機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學初探

蔣毅 章軍 平雪良 張秋菊

（江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是為了培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務，促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國轉(zhuǎn)變的重大改革項目。江南大學機械電子工程專業(yè)自入選首批“卓越計劃”后，在機械電子工程本科三年級課程體系中設置了以ARM微處理器S3C2440為對象的嵌入式系統(tǒng)原理與應用專業(yè)選修課。

長期以來，嵌入式系統(tǒng)是高等學校電子與信息類專業(yè)的一門主干基礎課程[1]，強調(diào)跨學科、跨專業(yè)的理論、方法與技術的融合應用，是一門理論與實踐結(jié)合緊密、綜合性較強的課程[2]。而對于機械類專業(yè)，在其課程體系設計中雖然包含了部分嵌入式系統(tǒng)先修課程內(nèi)容，但較少開設專門的嵌入式系統(tǒng)課程，也缺乏合適的供機械類專業(yè)本科生使用的嵌入式系統(tǒng)教材。

本文以近幾年的教學實踐經(jīng)驗為基礎，歸納了機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學特點，并探討了面向機電專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容與方法。

1 機電專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學的特點

在機電類專業(yè)開設嵌入式系統(tǒng)課程是大學本科課程自我更新的一種新的路徑，也是計算機技術發(fā)展而導致的本科課程體系更新過程中的一個自然而然的結(jié)果[3]。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛，對于機電專業(yè)本科生而言，因其在機電設備開發(fā)、控制于維護方面有著較強的應用背景知識，且具有一定的先修課程基礎，因此嵌入式系統(tǒng)課程較適合機電專業(yè)本科生的學習。

但同時，與電類專業(yè)不同，機械類專業(yè)電基礎較為薄弱，導致了機械電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學具有以下特點：

1.1 課程內(nèi)容綜合性強

嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件系統(tǒng)的綜合體[4]，在課程中要向?qū)W生講解嵌入式微處理器的基礎知識以及其他相關硬件知識，包括處理器結(jié)構、指令系統(tǒng)、寄存器設置等，又要講解嵌入式軟件方面的知識，包括Linux系統(tǒng)、交叉編譯、設備驅(qū)動程序、多進程通信等。

1.2 課程的課時有限

作為一門專業(yè)選修課，嵌入式系統(tǒng)課程設置的教學時長為32學時，而電類專業(yè)該課程一般有48學時以上的課時，甚至達到72學時，在這其中，實驗課時又有8個。由于課內(nèi)學時數(shù)偏少，較容易發(fā)生學生能夠聽懂某些細節(jié)但缺乏整體認識，或者能夠把握大框架但實際動手時一籌莫展的情況。

1.3 先修課程基礎薄弱

盡管機電專業(yè)本科生已經(jīng)有C程序語言設計、模擬/數(shù)字電子技術、微機原理、單片機接口技術、電子CAD等先修課程基礎，但受到大學教學活動短學程化的影響，學生在背景知識的掌握上存在不夠全面或不夠深入的情況。特別對于機械類學生而言，不僅計算機硬件基礎較為薄弱，軟件開發(fā)能力和經(jīng)驗欠缺，同時對操作系統(tǒng)方面的知識掌握基本空白，給嵌入式系統(tǒng)課程的教學帶來一定困難。

2 機電專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學內(nèi)容與方法

根據(jù)機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學現(xiàn)狀與特點，有針對性地確定了課程體系的設置，安排相應的教學內(nèi)容與教學方法。

2.1 教學內(nèi)容選擇

作為專業(yè)選修課，嵌入式系統(tǒng)課程的目標不是為了使學生深入掌握這一領域全面的并得到良好鞏固的知識，而是為了使學生在已有基礎上步入這一新的領域中，概括性的掌握其基本原理與基本方法，并對進一步探索該領域產(chǎn)生濃厚的興趣。

根據(jù)這一思路，針對機械類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學特點，應特別注意突出重點，合理分解難點。由于學生已有微機原理和單片機接口相關基礎，在教學中弱化了對ARM芯片作為高檔單片機使用的相關內(nèi)容。在詳述處理器結(jié)構、介紹基本指令的基礎上，僅對定時器、中斷、SDRAM、Nand Flash控制器和時鐘系統(tǒng)等資源加以介紹，并多采用C語言程序設計案例，避免學生在繁復的指令系統(tǒng)和寄存器設置體系中迷失方向。

由于機械類學生沒有操作系統(tǒng)相關背景知識，因此在嵌入式系統(tǒng)軟件學習中存在一定困難。嵌入式Linux操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境是嵌入式軟件的基礎，學生需要掌握基本的Linux系統(tǒng)命令和交叉編譯方法，而對shell程序和Makefile文件則通過案例教學呈現(xiàn)。Linux操作系統(tǒng)下設備驅(qū)動的基本思想、程序框架以及編寫步驟是課程的重點之一，體現(xiàn)了軟件與硬件的結(jié)合，因此針對這一部分，不僅安排了較多學時的課內(nèi)講解，也安排了實驗。在Linux操作系統(tǒng)下的線程、進程和進程間通信部分，由于學時限制，弱化了實際編程操作，而主要以案例和演示實驗，使學生掌握基本思想和方法。

2.2 教學方法初探

嵌入式系統(tǒng)是一門應用課程[5]，對于機械電子工程專業(yè)的本科生而言，其意義在于更好地實現(xiàn)機電一體化應用。為此，結(jié)合“卓越工程師”培養(yǎng)計劃的實施，在教學中加入了較多的應用案例，突出了學用結(jié)合的教學模式，重視對學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，建立面向工程的思維方式，掌握解決實際工程問題的科學方法。

在課堂教學中，變灌輸式教學為啟發(fā)式教學，特別注意引導學生聯(lián)系以往在微機原理和單片機接口技術課程中接觸到的8051單片機的相關概念與方法，使之對嵌入式系統(tǒng)硬件部分產(chǎn)生邏輯上的繼承和聯(lián)想，有效理解硬件的工作原理。在嵌入式系統(tǒng)軟件部分的教學中，則以學生熟悉的Windows操作平臺為例，講解嵌入式Linux操作系統(tǒng)所要解決的問題和實現(xiàn)方法，促使學生破除對這一未知領域的神秘感，并激發(fā)其進一步深入學習的興趣。

3 結(jié)束語

針對機械電子工程專業(yè)本科三年級嵌入式系統(tǒng)原理與應用專業(yè)選修課的教學特點，設置并采用了合理的教學內(nèi)容和教學方法。盡管課時數(shù)較少，在眾多知識點上無法深入講解和展開，但通過列舉實際案例，分解難點，在教學過程中能夠使學生保持濃厚的學習興趣，獲得良好的教學效果。

[1]潘登,陳啟軍.面向卓越人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學改革[J].計算機教育,2013(7):1-5.

[2]丁珠玉,張濟龍,吳永烽,等.嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學模式的研究與探索[J].西南農(nóng)業(yè)大學學報:社會科學版,2009,7(6):181-182.

[3]黃曉玲,段鳳云,趙建科.嵌入式系統(tǒng)實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2006,23(4):85-87.

[4]凌明,劉昊,時龍興.關于嵌入式系統(tǒng)課程教學過程中幾個問題的思考[J].電氣電子教學學報,2007(10):94-96,106.

[5]黃纓,劉卉.以就業(yè)為導向的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的教學體系研究[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2011(29):52-53.