的嵌入式工程师。

1 传统嵌入式系统教学中存在的弊端

传统的嵌入式教学中普遍存在着以下问题：（1）教材陈旧，内容过时，不能适应市场发展的需求，而且教材普遍以生硬的讲概念说原理为主。（2）传统的授课方式以老师灌输为主，学生只能被动地接受知识，从而感到枯燥，无法激发学习的兴趣；而且教学和实验环节脱节。（3）传统的实验内容以验证性内容为主，缺乏设计性实验，不能培养学生的创新能力。另一方面，实验内容陈旧，和实际生活严重脱节。（4）传统的考核方式只重视笔试成绩，不能反映嵌入式系统这种实践性强的课程的特点，无法体现学生的实际动手能力和创新能力。

2 嵌入式系统教学改革的探索

为了提高嵌入式系统教学的效果，培养出符合时代发展需求的嵌入式人才，本文针对传统的嵌入式系统教学模式下存在的问题，进行了深入的调查研究和实践活动，提出了一系列的教学改革的方案。

2.1 教学内容选择针对性和合理性

嵌入式是技术与应用结合的领域，也是交叉学科领域涉及微电子、集成电路和计算机组成原理等，覆盖范围广，发展速度快。其特点决定了嵌入式系统的教学内容也需要做到与时俱进，虽然我们无法向学生传授所有新的处理器，总线协议、嵌入式技术，不是我们应当在教学内容上，保持必要的开放性，向学生阐述嵌入式德理念，让他们具备嵌入式的大脑，授之以渔!

在教材的选择上，尽量选择系统性连续的、实验内容新颖，和实际紧密结合的教材。即便如此，在实际教学中，也应当取消或者调整教材中内容陈旧，思想过时的部分，老师应该有能力做到把教学内容和行业内技术的发展趋势保持一致，甚至把自己平常在嵌入式科研项目上的一些知识有机地融入到教学内容中，尽量保持保持教学内容的鲜活生命力和可持续发展性。

基于当前的嵌入式技术的发展现状和市场的需求，我们在教学内容上，选择把“ARM硬件平台＋嵌入式Linux操作系统”作为主要的教学内容。目前市场上占主导地位的嵌入式系统90%依然是基于ARM处理器的硬件平台。因此，向学生传授基于ARM的嵌入式理论知识，不仅可以帮助学生保持市场就业的竞争能力，对于学习其它的嵌入式系统也是触类旁通的，不如正在蓬勃发展的基于INTEL处理器的嵌入式系统。而在操作系统方面，我们选择了以嵌入式Linux操作系统为主，但为了让学生充分理解嵌入式系统的开放性，对于Win CE商业操作系统，我们也作了基本的讲解，这不仅能让学生通过对比，理解不同的嵌式如操作系统的流程和特点，发掘他们之间的共性，也给学生提供了更加广泛的就业空间。

另外，老师可以根据嵌入式系统课程的知识体系，结合相关的的实验内容，把一部分的实验内容作为教学内容，在课堂上利用嵌入式的实验设备演示相关的教学内容，以激起学生的学习兴趣。

2.2 授课方式的改进

传统的嵌入式教学只是注重于理论知识的单向传播，且理论课的教学和学习主要限制在课堂，而实验课则被限制在实验室并按照设定的实验程序“依样画葫芦”。学生完全是被动的学习和接收。这种禁锢在课本和实验指导书中的封闭式的教学，极大地限制了学生的创新能力的培养。

我们将改变这种传统的结论灌输的的教学模式，在讲解嵌入式的基本理论知识的时候，我们将强调嵌入式系统和通用计算机系统的基本理论中相同点和不同点，结合学生已经学习过的单片机系统，微机原理等基本理论，以类比，对照的方法进行解析。甚至启发式地引导学生把已有的通用计算机系统知识和理论进行转换、进而映射到嵌入式平台中来，从而可以更加深刻地体会和理解嵌入式系统中的一些重点理论和特点。比如，在讲解ARM指令的时候，我们采用启发式教学，在学生已经学习的80×86汇编语言的基础之上，通过启发、对比和完善，把ARM指令和汇编语言的相同点和不同点分析出来。接着通过一些典型试验训练，让学生通过阅读和分析程序，领会其精髓。这样既可以节约课堂授课时间，也可以让学生更加深刻的理解到嵌入式平台和通用平台80×86的区别所在，从而加深对嵌入式系统特点的理解。这种启发对比式的授课方式更能让学生理解嵌入式技术的发展过程和形成背景，这样比让学生单纯的死记硬背一些结论性的概念更有实际意义。

其次，我们将推行以实验为主的教学方法，打破传统的课堂教学理论与实验课完全独立的授课方式，将理论知识的学习贯穿到试验中，以实验来促进理论知识的吸收。也就是以实例、实验为主线，实行讲授与实验一体化的教学方法。首先，在课堂上利用嵌入式仿真器、实验箱等实验设备演示实验项目，先让学生看到实验的过程及其结果，变抽象为具体，变枯燥为有趣，激起学生的学习兴趣。其次，适当地将课堂搬到实验室，充分利用实验室的资源，结合试验，讲授理论知识。再次，根据嵌入式系统课程的知识体系，设计出与各项内容相适应的实验内容，一方面在授课的时候，以实验内容为教学内容编成讲义，以讲义为主，教材为辅；另一方面，在实验中，以实验的方式巩固教学内容。最后，鼓励学生自己动手做实验，自己去分析实验中涉及的硬件、编程方法及实验目的。让学生从试验的被动接受者变为实验的主动构建者和创新者，让学生体会到科学试验的乐趣和魔力，激发他们学习的兴趣。

2.3 改进实验内容和方法

嵌入式系统是一门实践性很强的课程。在嵌入式系统教学中，实验是学生掌握嵌入式系统设计技术的关键。通过实验，不仅可以帮助学生巩固理论知识、增加学生对嵌入式系统的感性认识，提高学生的学习兴趣；而且可以帮助学生理解嵌入式系统的开发和设计流程，全面掌握嵌入式系统的设计技术、硬件基本体系和结构、系统运行模式、嵌入式软件开发、系统调试与验证方法等，使学生具有一定的嵌入式系统开发知识和能力。

首先，我们要改变的传统的实验课的授课方式，打破先上理论课，再上试验课的传统模式，将理论课和实验课结合起来，边教学边实验，理论教学和实验练习充分结合。其次，改进传统的的实验内容设计，一方面结合教材内容，设计出一些基础实验，帮助巩固理论知识；更重要的是选择生活中能见到的嵌入式的应用实例，设计出系统实验内容，容易激发学生的学习兴趣和动手实践的愿望！再次进一步拓展实验内容，注入一些新颖的，与现代企业嵌入式应用技术紧密联系的实验课题，引导学生尽可能多地接触国内外工业界的嵌入式系统设计开发实例，一方面来弥补课内实验教学在内容上的不足，同时还能拓展学生的视野，提高就业能力。最后，鼓励学生自己设计实验内容，自主查阅整理资料，确定实验主题和试验目的，讨论解题思路与设计原理，自主完成程序流程图、开发程序、上机调试等。这种自主式的实验训练不仅锻炼了学生的科研、创新和实际解决问题的能力，而且也帮助老师丰富了教学资源，也促进了老师的提高，真正体现了教学相长的新型教学理念。

当然，在进行实验教学时，还是应当遵循循序渐进的方式，由易及难，由浅入深。让学生基于对嵌入式理论的理解，从而系统地理解嵌入式系统的设计过程、掌握开发工具和验证方法。另外，这种实验改革的创新，决不是一味的让学生独自承担创新的任务，老师的作用不仅仅是负责实验内容的改革和创新。在实际的实验教学中我们发现，如果老师能和学习一起参与到具体的实验中，一起实现实验中的硬件设计。比如液晶显示控制实验，当学生看到老师通过连线、编程，可以实现LCD显示汉字字符、彩色位图等的实验结果后，自己一定很想试试。这样就大大激发了学生的实验积极性。另外，学校在条件允许的情况下，应当提高更好的嵌入式实验条件，老师应当为学生创造宽松的实验环境。比如尽可能的开放实验室，改变传统的只能在实验课做实验的模式，让学生充分利用实验室提供的实验器材、设备和环境等资源来完成实验。不仅让学生享受到实验成功本身的成就感，而且能让学生感受到自由创新的自豪感。

所有的实验，都是为了提高学生的知识水平和实践能力，培养他们自主创新的能力。于是，我们鼓励学生积极参加各种嵌入式竞赛，去证明自己的能力。老师则给他们必要的赛前集中培训，这种培训，不仅仅是简单的编程能力的培训，更是对嵌入式系统知识的升华，对于培养学生积极思考、努力探索、和解决实际问题的应变能力都有极大的意义。最近几年我校的学生参加了不少的嵌入式系统设计大赛，比如：大学生电子设计大赛、飞思卡尔智能车大赛、博创杯嵌入式大赛等，都取得了不错的成绩。这对培养学生的应用能力和积极参与竞争的意识有着重要的意义。

2.4 改进的课程考核办法

传统的嵌入式系统课程的考核由笔试成绩和平时实验成绩组成，而实验成绩仅仅通过实验报告来考核。这种考核方式对于嵌入式系统这种实践性很强的课程，缺乏必要的区分度，一方面会使学生陷入死记硬背理论知识的老胡同里，另一方面也很容易让学生出现重实验报告，轻实际操作的弊病，不能真正考核学生的实际能力。因此我们不仅需要改进传统的闭卷考试方式的方法，而且也要减少简单的理论成绩和实验成绩加成带来的弊端。基于对学生实践能力的培养，因此在考核的评定办法上我们应当格外强调实验中的表现。改革的考核办法如下：（1）平时成绩以参考实验中的表现为主，书面的实验报告为辅，这就要求老师要观察学生在试验中的表现，而不是仅仅通过课后的实验报告的数据和结果来打分。（2）期末评定时，不仅要减少理论课笔试成绩的比例，而且在理论笔试中，尽量避免死记硬背的题型测试，并重点考察学生对知识的理解程度和应用能力。（3）在期末考试中，不仅要增加专门的实验测试环节，而且要提高实验测试成绩载期末总评中的比例。实验测试时，有学生当场抽取自己的实验测试题；实验测试题除基本要求外，还给学生提供必要的发挥空间，能让实际动手能力较强的同学又充分发挥表现的空间。（4）对于平时或者假期参加了嵌入式大赛的学生，或者参加企业的实际嵌入式项目实践的学生，或者参加了自主创新实验实践活动的学生给与适当的附加课外创新成绩。

3 结束语

嵌入式系统是一门综合性、应用性、时效性很强的课程。本文针对传统的嵌入式系统教学中存在的弊端，提出了一系列关于课程内容建设、授课方式改进、实验内容创新、考核办法改革的方案和措施，目的在于保持嵌入式系统课程的开放性和创新性，保证其长期发展的生命力和活力，改善教师的教学方法和实验方法,以此来提高学生的学习兴趣,培养学生的实践能力、创新能力,培养出更多优秀的嵌入式工程师。

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