“軟件與硬件相結(jié)合，課程與實驗互補充”的嵌入式課程教學(xué)改革與實踐

徐湛

摘 要：本文針對信息工程相關(guān)專業(yè)開設(shè)的應(yīng)用技術(shù)類課程《嵌入式系統(tǒng)及用》，以卓越工程師培養(yǎng)為指導(dǎo)思想，研究分析該類課程在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面的特點，推行軟硬件相結(jié)合的嵌入式課程教學(xué)方法，構(gòu)建循序漸進的嵌入式實踐教學(xué)體系，從而探索了多樣化的嵌入式教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：信息與通信工程； 軟硬件協(xié)同設(shè)計； 實踐教學(xué)

【中圖分類號】TP311.52

1 引言

目前，很多高校進入卓越工程師培養(yǎng)計劃，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合掌握應(yīng)用技術(shù)類課程的軟硬件知識，具備自主學(xué)習(xí)、研究創(chuàng)新、以及解決通信及信號處理中相關(guān)工程問題的實踐能力。其中《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要課程。

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)涉及到數(shù)字電子、模擬電子、計算機和通信等多學(xué)科的知識，實踐性很強，該課程對于學(xué)生掌握專業(yè)技術(shù)知識，獲得實用職業(yè)技能，增強就業(yè)競爭力具有十分重要的意義[1]。因此不斷地改進和完善嵌入式教學(xué)內(nèi)容和方法，是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的重要途徑。

由于嵌入式課程的知識綜合性較強，因此應(yīng)該根據(jù)學(xué)生所在的專業(yè)綜合考慮，選擇相應(yīng)的嵌入式教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法。但目前的教學(xué)往往忽視了學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，導(dǎo)致學(xué)生很難系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的實際技術(shù)。并且許多學(xué)校在嵌入式教學(xué)上用一些傳統(tǒng)的教學(xué)方法進行講授，學(xué)生接受起來比較困難，沒有達到理想的教學(xué)效果。對于通信工程專業(yè)的《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程教學(xué)，如何合理選擇嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)內(nèi)容，采取更為有效的教學(xué)方式與方法，培養(yǎng)真正掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)技能、符合社會需求的嵌入式人才成為當(dāng)前非常重要的研究課題。

“軟件與硬件相結(jié)合，課程與實驗互補充”的嵌入式課程教學(xué)改革與實踐，一方面研究將C語言和匯編語言程序設(shè)計與以ARM為主的嵌入式硬件架構(gòu)相結(jié)合，將軟硬件協(xié)同設(shè)計思路引入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[2]。另一方面，研究課堂教學(xué)如何與實踐教學(xué)更為緊密的互相支撐，“將課堂帶進實驗室”，也 “將實驗室引入課堂”，從而探索多樣化的嵌入式教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

2 推行軟硬件相結(jié)合的嵌入式課程教學(xué)方法

隨著軟件無線電等技術(shù)的發(fā)展，軟硬件開發(fā)的一體化趨勢日益顯現(xiàn)，軟硬件協(xié)同設(shè)計成為發(fā)展趨勢[3]，《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程也需要學(xué)生們具有能夠綜合運用軟件設(shè)計和硬件設(shè)計的能力?！禖語言程序設(shè)計》和《單片機應(yīng)用技術(shù)》課程一般為該門課程的先修課程，因此采用基于“軟件與硬件相結(jié)合”的課程建設(shè)是有可能的，也是有必要的。通過課程的學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，創(chuàng)新思維，提高軟硬件協(xié)同設(shè)計能力。另一方面，從目前的人才市場需求情況來看，許多企業(yè)和公司對于具備軟件與硬件開發(fā)能力的復(fù)合型人才需求日益迫切，因此，開設(shè)軟硬件協(xié)同設(shè)計課程可以為學(xué)生今后從事信息與通信工程相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)。開展該研究對于信息與通信工程相關(guān)學(xué)科專業(yè)建設(shè)也具有重要意義。

在我校課程建設(shè)中首先系統(tǒng)梳理了《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程知識點，以及各知識點在各門先修課程之間的相互關(guān)系。如圖1所示：

然后，從軟硬件環(huán)境兩個方面，設(shè)計教學(xué)大綱，具體如下：

硬件環(huán)境包括：討論各種流行嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)；嵌入式系統(tǒng)中的存儲技術(shù)；典型外圍設(shè)備、總線介紹；電源系統(tǒng)與功耗管理。

軟件環(huán)境包括：系統(tǒng)的啟動與初始化；嵌入式操作系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的匯編語言與C語言的結(jié)合；驅(qū)動程序設(shè)計方法；嵌入式系統(tǒng)中的圖形化設(shè)計。

如上所述教學(xué)內(nèi)容中的軟硬件結(jié)合知識點很多，如嵌入式系統(tǒng)其底層開發(fā)環(huán)境為基于ARM等嵌入式處理器的開發(fā)板及相應(yīng)的硬件驅(qū)動，中間層為操作系統(tǒng)，上層為API接口及應(yīng)用程序開發(fā)。只有兼具軟件及硬件相關(guān)專業(yè)知識才能進行完整的嵌入式開發(fā)。因此，在我?！肚度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用》課程建設(shè)中擬采用基于軟件與硬件相結(jié)合的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生理解嵌入式中的軟硬件基礎(chǔ)知識，掌握軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，成為兼具軟件與硬件開發(fā)能力的復(fù)合型人才。

3 構(gòu)建循序漸進的嵌入式實踐教學(xué)體系

該課程是一門實踐性相當(dāng)強的課程，傳統(tǒng)實驗教學(xué)缺乏嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的完整開發(fā)流程和開發(fā)要領(lǐng)，無法使學(xué)生邊學(xué)習(xí)理論知識的同時進行實踐，實驗課中僅僅能夠按照實驗指導(dǎo)書內(nèi)容機械地完成課堂內(nèi)設(shè)計好的實驗，使得學(xué)生缺乏解決實際問題的能力。學(xué)生在學(xué)完該課程后，僅僅是記住了幾個概念，沒有掌握如何進行實際嵌入式開發(fā)的能力。

因此，在課程的教學(xué)改革中需要進一步構(gòu)建循序漸進的嵌入式實踐教學(xué)體系[4]，打破傳統(tǒng)的課堂授課與實驗單獨上的方式，將兩者更緊密的結(jié)合，實行講授與實驗一體化的教學(xué)。既能夠“將課堂帶進實驗室”，也能夠“將實驗室引入課堂”，從而探索多樣化的嵌入式實踐教學(xué)方法。

具體實施如下：

（1） 將教學(xué)課堂搬到實驗室，充分利用實驗室資源。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程的知識體系，開發(fā)出與各項內(nèi)容相適應(yīng)的實驗內(nèi)容，由任課教師事先調(diào)試通過后，整理成實驗項目的形式，以實驗內(nèi)容為教學(xué)內(nèi)容編成講義，以講義為主，教材為輔。在實驗室中，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗需要回想軟硬件知識點，利用實驗箱等教學(xué)手段提高學(xué)生興趣。例如，可讓學(xué)生將自己喜歡的照片作為實驗箱的開機歡迎界面，讓學(xué)生自己動手做該實驗，即學(xué)即用，使學(xué)生在自主實驗中逐漸加深理解，進一步體會該實驗中所學(xué)到的知識，以取得事半功倍的教學(xué)效果。

（2） 將實驗室搬到教學(xué)課堂

課堂上可充分利用多媒體及網(wǎng)絡(luò)資源，通過遠程訪問實驗室設(shè)備或者將仿真器、實驗箱等儀器搬至課堂上進行演示教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的同時看到實驗的過程及其結(jié)果，變抽象為具體，變枯燥為有趣，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后再圍繞本次實驗內(nèi)容，講解該實驗中涉及的硬件、編程方法、程序及達到的目的。 （3） 鼓勵學(xué)生積極參加各種競賽 在參與各類嵌入式競賽的過程中學(xué)生會積極思考，努力探索，有針對性地去學(xué)習(xí)、討論，這對培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和積極參與競爭的意識有很重要的意義。最近幾年我們學(xué)校參加了大學(xué)生電子設(shè)計大賽、博創(chuàng)杯嵌入式大賽等多項嵌入式競賽，參賽結(jié)束后同學(xué)們都有較大的收獲。

通過將課堂授課與教學(xué)實踐相結(jié)合，有助于學(xué)生不僅可以通過課堂教學(xué)與實踐扎實地掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理，又能夠提高其動手實踐、綜合解決實際工程問題的能力。

4 結(jié)論

本文通過將嵌入式課程中的知識點進行系統(tǒng)梳理，引入軟件與硬件相結(jié)合的設(shè)計思想；將課程理論教學(xué)與實驗結(jié)合起來互為補充，使得實驗室和課堂教學(xué)有機整合，從而實現(xiàn)了講授與實驗一體化的教學(xué)。利用經(jīng)驗學(xué)習(xí)循環(huán)圈理論指導(dǎo)嵌入式課程教學(xué)，讓學(xué)生了解一個完整嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計流程與工作機理，通過實際動手操作來學(xué)習(xí)硬件的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的原理。培養(yǎng)學(xué)生具有扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)的同時，積累較豐富的軟硬件協(xié)同設(shè)計及實踐經(jīng)驗，并具有一定的創(chuàng)新能力和綜合運用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力，成為能夠在通信領(lǐng)域中從事研究、設(shè)計、制造、運營以及在國民經(jīng)濟各部門和國防工業(yè)中從事開發(fā)、應(yīng)用通信技術(shù)與設(shè)備的卓越工程技術(shù)人才。

參考文獻

[1] 姚莉. “嵌入式”課程教學(xué)改革研究[J]. 湖北理工學(xué)院學(xué)報，2014，30（6）： 68-70.

[2] 周航慈. 基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)[M].北京：北京航天航天大學(xué)出版社，2011.

[3] 倪蘊濤. 基于嵌入式系統(tǒng)實驗課程教學(xué)方法改革和教學(xué)思路探索的研究[J].牡丹江教學(xué)學(xué)院學(xué)報，2007，（4）： 130-131.

[4] 聶曉文，肖堃，陸慶. 嵌入式課程實驗體系教學(xué)改革探討[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，（2）： 78-80.

基金項目：北京信息科技大學(xué)2015年度課程建設(shè)——教學(xué)方式方法改革立項項目資助（2015KGZD07）endprint