面向系統能力培養(yǎng)的嵌入式系統課程教學模式改革與實踐

劉 威，常 瑞，謝耀濱

（解放軍信息工程大學 網絡空間安全學院，河南 鄭州 450002）

0 引 言

隨著系統能力培養(yǎng)理念的逐步推廣，嵌入式系統在計算機專業(yè)課程群中的重要性越發(fā)凸顯[1]。作為對專用計算機系統的全面講解和綜合實踐，嵌入式系統課程的教學內容幾乎涉及整個本科期間的計算機硬件課程體系，從硬件電路設計、處理器編程結構到匯編語言、嵌入式軟件設計、嵌入式操作系統、驅動程序設計等。嵌入式系統課程本身可以看成是計算機組成原理、微機原理與應用、操作系統等課程知識的橫向拓展和綜合應用，這種先天優(yōu)勢使嵌入式系統課程可以成為本科階段系統能力培養(yǎng)的重要抓手。但是，長期以來，這種優(yōu)勢都沒有得到足夠的重視，多門課程中所學的理論知識和實踐技能無法通過本課程融合起來，外化成為系統能力，甚至作為一門普通的專業(yè)課程而言，嵌入式系統也很難達到同類課程的平均教學效果[2]。

1 嵌入式系統教學存在的問題

嵌入式系統是融合理論知識、應用方法、工程技能和實踐經驗的綜合性課程，具有典型的工科特性，其目標是培養(yǎng)在工程領域具備系統設計、分析、驗證能力的綜合性工程技術人才。目前高校嵌入式系統課程的教學效果往往不盡如人意，分析成因，除了嵌入式領域具有技術更新快、工程實踐性強、涉及的知識領域跨度大、對學員的基礎知識水平和綜合應用能力要求高等客觀因素以外，還存在以下3個主要原因，嚴重制約嵌入式系統課程的教學效果和本科系統能力培養(yǎng)的質量。

1.1 知識體系不合理

嵌入式系統涵蓋專用計算機這個龐大體系，設備的多樣性決定了課程內容跨越多個知識領域，帶來多樣化的選擇空間，導致課程知識體系設計不合理。

1）教學理念沒有與時俱進。

部分高校的嵌入式系統教學從微機原理和單片機原理應用等課程發(fā)展而來，基于ARM cortex M系列微處理器設置課程知識體系，僅僅把課程視為單片機原理課程的升級，滿足普及ARM體系結構和接口編程應用[3]，對當前廣泛使用的ARM+Embeded Linux平臺少有涉及，忽視嵌入式系統課程在計算機系統能力培養(yǎng)方面的重要作用，造成學生在操作系統移植、驅動程序開發(fā)等領域的知識缺失。

2）受學時和教材限制，設計的知識結構不完備，體系涵蓋不全面。

由于嵌入式系統涉及的知識體量過于龐大，現有的嵌入式系統教材都無法詳細涵蓋從處理器體系結構、底層硬件設計、接口程序開發(fā)到操作系統移植、驅動程序設計等一系列知識點，因此只能有所側重和取舍。有些教材[4]側重底層硬件設計和應用程序開發(fā)，對操作系統移植、驅動程序設計等內容涉及較少；而有些教材[5]則偏重嵌入式操作系統相關知識，在硬件設計部分描述的篇幅有限，因此，在教學中按綱授課、照本宣科必然導致學生存有知識盲點。

1.2 教學模式單一程式化

使用傳統的“課上講授、課后實踐”教學模式，在有限的授課時間內，教師很難系統完整地把體量龐大的教學內容傳授給學生。教師往往只能退而求其次，根據專業(yè)需求和職業(yè)設定對教學內容進行取舍，導致學生在某些知識層面上存在盲點。傳統的教學模式以單一的課堂講授方式為主，往往學生記住了知識點但不知道在實踐中如何使用，能力無法得到提升。此外，講授的方式很難激發(fā)學生的學習熱情，進一步增加了課程的教學難度。

1.3 實踐平臺缺乏普適性和創(chuàng)新性

嵌入式系統的實踐教學是學員綜合運用計算機各課程知識，融入創(chuàng)新理念，建立系統思維的重要平臺。實踐教學不僅起到強化鞏固學生計算機知識體系的作用，而且擔負著培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的重要任務[6]。教學使用的開發(fā)板或實驗箱通常只能支持知識體系中的一部分實驗，當前大部分高校的嵌入式系統實踐教學通常依托于非定制的嵌入式開發(fā)板或者專用的實驗箱開展，實驗設備主要分為兩類，一類是嵌入式微控制器+實時操作系統，另一類是嵌入式微處理器+嵌入式Linux/Android，這兩類實驗平臺均只能涵蓋課程知識體系中的部分內容，無法做到完整覆蓋。此外，傳統的嵌入式實踐教學以驗證性實驗居多，通常只依托開發(fā)板進行的綜合性、創(chuàng)新性設計開發(fā)作輔助教學，沒有充分發(fā)揮實驗平臺培養(yǎng)系統能力的作用。

2 嵌入式系統課程知識體系設計

為解決傳統嵌入式課程知識體系設計不合理的問題，應按照從底層硬件電路、處理器編程結構與軟件到嵌入式操作系統的思路，從整體上規(guī)劃嵌入式課程的教學內容，設計全覆蓋、多層次的內容體系，并依托該體系構建通用可組合的模塊化教學內容[7]。

2.1 課程知識體系

完整的嵌入式系統課程知識體系見圖1，按照從底層硬件到上層應用的順序，包含3部分內容：嵌入式硬件電路、處理器編程結構與軟件、嵌入式操作系統。

圖1 嵌入式系統課程知識體系

嵌入式硬件電路部分包括最小系統設計、存儲系統設計和接口電路設計。

處理器編程結構與軟件部分包括處理器編程結構、異常處理機制、匯編指令集、匯編語言程序設計、接口應用程序開發(fā)。

嵌入式操作系統包括Bootloader、嵌入式操作系統內核、文件系統、驅動程序開發(fā)、嵌入式GUI和應用程序設計。

部分內容分別有對應的知識目標和工程目標：

知識目標1：了解嵌入式系統開發(fā)的流程，熟悉ARM Cortex M/A微處理器外部引腳，掌握存儲系統設計方法，掌握基于ARM微處理器的最小系統設計方法，掌握常用接口電路設計應用。

工程目標1：掌握使用protel DXP/Cadence等設計原理圖和繪制PCB板的方法，能進行常見器件的焊接拆卸操作，了解最小系統調試和接口故障排查的方法流程。

知識目標2：熟悉ARM處理器的編程結構、異常處理流程，掌握ARM指令集和Thumb指令集，了解ARM匯編程序設計方法；掌握應用程序結構和設計方法。

工程目標2：熟悉Keil/DS-5集成開發(fā)環(huán)境，掌握基于JTAG的軟件調試方法。

知識目標3：了解Bootloader結構和啟動流程，熟悉嵌入式Linux內核裁減與移植方法，了解常見的嵌入式文件系統；了解嵌入式驅動程序設計方法，了解基于嵌入式Linux的應用程序設計方法。

工程目標3：掌握構建交叉編譯環(huán)境的方法，了解內核和應用程序調試技術。

2.2 通用可組合的理論教學模塊

圍繞知識體系開展理論教學是現行課程教學的普遍方式，但對嵌入式系統課程來說，不同高校、不同專業(yè)對學生的知識能力培養(yǎng)目標存在較大差異，如電子工程相關專業(yè)和軟件工程專業(yè)對嵌入式驅動程序開發(fā)和嵌入式硬件電路設計的教學目標可能完全不同，此外，課程的學時設置、前導后續(xù)課程安排等因素也將影響教學實施，經常會出現無需講授或者無法講授的情況。為了保證知識體系的普適性，基于通用可組合的設計原則，按照層級劃分可以將理論教學內容細化為模塊，教學模塊與章節(jié)內容的對應關系見表1，實施者可以依據不同應用條件進行取舍和組合。

表1 嵌入式課程理論教學模塊

3 協同式課堂教學組織

嵌入式系統課程知識體系涵蓋大量的知識點，如果課程學時數小于60，依靠傳統的課堂教學模式則沒有足夠的時間完成知識的傳遞，更無法實現由理論知識向實踐能力的遷移。為了解決龐大知識體量與有限課內學時之間的矛盾，需要線上線下協同開展教學，以彌補課內時間的不足。

隨著移動互聯網應用的普及和線上學習資源的豐富，依托互聯網獲取知識逐漸成為當前高校學生的主要學習方式之一[8-9]。網絡給學生提供了非正式學習的最佳方式，很多碎片知識可作為正式學習的很好補充[10]。由于嵌入式系統在各領域的應用廣泛，相應的學習資源既有國內外知名高校的在線課程，也有企業(yè)的視頻教程，還有個人的分享博客。豐富的資源在帶來多樣化選擇的同時，也決定了處于了解、認識階段的學生很難從中挑選出適合知識體系、教學進度和實驗平臺的在線資源。為了避免浪費學習時間，教師應對線上教學資源進行篩選，必要時還可以進行編輯和整合，按照教學進度依次提供給學生。

以系統能力培養(yǎng)為主要目的的課程教學，其重點應該落在樹立系統觀和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)上。嵌入式系統課程的特點是以應用為核心，有大量的實踐方法和技能，單純依靠課堂講授效果較差，需要有對應的實踐操作來強化理論教學效果，讓理論知識外化為實踐能力。實施協同式教學時，教師應該優(yōu)先向學生提供實踐操作類的視頻教程。對于大部分理論知識，學生通過觀看教學視頻和通過閱讀書籍所達到的效果相差無幾，而對于實踐操作，視頻能夠方便快捷地傳遞實踐步驟和操作細節(jié)，能成倍提高學生的學習效率，從而節(jié)省大量的課上講解演示時間。學生提前熟悉實踐內容，也有利于在學習理論知識時做到有的放矢，理清相應知識點的應用場合，明白其重要性。教師在講授理論知識時也需有針對性地進行強化，達到最佳的學習效果。

協同式教學將課堂教學與網絡自學兩種方式融合，課堂教學傳授理論知識，強調應用細節(jié)；網絡自學提供操作細節(jié)，強化知識遷移，課堂的正式教學和課余的非正式學習融合在一起，共同為系統能力培養(yǎng)提供方法和渠道。

4 多平臺融合的實踐教學

按照處理器架構和開設實驗類型，嵌入式系統實踐教學平臺基本上可以分為兩類，一類基于嵌入式微控制器，不運行操作系統或者運行輕量級嵌入式實時操作系統，典型的有基于STM32F4處理器的正點原子探索者、野火挑戰(zhàn)者等，教學重點落在IO接口設計及程序開發(fā)以及嵌入式實時操作系統，如μCOS的使用等；另一類基于嵌入式微處理器，運行嵌入式Linux或者Android系統，典型的包括基于Eynos4412處理器的友善之臂tiny4412、訊為Itop4412，基于S5PV210處理器的友善之臂tiny210開發(fā)板等，實驗重點是嵌入式操作系統的裁減移植、bootloader與文件系統生成、驅動程序設計等。

目前高校嵌入式系統實踐教學通常依托于某款嵌入式開發(fā)板開展，基于微控制器和基于微處理器的開發(fā)板支持開展的實驗各不相同，難以相互替代，單一類型的開發(fā)板均存在無法覆蓋的知識盲點。以ARM架構為例，Cortex M開發(fā)板偏重于控制型應用，對接口類實驗支持較好，但是由于處理器內只有MPU而沒有MMU，無法運行嵌入式Linux等操作系統，在日常廣泛使用的UBoot、嵌入式Linux/Andriod等相關知識上存在缺口；Cortex A開發(fā)板偏重于系統型應用，實驗內容均圍繞嵌入式操作系統展開，對外預留的可用接口較少，使用基于操作系統的驅動程序開發(fā)代替裸板運行的接口程序設計，缺乏對硬件電路連接和接口程序設計的支持。

實驗內容完全覆蓋整個嵌入式系統知識體系，需要綜合應用不同類型的開發(fā)板，如在面向計算機科學與技術專業(yè)的嵌入式系統實踐教學中，聯合使用Cortex M和Cortex A系列的兩塊開發(fā)板，可以協同發(fā)揮查找補齊知識短板、樹立系統觀念、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、深化協作精神等作用。

實踐平臺由基于Cortex M系列STM32F4的智能車或四旋翼飛行器和基于Cortex A系列Eynos4412的嵌入式開發(fā)板兩部分組成。智能車或四旋翼飛行器用做實驗平臺，支持知識體系中I、II部分的實踐教學，能夠給學生以直觀認知，充分調動學生參與學習實踐的積極性，激發(fā)創(chuàng)新熱情。Eynos4412開發(fā)板用做實驗平臺，支持知識體系中II、III部分的實踐教學，可以讓學生基于嵌入式操作系統設計開發(fā)更為復雜的應用，拓展創(chuàng)新空間。

實驗的頂層設計為基于嵌入式Linux的智能車或四旋翼飛行器控制平臺。實驗任務由兩部分組成：自行小車上配備STM32F4模塊、紅外傳感器、指示燈、攝像頭、藍牙模塊、GPS模塊等外設，可以實現小車的自動避障巡線；Eynos4412開發(fā)板上移植嵌入式Linux操作系統，實現對小車的遠程控制、定位信息和圖片視頻顯示。兩者組合構成一個完整的實驗系統，實驗內容見表2。

該設計將兩種不同類型的開發(fā)板融合在一起，實驗內容按模塊循序展開，各實驗模塊既相互獨立，分別對應理論教學內容，又能最終組合在一起形成完整系統。這種把最終實踐目標分解為單元目標，并最終形成復雜系統的方式，能有效激發(fā)學生的學習熱情，促使學生在不斷完成小目標的成就機制吸引下最終達到完成復雜嵌入式系統設計實現的目標。在教學時，教師可以根據學員的知識基礎和能力水平、理論教學的內容安排，自由組合實驗模塊，不需要學員掌握的實踐部分，教師可以直接提供電路連接、源代碼和操作步驟。在實驗中鼓勵學員依托兩類平臺自行設計應用，融入自身創(chuàng)意搭建出原型系統，有效形成正反饋，從而加速創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)進程。

表2 融合多平臺的實驗內容設計

5 結 語

在面向系統能力培養(yǎng)的嵌入式系統課程教學模式改革的3個組成部分中，完整的知識體系有利于組織多層次復合型的教學訓練；模塊化的內容劃分可增加教學的靈活性和體系的適用性；協同式課堂教學組織方式能有效提高學習效率并改善教學效果，多平臺融合的實踐教學涵蓋多方面能力的訓練，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。全覆蓋的知識體系和模塊化的教學內容，能夠通過協同式教學組織方式快速有效地傳授給學生，以多平臺融合的實踐教學強化知識遷移，形成系統設計分析和應用能力。

新模式在解放軍信息工程大學的兩屆計算機科學技術專業(yè)的嵌入式系統設計課程中進行實踐，取得了良好的效果，有效提高了學員的系統分析設計應用能力。全國性的學科競賽是檢驗系統能力培養(yǎng)效果的有效方法之一，依托本課程的教學，學校先后組織學員參加全國大學生智能互聯創(chuàng)新大賽、全國大學生物聯網設計競賽、全國大學生計算機體系結構創(chuàng)新設計競賽等多個賽事，2016年，“個人穿戴防丟失系統”和“智能交通系統”兩項作品獲得全國物聯網設計大賽賽區(qū)一等獎，“通用密碼算法加速平臺”獲得計算機體系結構創(chuàng)新設計競賽全國三等獎；2017年，“移動存儲設備保護系統”和“家庭電力自主管理系統”分獲物聯網設計大賽全國一等獎。2017年，按新模式實踐授課的班級實現全員參賽，近70%的參賽隊獲得賽區(qū)級以上的獎項，充分顯示了新模式在系統能力培養(yǎng)上的絕對優(yōu)勢。