ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法研究及實(shí)踐探索

馮濟(jì)琴 朱 革 陳古波

重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400054

ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法研究及實(shí)踐探索

馮濟(jì)琴 朱 革 陳古波

重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400054

目前ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的教材理論知識(shí)偏難、學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間太少、缺乏創(chuàng)新能力等現(xiàn)狀，在該課程的教學(xué)改革中將書本理論知識(shí)、仿真實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目化教育三者結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容循序漸進(jìn)，讓學(xué)生真正學(xué)懂，學(xué)以致用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，取得了較好的教學(xué)效果。

ARM嵌入式系統(tǒng)；仿真實(shí)驗(yàn)；項(xiàng)目化教育；創(chuàng)新能力

為適應(yīng)社會(huì)需要，我校在原有51單片機(jī)課程上開設(shè)了ARM嵌入式系統(tǒng)課程，該課程是學(xué)生綜合應(yīng)用其他專業(yè)知識(shí)的重要課程，在電類專業(yè)中起著非常重要的作用，很受學(xué)生歡迎。我校每年都有近20個(gè)班的學(xué)生選修ARM嵌入式系統(tǒng)課程，筆者連續(xù)4年都承擔(dān)51單片機(jī)課程和ARM嵌入式課程的教學(xué)任務(wù)。為進(jìn)一步提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，通過多種形式和學(xué)生交流，了解他們的需求，并結(jié)合實(shí)際工程開發(fā)中對(duì)ARM嵌入式系統(tǒng)的需要，認(rèn)為該課程目前的教學(xué)存在以下問題。

1.1 教材理論知識(shí)偏難

因?yàn)锳RM嵌入式技術(shù)是一門新興技術(shù)，目前該課程的教材偏少，而且大部分教材中的理論知識(shí)偏多、難懂，學(xué)生課后參考資料極少，因此學(xué)生起初熱情大，但后來越學(xué)越不懂，導(dǎo)致最后學(xué)生不愛聽，教師教學(xué)也困難。即便是大部分高校采用的教材《ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》[1]，書中雖然引入了許多例子，但這些例子多以芯片手冊(cè)描述的方法來編寫，很少有完整的例子來講解一個(gè)模塊，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)比較孤立。學(xué)生學(xué)習(xí)后很難將這些孤立知識(shí)點(diǎn)前后聯(lián)系，而嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在應(yīng)用中又要求對(duì)所有知識(shí)融會(huì)貫通，這樣才能學(xué)以致用。學(xué)校在近幾年的教學(xué)實(shí)踐中，仍然選用該教材，但是在教學(xué)內(nèi)容順序上做了調(diào)整，使理論學(xué)習(xí)由淺入深。

1.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)間太少

嵌入式系統(tǒng)類課程最重要的就是實(shí)踐，通過實(shí)踐，才能將所學(xué)知識(shí)鞏固并靈活應(yīng)用。但是目前該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間開設(shè)為16個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間太少[2]，不利于知識(shí)的消化和吸收。即便是能保證充足的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，學(xué)生所完成的幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)也只是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中大多只是按照指導(dǎo)書給出的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，不能靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。這樣的實(shí)踐方式使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍然是理論與實(shí)際脫節(jié)，達(dá)不到理想教學(xué)效果。如果在課堂教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，更能讓學(xué)生將理論和實(shí)際聯(lián)系起來；更重要的是，學(xué)生在課后能自己建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不再拘泥于只在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，而是會(huì)擁有更多的課后實(shí)踐機(jī)會(huì)。

1.3 學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)不能融會(huì)貫通

該課程的核心內(nèi)容大都是以模塊形式來講解的，如GPIO模塊、定時(shí)器模塊、PWM模塊等，這些知識(shí)在教師講解和學(xué)生搭建虛擬平臺(tái)實(shí)踐后，都能基本被學(xué)生掌握。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)后，也都把這些模塊當(dāng)做是孤立的模塊，往往不能前后聯(lián)系，不能靈活應(yīng)用。因此學(xué)生在參加一些電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽或者科研創(chuàng)新活動(dòng)時(shí)，需要綜合知識(shí)。雖然大部分學(xué)生嵌入式系統(tǒng)各模塊知識(shí)都學(xué)得很好，但就是不會(huì)靈活應(yīng)用，不知如何應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來完成自己的項(xiàng)目。針對(duì)這點(diǎn)，在完成教程各模塊內(nèi)容后，將書上知識(shí)點(diǎn)串成一些項(xiàng)目，把理論融入項(xiàng)目實(shí)踐中講解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣，提高了他們的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)方法

針對(duì)上述教學(xué)現(xiàn)狀，我們提出一套新的ARM嵌入式課程教學(xué)方法，而且在實(shí)踐中取得了較好的教學(xué)效果。

2.1 教學(xué)內(nèi)容順序調(diào)整

目前高校開設(shè)ARM嵌入式系統(tǒng)這門課程大都使用《ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》，該教材相對(duì)于其他教材而言，更適合工科類學(xué)生使用。但是該教材也存在一些缺點(diǎn)。例如在內(nèi)容編排上，該書前部分較多枯燥理論知識(shí)，后面章節(jié)才是具體應(yīng)用，這種編排比較教材工程技術(shù)人員，不太適合高校學(xué)生學(xué)習(xí)。而學(xué)生學(xué)習(xí)教材內(nèi)容宜由淺入深，先提高其對(duì)嵌入式系統(tǒng)的興趣，這樣才能對(duì)后面的學(xué)習(xí)起到事半功倍的效果。因此在教學(xué)過程中，依據(jù)學(xué)生的興趣和心理特點(diǎn)，將教材內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

例如第四章和第五章內(nèi)容調(diào)整前后對(duì)比(見表1)。

4.9 向量中斷控制器 4.9 SPI接口4.10 外部中斷輸入 4.10 I2C 接口4.11 定時(shí)器0和定時(shí)器1 4.11 UART0和UART1 4.12 SPI接口 4.12 A/D轉(zhuǎn)換器4.13 I2C 接口 4.13 看門狗4.14 UART0和UART1 4.14 脈寬調(diào)制器4.15 A/D轉(zhuǎn)換器 4.15 實(shí)時(shí)時(shí)鐘4.16 看門狗 4.16 存儲(chǔ)器尋址4.17 脈寬調(diào)制器 4.17 系統(tǒng)控制模塊4.18 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 4.18 存儲(chǔ)器加速模塊5.1 最小系統(tǒng) 4.19 外部存儲(chǔ)器控制器

調(diào)整后內(nèi)容由淺入深，而且內(nèi)容安排順序上和開設(shè)的51單片機(jī)課程類似，先硬件再軟件，先實(shí)物后理論。這樣讓學(xué)生從感性到理性的學(xué)習(xí)，對(duì)該課程不再感到枯燥。同時(shí)，適合學(xué)生學(xué)習(xí)51單片機(jī)后形成的思維模式，更易學(xué)習(xí)ARM，同時(shí)也能更好地將51單片機(jī)課程和ARM課程相結(jié)合，尋找其共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，做到嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)中“一通百通”的效果。

2.2 虛擬仿真平臺(tái)的搭建

傳統(tǒng)的ARM開發(fā)平臺(tái)不但價(jià)格高昂，一般高校實(shí)驗(yàn)室也不具備每個(gè)學(xué)生單獨(dú)使用1套開發(fā)平臺(tái)的條件，并且實(shí)際電路連線不可更改。加之實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間是有限的，學(xué)生也無法在短時(shí)間內(nèi)將所有實(shí)驗(yàn)消化吸收。如果使用EDA技術(shù)建立嵌入式虛擬仿真平臺(tái)，使學(xué)生自己可以在課后完成以前必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)，這樣，他們有充分的時(shí)間消化、吸收、再學(xué)習(xí)，且對(duì)自己所學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)自我摸索和提升。

虛擬平臺(tái)搭建的主要工具是Proteus和Keil軟件。Proteus是由英國(guó)Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)，可以仿真微處理器及其外圍電路，且提供軟件調(diào)試功能。Keil是國(guó)際知名軟件公司Keil公司開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，是目前嵌入式系統(tǒng)51和ARM微控制器的主流開發(fā)工具。

利用上述兩款軟件，可完成ARM嵌入式系統(tǒng)課程中大部分知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)仿真，如GPIO、外部中斷輸入、定時(shí)器0和定時(shí)器1等模塊。

例如，在向?qū)W生講解GPIO這部分知識(shí)的時(shí)候，可以讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上利用Proteus搭建硬件平臺(tái)。例如，通過P0.17和P0.18分別連接不同顏色的LED燈，作為輸出口，P0.19口接按鍵作為輸入口。然后通過Keil軟件編寫程序，從而讓學(xué)生練習(xí)GPIO的輸入輸出功能，以達(dá)到掌握GPIO的學(xué)習(xí)內(nèi)容的目的。

2.3 理論聯(lián)系實(shí)際，融入項(xiàng)目化教育方法

即使在該課程中引入虛擬平臺(tái)，學(xué)生在一定程度上可以很好地消化課堂的理論教學(xué)，但是所學(xué)知識(shí)點(diǎn)不能串在一起，在真正應(yīng)用的時(shí)候也是無從下手，更談不上創(chuàng)新。因此在整個(gè)教程內(nèi)容完成后，綜合前5章所有知識(shí)點(diǎn)，以一個(gè)簡(jiǎn)單項(xiàng)目為例，將項(xiàng)目化教育引入課程教學(xué)中，使學(xué)生能將理論與實(shí)際結(jié)合起來，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

具體在項(xiàng)目化教學(xué)過程中，可以將學(xué)生分為幾個(gè)項(xiàng)目組，讓學(xué)生分工合作來完成項(xiàng)目。近幾年的教學(xué)過程中，我們實(shí)踐過許多小項(xiàng)目，具體實(shí)施建議分以下幾步：

(1)確定項(xiàng)目任務(wù)；

(2)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，各組進(jìn)行任務(wù)分工，明確各自任務(wù)；

(3)方案實(shí)施；

(4)項(xiàng)目總結(jié)及經(jīng)驗(yàn)交流。

在整個(gè)項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施過程中，教師應(yīng)起引導(dǎo)性作用，及時(shí)解決學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所遇到的問題。學(xué)生在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中必須分工合作，具有團(tuán)隊(duì)精神。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生不僅需要將所有知識(shí)綜合運(yùn)用，更需要具有創(chuàng)新能力，這樣才能完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過教學(xué)順序的調(diào)整，使課程內(nèi)容由難變簡(jiǎn)，深入淺出，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論過程中循序漸進(jìn)，與學(xué)過的51單片機(jī)做比較學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)變得較輕松。在學(xué)習(xí)過程中，可利用現(xiàn)有條件搭建虛擬平臺(tái)，讓學(xué)生不僅在課堂上也可在課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓所學(xué)知識(shí)得到鞏固。在所有知識(shí)點(diǎn)完成后，以一個(gè)小項(xiàng)目總結(jié)前面所學(xué)知識(shí)，這讓學(xué)生對(duì)該課程更有興趣，既拓寬了學(xué)生知識(shí)面，又提高了學(xué)生的綜合能力和動(dòng)手能力，使學(xué)生在教學(xué)教學(xué)過程中占主導(dǎo)地位。課程改革的實(shí)際應(yīng)用效果較好，但是教學(xué)改革任務(wù)艱巨，需根據(jù)實(shí)際情況不斷對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)學(xué)生及社會(huì)需要。

[1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[2] 鄧春健,李文生,楊亮,等.ARM嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2010,3.

Research and practice on teaching method of ARM embedded system

Feng Jiqin, Zhu Ge, Chen Gubo
Chongqing university of technology, Chongqing, 400054, China

A lot of negative factors are existing in ARM embedded system teaching, such as diff culties in theoretical knowledge of books, insuff cient time for experiments, def ciency in innovation ability and so on. In order to make students understand and apply ARM embedded system completely, theoretical knowledge of books, simulation experiments and project education were integrated together and taught students step by step in education reforms. In this way, students' learning interesting could be increased, and operation ability and innovation ability could be improved. As a result, good teaching effects could be obtained.

ARM embedded system; simulation experiments; project education; innovative ability

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)日漸普及，在通訊、網(wǎng)絡(luò)、工控、電子等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。同時(shí)隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式人才的需求量也在逐年增加，人才缺口逐漸擴(kuò)大。對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)作為一門新興技術(shù)，涵蓋了電子、信息、計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，因此對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)也提出更高要求和挑戰(zhàn)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

2011-11-24

馮濟(jì)琴，碩士，副教授。

重慶理工大學(xué)高等教育項(xiàng)目(編號(hào)：11002)。