應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程改革的研究

潘可賢

摘 要 《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是工科院校電子信息類專業(yè)十分重要的專業(yè)課，本文以提高學(xué)生工程能力和動(dòng)手能力為宗旨，分析了傳統(tǒng)教學(xué)中的存在問(wèn)題和不足，參考目前流行的嵌入式課程培訓(xùn)課程體系，針對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的，提出了以應(yīng)用為主導(dǎo)方向的教學(xué)模式，以及一些有效的課程改革措施和方法。實(shí)踐表明，改革后學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的興趣，實(shí)際動(dòng)手能力和工程素養(yǎng)都得到了提高。

關(guān)鍵詞 教育教改 教學(xué)模式 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1改革背景

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程是電子息類專業(yè)的一門很重要的專業(yè)課程，主要目的在于使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和方法，為今后從事嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和專業(yè)性，授課對(duì)象一般為本科高年級(jí)學(xué)生或研究生。此外，當(dāng)下企業(yè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的需求量極大，因此嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)改革的研究不僅有利于提高教學(xué)效果，同時(shí)也是學(xué)校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式的一個(gè)重要方向。

在國(guó)內(nèi)的各大高校中，如華南理工大學(xué)，北京航天航空大學(xué)等，關(guān)于嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)大綱，大部分的課程內(nèi)容安排都是從下而上，即選擇某一款A(yù)RM核的CPU作為開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，先講解ARM的體系結(jié)構(gòu)，指令集等內(nèi)容，再針對(duì)具體CPU講解硬件的接口，電路結(jié)構(gòu)，然后講解按照硬件如何在該款硬件開發(fā)板上移植操作系統(tǒng)，啟動(dòng)引導(dǎo)程序，文件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序，最后再介紹應(yīng)用程序如何編寫。有的高校在ARM體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容上安排起碼30%的課時(shí)，CPU的硬件接口授課時(shí)間占約30%，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序編寫的授課時(shí)間約40%。還有的高校把授課時(shí)間重點(diǎn)放在CPU的硬件接口和實(shí)驗(yàn)上，如基于CPU實(shí)現(xiàn)某一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)等。

在華清遠(yuǎn)見，亞嵌等目前國(guó)內(nèi)有名的嵌入式培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)課程中，嵌入式系統(tǒng)的培訓(xùn)課程則細(xì)分為ARM程序開發(fā)班，基于某個(gè)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)班，驅(qū)動(dòng)開發(fā)班，應(yīng)用程序開發(fā)班等，其中應(yīng)用程序的開發(fā)班是占了大部分，目前比較流行的嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)培訓(xùn)， android開發(fā)培訓(xùn)，QT應(yīng)用開發(fā)培訓(xùn)等等都是屬于上層應(yīng)用程序開發(fā)的訓(xùn)練。

再者，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)用程序開發(fā)的人員數(shù)占整個(gè)項(xiàng)目組的60%以上，企業(yè)的需求量較大。而且應(yīng)用程序開發(fā)的入門較簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)較短的時(shí)間培訓(xùn)就可很快上崗。另外，雖然不同的系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)略有不同，但是原理和使用時(shí)非常相似的，熟悉一種開發(fā)環(huán)境，在學(xué)習(xí)其他的開發(fā)平臺(tái)是非?？斓摹?/p>

因此，對(duì)比目前的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：

第一， ARM體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容與芯片硬件，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容相關(guān)，知識(shí)內(nèi)容十分抽象，對(duì)于已有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人員而言較容易接受，但是對(duì)于學(xué)生而言內(nèi)容太過(guò)抽象，學(xué)習(xí)難度非常大，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性非常低。

第二，在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，較多的是硬件驅(qū)動(dòng)和上層軟件的開發(fā)，底層的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容幾乎用不到。本科的學(xué)生畢業(yè)后即使從事嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)絕大部分也是從上層軟件的開發(fā)開始的，因此這些較底層的教學(xué)內(nèi)容對(duì)于初學(xué)者而言極難又無(wú)用。

第三，目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)大多由簡(jiǎn)入難，大多從用戶界面程序的開發(fā)開始，而且用戶界面程序開發(fā)也需熟悉相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)，需要學(xué)生一定的軟件編程能力。應(yīng)用程序的編程學(xué)習(xí)使得學(xué)生既有一定的經(jīng)驗(yàn)有可提高編程能力。但按照目前的教學(xué)大綱安排，應(yīng)用程序的教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)間非常少。

針對(duì)本校的實(shí)際情況，我們?cè)谇度胧较到y(tǒng)教學(xué)上實(shí)力還比不上一些老牌的高校，學(xué)生的優(yōu)勢(shì)也不在系統(tǒng)底層的開發(fā)，如果一味的按照從底層原理開始講解，學(xué)生的接受程度非常低，也對(duì)學(xué)生的就業(yè)情況不符。如安排的授課內(nèi)容既能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)習(xí)的內(nèi)容與企業(yè)的需求一致，則針對(duì)性更強(qiáng)。

2改革內(nèi)容

針對(duì)目前《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)方法和內(nèi)容中存在的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際需求，研究教學(xué)方法，并對(duì)教學(xué)大綱做出適度的修改，研究與之配套的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度安排和內(nèi)容。具體如下：

（1）教學(xué)方法研究：尋找更合適的教學(xué)切入點(diǎn)，使得學(xué)生更有興趣以及更容易學(xué)習(xí)。目前的教學(xué)方法為自下而上，即先教底層的CPU的結(jié)構(gòu)，然后教授上層軟件的編寫，教學(xué)效果不佳。課程教學(xué)改為從上而下教學(xué)，即首先使用目前流行的QT軟件進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。學(xué)生利用已經(jīng)學(xué)過(guò)的C語(yǔ)言，在嵌入式開發(fā)板上編寫或移植簡(jiǎn)單的用戶界面程序，入手簡(jiǎn)單，所見即所得。且課程所用的例程采用游戲開發(fā)等內(nèi)容，更容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。下一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容為如何利用操作系統(tǒng)和硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)界面程序，最后再講解與CPU相關(guān)的內(nèi)容。這種由淺入深，層層遞進(jìn)的方法在嵌入式系統(tǒng)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中常常使用的，但他們是建立在人數(shù)較少和動(dòng)手機(jī)會(huì)較多的情況下。因此，學(xué)校的教學(xué)中也采用了小班教學(xué)，約30人一班。

（2）課程內(nèi)容修改的研究：

①應(yīng)用開發(fā)的課時(shí)和內(nèi)容設(shè)置。在原教學(xué)大綱中，關(guān)于應(yīng)用程序開發(fā)的課時(shí)只有2個(gè)課時(shí)，只能做一些簡(jiǎn)單的介紹或演示?？蓪?yīng)用程序開發(fā)的課時(shí)增加到10個(gè)課時(shí)以上，向?qū)W生講授主要的接口函數(shù)用法和例子程序后，布置任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式要求學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行編程和調(diào)試，提高學(xué)生的調(diào)試能力。應(yīng)用程序的編程使得學(xué)生熟悉開發(fā)的平臺(tái)，在編程的過(guò)程中可加入操作系統(tǒng)相關(guān)的使用和提出疑問(wèn)，使得學(xué)生開始對(duì)操作系統(tǒng)與底層產(chǎn)生興趣，慢慢引入操作系統(tǒng)的概念。

②ARM體系結(jié)構(gòu)等教學(xué)內(nèi)容的減少。在原教學(xué)大綱中，近1/3的教學(xué)時(shí)間在底層的ARM體系結(jié)構(gòu)，其中的內(nèi)容涉及到了常用的寄存器、運(yùn)行模式、工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)器組織、異常及其處理，匯編語(yǔ)言的教學(xué)，匯編程序的編寫等內(nèi)容。這些內(nèi)容與未講解的CPU硬件相關(guān)，還和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相關(guān)，內(nèi)容抽象，而且這些CPU和操作系統(tǒng)的內(nèi)容放在后面講解，這使得學(xué)生很難理解和掌握ARM體系結(jié)構(gòu)的知識(shí)。同時(shí)在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中涉及到ARM體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容非常少，因此可以將這部分教學(xué)內(nèi)容刪除一部分或全部，有興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)。

③操作系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的選擇。在教學(xué)過(guò)程中，需要選擇一種操作系統(tǒng)，既能讓學(xué)生容易上手，也能有實(shí)際的用途。目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有LINUX，WINCE，UCOS等，目前選用的是LINUX操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)雖然開始學(xué)習(xí)有一定的難度，但是源代碼開放，學(xué)習(xí)資料豐富，使用范圍廣，同時(shí)也是流行的移動(dòng)終端開發(fā)平臺(tái)Android的底層操作系統(tǒng)，因此十分有利于學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)行相關(guān)的嵌入式開發(fā)研究。

④實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置。原來(lái)的教學(xué)大綱中，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為較少，但本課程需要大量的動(dòng)手編程，因此課程安排為直接在機(jī)房上課，前期的內(nèi)容只需使用虛擬機(jī)讓學(xué)生進(jìn)行程序的編寫，和操作系統(tǒng)的熟悉，后期則安排在實(shí)驗(yàn)室上課，在嵌入式開發(fā)板上進(jìn)行程序的下載和開發(fā)。如實(shí)現(xiàn)直接全部在實(shí)驗(yàn)室上課效果則會(huì)更好。

此外，由于嵌入式系統(tǒng)的授課與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合十分緊密，目前很難選擇到與本系實(shí)驗(yàn)室中的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用的操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)平臺(tái)一致的教材，這個(gè)也是《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的一個(gè)普遍問(wèn)題。因此，除了教材的選擇外，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容編寫至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書需要涵蓋操作系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)，用戶界面程序的使用和程序編寫指南，而不是僅僅作為某些實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容的講解和操作步驟的說(shuō)明。因此該實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫也十分重要，與實(shí)際的硬件平臺(tái)結(jié)合，研究如何根據(jù)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的不同，編寫出實(shí)用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

3改革的創(chuàng)新點(diǎn)與難點(diǎn)

本項(xiàng)目是基于《嵌入式系統(tǒng)》的課程改革，在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)模式上作一些研究。主要是針對(duì)《嵌入式系統(tǒng)》這門應(yīng)用型很強(qiáng)的課程如何講授一些在企業(yè)中能有實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又能提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

主要為修改教學(xué)方法，讓學(xué)生從簡(jiǎn)單有趣的用戶界面程序開始學(xué)習(xí)，一方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也讓學(xué)生熟悉目前企業(yè)較為普遍使用的嵌入式用戶界面軟件開發(fā)平臺(tái)，增加開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)學(xué)生獲得一些界面開發(fā)經(jīng)驗(yàn)后，再深入到軟件開發(fā)平臺(tái)本身，與操作系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)結(jié)合，發(fā)揮電子專業(yè)學(xué)生對(duì)硬件比較熟悉的特點(diǎn)，熟悉CPU，編寫硬件驅(qū)動(dòng)程序，從而提高實(shí)踐能力和實(shí)際開發(fā)能力。對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的同學(xué)，可加入老師的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行與硬件相關(guān)度較大的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)活動(dòng)中。對(duì)于學(xué)習(xí)能力較一般的同學(xué)，也能從事用戶界面等純軟件程序的開發(fā)。

4總結(jié)

到目前為止，本次教改項(xiàng)目中取得了以下成果：制定了新的教學(xué)大綱，編寫了新的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生進(jìn)行了一些小的項(xiàng)目開發(fā)，取得了一些成果，其中一個(gè)學(xué)生根據(jù)老師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展后做了一個(gè)無(wú)線點(diǎn)餐機(jī)的應(yīng)用，另外一個(gè)項(xiàng)目為基于指紋識(shí)別的考勤系統(tǒng)的研發(fā)，這些都是基于本次教學(xué)改革，學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣，主動(dòng)加入開發(fā)的隊(duì)伍。

另外本次教學(xué)改革還未能充分利用課外的時(shí)間進(jìn)行課余實(shí)驗(yàn)，如果有可能，可以布置學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生課后也能自覺(jué)熟悉嵌入式系統(tǒng)的使用，多編寫程序。在上課的班級(jí)中，只有極少數(shù)同學(xué)課后能夠自己購(gòu)買開發(fā)板或借用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備自行開發(fā)小項(xiàng)目。嵌入式系統(tǒng)課程還可繼續(xù)深化改革。