何劍鋒 姜 林 劉 琳

摘要:嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系建設(shè)是高校教學(xué)改革的一個(gè)重要組成部分,在高校開設(shè)嵌入式系統(tǒng)的課程已是大勢所趨。本文從不同角度分析了嵌入式系統(tǒng)教學(xué),詳細(xì)討論適應(yīng)社會(huì)需求的本科階段軟件類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向理論課程體系和實(shí)驗(yàn)課程體系。同時(shí),闡述了在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用的多種教學(xué)方法和思想。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);教學(xué)體系;教學(xué)方法;教學(xué)實(shí)踐

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

1引言

網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電時(shí)代的到來,無疑為32位嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用提供了空前巨大的發(fā)展空間;同時(shí),也為力不從心的8位單片機(jī)向高端發(fā)展起到了接力作用。嵌入式技術(shù)及產(chǎn)品的快速成長成了全球IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的顯著特征,嵌入式技術(shù)是二十一世紀(jì)最有活力和生命力的新技術(shù)之一。然而在中國,嵌入式軟件復(fù)合型人才的缺乏,已成為嵌入式產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,作為對(duì)新技術(shù)研究和探索最活躍的群體之一——高等院校中獨(dú)立軟件學(xué)院,如何接受嵌入式技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),學(xué)習(xí)嵌入式、研究嵌式、使用嵌入式,已成為一個(gè)重要的研究課題,加強(qiáng)與完善高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)迫在眉睫。由于國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)起步較晚,目前還沒有形成適應(yīng)高校教學(xué)的一個(gè)統(tǒng)一的教學(xué)體系和教學(xué)規(guī)范。由此強(qiáng)調(diào)要以信息技術(shù)為手段,深化教學(xué)改革和人才培養(yǎng)模式改革,如何根據(jù)社會(huì)的實(shí)際需要,培養(yǎng)具有一定專業(yè)特色的和特定能力強(qiáng)的軟件實(shí)用型、復(fù)合型人才是我們學(xué)院應(yīng)首要解決的問題。因此必須深入探究嵌入式系統(tǒng)課程體系結(jié)構(gòu),尋求各專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)解決方案,積累教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),建立較規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系,使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)更好地融入到教學(xué)與科研活動(dòng)中,以適應(yīng)社會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)人才的需求,對(duì)于深化我國高校的教學(xué)改革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系探究

嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)新興的課程體系,目前在教學(xué)過程中相關(guān)先修課程與基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容(包括硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái))的選擇、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)組織等問題依然處于爭論和探索階段。國內(nèi)高校對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)研討從嵌入式課程體系的設(shè)置、嵌入式理論教學(xué)的開展、嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展、嵌入式綜合設(shè)計(jì)與學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)等幾方面展開。

2.1嵌入式系統(tǒng)教學(xué)分析

(1) 從應(yīng)用角度來分析,具有世界最大嵌入式技術(shù)市場的中國,嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中更多的強(qiáng)調(diào)以“應(yīng)用”為中心。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)還必須具有一定的行業(yè)領(lǐng)域知識(shí),教學(xué)中最好要在一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境中去實(shí)踐,提高嵌入式軟件開發(fā)方面的綜合應(yīng)用能力。

(2) 從學(xué)科專業(yè)角度來分析,嵌入式系統(tǒng)涉及多門交叉學(xué)科致使將嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)大致分為三類:軟件學(xué)院專業(yè)嵌入式教學(xué);計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式教學(xué);微電子、電子信息工程、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)嵌入式教學(xué)。在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中應(yīng)重視不同專業(yè)嵌入式課程體系建設(shè)、課程目標(biāo)和內(nèi)容等方面展開。

(3) 從技術(shù)角度來分析,嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件有機(jī)的結(jié)合體。要考慮什么樣的硬件設(shè)計(jì)更容易編寫驅(qū)動(dòng)程序,軟件處理效率等因素就必須要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)相關(guān)的知識(shí),同時(shí)需要考慮如何取舍軟硬件設(shè)計(jì)。由此嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)同時(shí)具備軟件和硬件兩方面及綜合性知識(shí)分析能力。

2.2嵌入式系統(tǒng)方向理論課程體系

本科階段的按專業(yè)方向課程規(guī)劃既要重視基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),又要注重實(shí)踐性,既要突出專業(yè)自身特點(diǎn),又要把握嵌入式系統(tǒng)在多學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域中相互滲透的規(guī)律。不同專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向課程體系如圖1所示。信息工程專業(yè)涉及的專業(yè)基礎(chǔ)課包括數(shù)字電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、可編程邏輯器件、EDA設(shè)計(jì)等課程。而軟件工程專業(yè)涉及的專業(yè)基礎(chǔ)課則為C/C++語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編成、編譯原理、軟件工程、操作系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)課程體系包含兩個(gè)專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容。數(shù)字電路的知識(shí)是從事嵌入式系統(tǒng)的必備,關(guān)鍵要增強(qiáng)邏輯思維能力。C語言作為一種“高級(jí)的低級(jí)”語言、易移植、易維護(hù)、可讀性強(qiáng)、具有強(qiáng)大的內(nèi)存操作能力,成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最佳選擇。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中要作為重點(diǎn),可適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)課時(shí),無論學(xué)生以后從事嵌入式系統(tǒng)的軟件還是硬件開發(fā),這門課的思想將貫穿其中,這兩門課程教師應(yīng)當(dāng)要求學(xué)生加強(qiáng)上機(jī)實(shí)驗(yàn)的操作,鼓勵(lì)相互交流,體會(huì)編程的思想。

嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu):在嵌入式領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。ARM公司引發(fā)了嵌入式領(lǐng)域的一場革命,在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位,是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器,學(xué)習(xí)以ARM為架構(gòu)的嵌入式技術(shù)具有非常廣闊的前景。對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng):目前比較適合用于本院教學(xué)主要有VxWorks、Windows CE、Linux(uClinux)和μC/OS-Ⅱ等?；贚inux內(nèi)核穩(wěn)定可靠、源碼免費(fèi)開放等優(yōu)勢成了教學(xué)和學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)的首選。嵌入式的軟件開發(fā)從智能手機(jī)開發(fā)(SYMBIAN)、J2ME程序設(shè)計(jì)、數(shù)字媒體終端等實(shí)踐編程。嵌入式軟件開發(fā)語言主要有匯編語言、C/C++語言、Java語言等。

2.3嵌入式系統(tǒng)方向?qū)嶒?yàn)課程體系

嵌入式系統(tǒng)是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程體系,學(xué)好嵌入式系統(tǒng)課程不僅有助于學(xué)生了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法,而且能提高學(xué)生對(duì)于相關(guān)學(xué)科的理解和實(shí)際應(yīng)用能力。在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)是最重要的環(huán)節(jié)之一,是學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。為滿足不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求,我?，F(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備40套(XScale PXA270處理器)及相關(guān)配套實(shí)驗(yàn)儀器及測試儀器,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容涉及微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式中間件平臺(tái)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)等內(nèi)容。為達(dá)到教學(xué)目標(biāo),將實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系分為基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)類實(shí)驗(yàn):采用理論授課與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,讓學(xué)生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程,掌握實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的使用方法,熟悉軟件編程環(huán)境,根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試,讀懂實(shí)驗(yàn)源程序和程序的運(yùn)行過程,使學(xué)生能夠進(jìn)行修改、組合和補(bǔ)充式的應(yīng)用編程。包括ARM集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2的使用與仿真調(diào)試方法、ARM中的匯編程序與C語言調(diào)用的混合編成等15個(gè)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn):主要采取精講精練的方式進(jìn)行,使學(xué)生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。教師指定幾個(gè)設(shè)計(jì)課題,并提供任務(wù)書,任務(wù)書內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)所涉及的主要內(nèi)容、要實(shí)現(xiàn)的功能說明及實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問題。學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,編寫實(shí)驗(yàn)程序,選擇硬件接口并調(diào)試,獨(dú)立進(jìn)行課題設(shè)計(jì),并寫出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師在設(shè)計(jì)過程中僅起指導(dǎo)作用。包括嵌入式Linux內(nèi)核分析、裁減、移植和燒寫在內(nèi)的10個(gè)實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn):為了培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力,研究課題和內(nèi)容由他們自己提出,或是來自教師的科研課題,或是與企業(yè)相結(jié)合的科研項(xiàng)目,學(xué)生自己討論確定研究方法和研究手段,利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件進(jìn)行課題研究,教師在一定階段給予必要的指導(dǎo)。

3嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐

(1) 注重理論知識(shí)和實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合教學(xué),著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

結(jié)合實(shí)例講解理論,使理論來源于實(shí)踐,又進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)踐。在課堂教學(xué)中,要求教師注重體現(xiàn)工科特色,突出本課程在嵌入式軟件開發(fā)中的基礎(chǔ)性作用。由于嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程體系,學(xué)生的動(dòng)手能力的培養(yǎng)是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在教學(xué)方式上,注重采用理論與案例相結(jié)合的課堂教學(xué)、系統(tǒng)的多級(jí)課程實(shí)踐、工程實(shí)習(xí)以及前沿技術(shù)講座等多種形式的教學(xué)與實(shí)訓(xùn),使學(xué)生在掌握扎實(shí)的嵌入式軟件基礎(chǔ)理論、開發(fā)技術(shù)和工具的基礎(chǔ)上,進(jìn)行嵌入式軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相統(tǒng)一。在實(shí)踐教學(xué)手段上,除了繼續(xù)加強(qiáng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和理論課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)外,還提出了“實(shí)驗(yàn)選修課”的新模式,要求各專業(yè)大學(xué)生必須修滿一定的實(shí)驗(yàn)選修課學(xué)分。實(shí)驗(yàn)選修課面向全校各專業(yè)開放,課程強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐為主,進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性的訓(xùn)練。而該課程的教授中占據(jù)著核心地位的是創(chuàng)新能力的培養(yǎng):采取學(xué)校與企業(yè)合作,企業(yè)中有工程經(jīng)驗(yàn)豐富的一線工程人員和高水平的技術(shù)團(tuán)隊(duì),構(gòu)建這樣一個(gè)高水平的學(xué)生工程實(shí)踐環(huán)境,為學(xué)生提供實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)機(jī)會(huì),完善自身職業(yè)素質(zhì)和工程能力;通過大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)競賽可以針對(duì)具體問題使學(xué)生在實(shí)踐中提高發(fā)現(xiàn)問題,解決問題的能力。

(2) 配套立體化教材,共享嵌入式系統(tǒng)教學(xué)資源。

如果僅僅是購買了一個(gè)開發(fā)套件而沒有相應(yīng)的配套技術(shù)資料,可想而知學(xué)習(xí)的效果肯定是很差的,因?yàn)橹挥信涮椎馁Y料才能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的原創(chuàng)思想,更為重要的是在學(xué)習(xí)過程中遇到了困難,配套的技術(shù)資料可以幫助老師和學(xué)生加深理解、解決問題。各硬件廠商提供的產(chǎn)品芯片說明和開發(fā)參考以及嵌入式操作系統(tǒng)的源代碼和相應(yīng)軟件環(huán)境使用說明是最好的教材。但資料多為英文,學(xué)生使用起來比較吃力,所以此時(shí)教材的選擇非常重要,課程開始給學(xué)生推薦經(jīng)典的教材,在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生盡快過渡到英文資料的閱讀和使用上。多媒體教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)的模式具有更大的優(yōu)勢,多媒體教學(xué)把枯燥的計(jì)算機(jī)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的圖像、交互和視聽媒體,把教學(xué)內(nèi)容直觀化,有利于學(xué)生更好地接受知識(shí)。同時(shí),加強(qiáng)教師的培訓(xùn),提高教師應(yīng)用網(wǎng)上資源進(jìn)行教學(xué)、整合網(wǎng)上資源的技能。

(3) 總結(jié)教學(xué)方法,提高實(shí)際教學(xué)效益。

運(yùn)用“學(xué)教并重”進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計(jì)、采取了互動(dòng)式教學(xué)、采用啟發(fā)式、范例式課堂教學(xué)、現(xiàn)代與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合,直觀、生動(dòng)的等多種教學(xué)方法,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情,讓他們成為教學(xué)中的主體,并培養(yǎng)其收集相關(guān)領(lǐng)域信息、拓寬知識(shí)面的能力。將教學(xué)的重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析問題、解決問題能力上。從而達(dá)到能理解嵌入式軟件設(shè)計(jì)文檔;獨(dú)立負(fù)責(zé)嵌入式軟件組件編碼和調(diào)試;執(zhí)行軟件組件的單元測試;符合嵌入式軟件開發(fā)企業(yè)的入職要求等教學(xué)效益。

4結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)在國內(nèi)真正得到發(fā)展還是近幾年的事情,還沒有形成統(tǒng)一的教學(xué)體系和規(guī)范,加之社會(huì)對(duì)高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才的需求日益增加,各個(gè)高校迫切要求建立嵌入式系統(tǒng)課程體系、實(shí)驗(yàn)體系、教材體系和教師培養(yǎng)體系,本文所探究的針對(duì)軟件本科專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)理論課程體系和實(shí)驗(yàn)課程體系,積累嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐,融合了社會(huì)企業(yè)的需求和軟件專業(yè)的特點(diǎn),符合實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)然,獨(dú)立軟件學(xué)院的嵌入式方向的教學(xué)還任重道遠(yuǎn),需要從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的教師在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行研究、不斷地積累經(jīng)驗(yàn),不斷地創(chuàng)新,才能培養(yǎng)出社會(huì)所需要的高素質(zhì)嵌入式技術(shù)人才。

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The Teaching Research and Practice of Embedded System for the Software Speciality

HE Jian-feng, JIANG Lin, LIU Lin

(College of Software , East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Abstract:The teaching system construction of embedded system is an important component of teaching reform in higher educational institutions. Setting up embedded system courses is an irresistible trend in colleges and universities. In this article, the embedded system teaching is analyzed from a different point of view, and the curriculum theory and experimental curriculum of the professional software for embedded systems in undergraduate stage which adapts to the social needs on teaching is discussed in detail. At the same time, a variety of teaching methods and ideas in embedded systems teaching are proposed and used in the teaching practice.

Key words: Embedded System; teaching system; teaching method; teaching practice