電子信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容改革

敖天勇，宮德龍

（1.河南大學(xué) 人工智能學(xué)院， 河南 鄭州 450046；2.河南大學(xué) 設(shè)備處，河南 開封 475004）

隨著國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，社會(huì)對(duì)人才尤其是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的要求越來越高。高校作為高層次人才培養(yǎng)的重要基地，在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)上更是擔(dān)負(fù)和履行著不可推卸的責(zé)任和義務(wù)。在大學(xué)生中進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是當(dāng)今高等教育改革的一個(gè)重要突破口。［1］嵌入式系統(tǒng)作為一門應(yīng)用性和綜合性很強(qiáng)的課程，非常適合進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。［2］近年來，許多高校的電子信息類專業(yè)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，但嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，目前該課程的教學(xué)內(nèi)容跟不上社會(huì)需求變化和技術(shù)發(fā)展步伐，同時(shí)培養(yǎng)的學(xué)生在理論知識(shí)、動(dòng)手能力、工程規(guī)范素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)等方面難以滿足社會(huì)需求。［3］因此，如何適應(yīng)社會(huì)需求變化與技術(shù)發(fā)展，提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)滿足社會(huì)需求、具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)的嵌入式系統(tǒng)人才，是亟待解決的教學(xué)任務(wù)。

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)改革，許多學(xué)者從不同側(cè)面進(jìn)行了探討。馬忠梅強(qiáng)調(diào)由于嵌入式系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)，各個(gè)專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有所側(cè)重。［4］吳昊等從雙創(chuàng)背景下探討了嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)問題。［5］張曉東等探索了基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式改革。［6］孫宇丹從工程教育認(rèn)證角度探討了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革，認(rèn)為應(yīng)將更多的實(shí)際案例融入教學(xué)中。［7］也有不少人對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系展開研究。［8］但目前面向電子信息類本科生的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該如何取舍，相關(guān)研究成果甚少，缺乏理論指導(dǎo)。因此，面向電子信息類本科專業(yè)，如何組織嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容是一個(gè)值得研究的課題。

成果導(dǎo)向教育理念（OBE）以成果導(dǎo)向、學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)為三個(gè)基本理念，其合理性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。［9］本文采用OBE理念，基于人才需求現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢分析，確立嵌入式系統(tǒng)的課程內(nèi)容體系改革方案。

一、嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，在電子信息類本科專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在以下主要問題。

（一）知識(shí)點(diǎn)多，課時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容組織困難

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容涉及電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、ARM處理器、C語言、操作系統(tǒng)等相關(guān)知識(shí)，具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性。但在電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，該課程教學(xué)時(shí)間通常只有40—72課時(shí)，教學(xué)內(nèi)容難以全面覆蓋嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容，蜻蜓點(diǎn)水式涉及各知識(shí)點(diǎn)，又容易讓學(xué)生感覺沒有學(xué)到真東西。

（二）學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)不合理，入門難，教與學(xué)脫節(jié)

在電子信息類本科生培養(yǎng)方案中，前期課程中學(xué)生通常只學(xué)習(xí)了51單片機(jī)，而嵌入式系統(tǒng)中多采用ARM系列處理器。由于新知識(shí)點(diǎn)多、硬件系統(tǒng)龐大、代碼復(fù)雜，會(huì)讓初次接觸嵌入式系統(tǒng)的本科生感到一頭霧水，易產(chǎn)生畏難情緒，缺乏學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)因教學(xué)內(nèi)容多，教師的教學(xué)進(jìn)度快，因此，師生交流缺乏，教與學(xué)容易脫節(jié)。

（三）嵌入式系統(tǒng)知識(shí)與技術(shù)更新快，課堂教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用需求相距較遠(yuǎn)

目前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容還有許多是基于ARM9/ARM7處理器，甚至是51處理器。但是在實(shí)際應(yīng)用中，主流的嵌入式處理不斷推陳出新，在高端應(yīng)用中已經(jīng)過渡到A9，甚至是A78等系列處理器，而ARM9處于高低端應(yīng)用兩不就的尷尬地位。

因此，為避免因內(nèi)容陳舊、知識(shí)點(diǎn)多、入門難而使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，需要根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)做好規(guī)劃。

二、嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容體系確立分析

嵌入式系統(tǒng)作為一門應(yīng)用性和綜合性很強(qiáng)的課程，其在選取教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要綜合考慮人才需求、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及課程特點(diǎn)。

（一）從人才需求方面看課程內(nèi)容選擇

培養(yǎng)滿足市場需求的人才是高等教育的重要使命。本文在“前程無憂”招聘網(wǎng)站上，以“嵌入式系統(tǒng)”為關(guān)鍵字，檢索獲得了5724條招聘信息。對(duì)這些招聘信息中技能要求進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)：市場上需求的嵌入式系統(tǒng)人才主要分為嵌入式系統(tǒng)硬件工程師和軟件工程師兩大類，這兩類人才都需要掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理和開發(fā)流程，具備C/C++編程能力、自學(xué)能力和解決問題的工程素養(yǎng)。嵌入式系統(tǒng)軟件工程師還需要熟悉嵌入式操作系統(tǒng)知識(shí)，具備嵌入式操作系統(tǒng)移植技能，基于嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，常用接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)能力，熟悉GCC等開發(fā)工具；嵌入式系統(tǒng)硬件工程師還需要掌握嵌入式處理器知識(shí)、接口電路設(shè)計(jì)知識(shí)，具備常用嵌入式系統(tǒng)片上硬件資源的開發(fā)與編程能力。

（二）從技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r看課程內(nèi)容選擇

當(dāng)前嵌入式處理器種類較多，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的選取必將涉及使用哪類處理器平臺(tái)，以及采用何種軟件編程開發(fā)方式等問題。

1.處理器平臺(tái)的選擇

選用主流的嵌入式處理器，有利于教學(xué)內(nèi)容與市場接軌。常見的嵌入式處理器有ARM、MIPS、ARC、PowerPC等。從市場占有率看，ARM 處理器占據(jù)嵌入式市場絕對(duì)地位。目前ARM公司的嵌入式處理器以Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三個(gè)系列為主。Cortex-A系列面向高性能應(yīng)用場景，產(chǎn)品更新速度快。Cortex-R系列面向高可靠性的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場景。Cortex-M系列面向微控制器應(yīng)用場景，應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)品比較穩(wěn)定。

從教學(xué)的角度看，Cortex-A系列更新速度快，系統(tǒng)復(fù)雜，教學(xué)內(nèi)容更新難以跟上其應(yīng)用發(fā)展速度，教師需先學(xué)后教，待學(xué)生畢業(yè)后所學(xué)的產(chǎn)品可能已經(jīng)退出主流市場。Cortex-R系列應(yīng)用場景對(duì)設(shè)計(jì)者要求較高，不適合初學(xué)者。Cortex-M系列產(chǎn)品穩(wěn)定、開發(fā)難度適中、應(yīng)用范圍廣。因此，選擇Cortex-M系列處理器比較適合電子信息類專業(yè)本科生。

2.軟件編程開發(fā)方式的選擇

隨著嵌入式處理器性能越來越高，系統(tǒng)應(yīng)用場景日益多樣化，但開發(fā)周期要求越來越短，用匯編語言開發(fā)項(xiàng)目難以適應(yīng)市場需求。ARM公司聯(lián)合眾多廠家推出了CMSIS軟件接口標(biāo)準(zhǔn)庫，基于庫函數(shù)進(jìn)行嵌入式應(yīng)用開發(fā)是一種高效的編程開發(fā)方式，已經(jīng)成為主流。因此，在軟件編程開發(fā)方式上，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)基于C語言和庫函數(shù)的編程能力培養(yǎng)。

（三）從教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)看課程內(nèi)容選擇

從《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》推薦的電子信息類專業(yè)核心課程體系上看，該類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)地接受了C語言、微機(jī)原理、電路設(shè)計(jì)等知識(shí)，但操作系統(tǒng)相關(guān)課程未被列入。由于嵌入式系統(tǒng)具有專用性特點(diǎn)，其開發(fā)人員既要具備硬件設(shè)計(jì)能力，還要具備嵌入式系統(tǒng)軟件編程能力。因此，面向電子信息類專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容，適合以偏向嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)知識(shí)為主，兼顧培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的編程能力。

（四）電子信息類專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程培養(yǎng)目標(biāo)

綜合上述分析及《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的電子信息專業(yè)類培養(yǎng)目標(biāo)［10］，本文給出一個(gè)面向電子信息類本科專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程的培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)理解嵌入式系統(tǒng)的基本概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、Cortex-M系列處理器結(jié)構(gòu)，掌握常用嵌入式系統(tǒng)片上硬件資源的工作原理、基于庫函數(shù)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法及相關(guān)開發(fā)工具，具備良好的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，可從事嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)領(lǐng)域工作的高素質(zhì)專門人才。

三、新教學(xué)內(nèi)容安排方案

根據(jù)上述分析，提出了面向電子信息類專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容安排方案。該方案結(jié)合電子信息類專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，面向市場中嵌入式系統(tǒng)工程師職業(yè)需求，以嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式處理器基礎(chǔ)知識(shí)、常用嵌入式硬件資源知識(shí)、軟件編程知識(shí)為主體，以嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐為手段，輔以嵌入式操作系統(tǒng)基本知識(shí)，注重基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐活動(dòng)，能夠有效解決知識(shí)點(diǎn)繁多、課時(shí)有限、教學(xué)內(nèi)容組織困難等問題。

新教學(xué)內(nèi)容安排的總課時(shí)為54學(xué)時(shí)，其中理論課36學(xué)時(shí)、實(shí)踐課18學(xué)時(shí)。另外，有一個(gè)課外的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐與演示環(huán)節(jié)，作為期末考核形式。下面具體介紹理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)安排方案。

（一）理論教學(xué)

內(nèi)容上分為5大知識(shí)模塊，各知識(shí)模塊的教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)如下。

知識(shí)模塊1：嵌入式系統(tǒng)基本概念（3學(xué)時(shí)）。知識(shí)點(diǎn)包括：嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成、應(yīng)用場景、發(fā)展趨勢；常見嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)簡介；嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)方法；嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)介紹及演示。教學(xué)目標(biāo)是理解嵌入式系統(tǒng)的基本概念、軟硬件開發(fā)方法，用演示激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

知識(shí)模塊2：嵌入式微處理器知識(shí)（6學(xué)時(shí)）。知識(shí)點(diǎn)包括：Cortex-M系列處理器特點(diǎn)簡介；Cortex-M3處理器的體系結(jié)構(gòu)；處理器的操作狀態(tài)與模式；Cortex-M3存儲(chǔ)系統(tǒng)；CMSIS軟件標(biāo)準(zhǔn)接口模型；編程模型。教學(xué)目標(biāo)是掌握常用嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)及編程模型。

知識(shí)模塊3：嵌入式處理器的常用片上外設(shè)（18學(xué)時(shí)）。知識(shí)點(diǎn)包括：時(shí)鐘系統(tǒng)；GPIO工作模式及基于庫函數(shù)的操作方法；USART配置方法及應(yīng)用；中斷系統(tǒng)及應(yīng)用；定時(shí)器的捕獲、比較、PWM等工作模式及應(yīng)用；FSMC控制器及其訪問存儲(chǔ)器應(yīng)用；LCD操作方法及應(yīng)用；IIC及SPI等常見片上外設(shè)操作方法。教學(xué)目標(biāo)是掌握嵌入式系統(tǒng)中常用片上外設(shè)的工作原理及其基于庫函數(shù)的開發(fā)方法。

知識(shí)模塊4：軟件開發(fā)環(huán)境及庫函數(shù)編程方法（3學(xué)時(shí)）。知識(shí)點(diǎn)包括：MDK軟件環(huán)境安裝及使用方法；標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)；基于庫函數(shù)的軟件開發(fā)方法及演示。教學(xué)目標(biāo)是掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，基于庫函數(shù)的編程基礎(chǔ)知識(shí)與技能。

知識(shí)模塊5：嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)（6學(xué)時(shí)）。知識(shí)點(diǎn)包括：嵌入式操作系統(tǒng)的作用；并發(fā)操作系統(tǒng)的概念；多任務(wù)與處理器之間關(guān)系的處理模型；任務(wù)的基本要素；操作系統(tǒng)下多任務(wù)開發(fā)方法。教學(xué)目標(biāo)是掌握嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行多任務(wù)開發(fā)的基本原理和基本方法。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)若將操作系統(tǒng)中抽象的概念和原理融入案例中，采用動(dòng)畫演示，將復(fù)雜問題簡單化、抽象的理論具體化，6學(xué)時(shí)也能使學(xué)生理解嵌入式操作系統(tǒng)的相關(guān)概念和工作原理，為以后從事涉及嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

（二）實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐環(huán)節(jié)知識(shí)點(diǎn)包括：GPIO應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、中斷應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、串口通信應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、LCD與觸摸屏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)。教學(xué)目標(biāo)是掌握常用嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)方法，學(xué)以致用，培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

在實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)上，采用帶有STM32F103ZE嵌入式處理器的開發(fā)板進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。該處理器是意法半導(dǎo)體公司推出的集成Cortex-M3內(nèi)核和多種片上外設(shè)的嵌入式處理器，當(dāng)前被廣泛使用。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，開發(fā)板具有成本低、攜帶方便、電路簡潔、易上手等優(yōu)點(diǎn)。在學(xué)期初為每組同學(xué)分發(fā)一套嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，供學(xué)生在整個(gè)學(xué)期內(nèi)自由練習(xí)使用。教師錄制嵌入式系統(tǒng)編程開發(fā)入門環(huán)節(jié)的演示視頻資源，供學(xué)生課下學(xué)習(xí)，借以拓展課程教學(xué)的時(shí)間和空間。這種方式可操作性強(qiáng)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很大程度上解決了嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)入門難的問題。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容從難度和培養(yǎng)目標(biāo)上可分為三個(gè)層次。

第一層次是GPIO、串口等硬件應(yīng)用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。目的是使學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，熟悉軟件開發(fā)環(huán)境，掌握基于庫函數(shù)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的編程方法。這部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)穿插于各理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，在對(duì)應(yīng)硬件資源理論知識(shí)講解之后進(jìn)行，使學(xué)生能夠及時(shí)將理論應(yīng)用于實(shí)踐，提高學(xué)習(xí)興趣。

第二層次是綜合實(shí)驗(yàn)。綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)給定任務(wù)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，如模擬糧倉溫/濕度采集顯示與報(bào)警系統(tǒng)，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模擬等。這部分實(shí)驗(yàn)放在最后一個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行。教師給出任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)分解、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等具體指導(dǎo)，學(xué)生自己進(jìn)一步完成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的能力。

第三層次是課程設(shè)計(jì)。以實(shí)驗(yàn)開發(fā)板為基礎(chǔ)，通過增加外設(shè)，實(shí)現(xiàn)功能完整的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品。學(xué)生自主選題，自主設(shè)計(jì)。教師提供學(xué)生所需的外設(shè)模塊，如指紋識(shí)別、GPS模塊、藍(lán)牙、WiFi、加速度計(jì)等幾十種硬件模塊，也會(huì)根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案購買相關(guān)硬件供學(xué)生使用。這部分實(shí)踐活動(dòng)由學(xué)生在課外時(shí)間完成，教師定期進(jìn)行線上、線下指導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題。最后安排學(xué)生進(jìn)行演示與答辯，并作為課程考核的一部分。在這個(gè)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)鼓勵(lì)創(chuàng)意較好的項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目拓展，參加競賽。教學(xué)目標(biāo)是提升學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。

（三）課程考核

課程考核方式，借鑒OBE理念，以“平時(shí)過程考核+課程設(shè)計(jì)考核”并重形式進(jìn)行。平時(shí)過程考核部分包括出勤率、課堂表現(xiàn)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)等。課程設(shè)計(jì)考核不僅能考查學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與開發(fā)能力，而且能夠促進(jìn)學(xué)生自學(xué)，還能夠培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

四、結(jié)語

本文提出的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容改革方案充分結(jié)合了人才市場需求、技術(shù)發(fā)展趨勢和電子信息類本科專業(yè)特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容完整、與時(shí)俱進(jìn)。實(shí)踐環(huán)節(jié)將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)以及自主創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)三個(gè)層次有機(jī)結(jié)合起來，既能提高學(xué)生的實(shí)踐能力，又能以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)形式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。該教學(xué)內(nèi)容改革方案在河南大學(xué)電子信息類專業(yè)本科生中經(jīng)過了三年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生能夠利用所學(xué)的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)參加多種學(xué)科競賽，每年均有多名同學(xué)獲省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)，畢業(yè)生也獲得了多家用人單位的肯定。