摘要：為了提高嵌入式系統(tǒng)選修課程的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生動手實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，文章從編寫教材、研發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器、改進(jìn)教學(xué)模式、調(diào)動學(xué)生積極性等方面，給出了適應(yīng)計算機(jī)本科專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)特點(diǎn)和授課方法。實(shí)踐表明，該方法對于課時緊、內(nèi)容廣、實(shí)踐性強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)課程行之有效。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 實(shí)踐教學(xué)改革 競賽與創(chuàng)新
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0046-03 中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　近年來，與我國嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的迅猛發(fā)展和巨大的產(chǎn)業(yè)需求相比，嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)相對落后[1]。在這種背景下，許多高校為軟件、計算機(jī)以及微電子、電子信息工程、自動化等相關(guān)專業(yè)增設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程。目前，北大、清華、北航等學(xué)校已經(jīng)把嵌入式作為一個專業(yè)方向，并建立了完整的嵌入式系統(tǒng)課程體系[2]。由于受傳統(tǒng)的專業(yè)課程設(shè)置、師資、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等條件的限制，蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(以下簡稱“我院”)尚未成立嵌入式系統(tǒng)專業(yè)，目前的嵌入式系統(tǒng)課程為選修課，每年開設(shè)一學(xué)期(18周)，每周6學(xué)時，選修對象僅為高年級計算機(jī)專業(yè)本科生。下面結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對嵌入式系統(tǒng)選修課程的教學(xué)方法和特點(diǎn)進(jìn)行探討，以便具有相同情況的院校教師借鑒。
　　1 自主編寫教材，自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺
　　目前，嵌入式系統(tǒng)相關(guān)教材琳瑯滿目，具體選擇哪一本作為教科用書至關(guān)重要。由于各個學(xué)校的特點(diǎn)、生源的質(zhì)量以及專業(yè)的課程體系不同，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)計劃和教學(xué)目標(biāo)也不盡相同。在Freescale(飛思卡爾)大學(xué)計劃的支持下，結(jié)合我院具體情況，我們自主編寫了教材并研發(fā)了實(shí)驗(yàn)平臺。
　　1.1 自主編寫教材
　　由于我院的計算機(jī)專業(yè)本科一、二年級，數(shù)字邏輯、C/C++語言、操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等是各個專業(yè)方向的公共基礎(chǔ)課，在本科三、四年級開設(shè)嵌入式系統(tǒng)選修課程的目的，旨在為對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用感興趣的同學(xué)提供一個學(xué)習(xí)的機(jī)會，為他們?nèi)蘸箝_發(fā)測控領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。據(jù)此，我院組織了一批骨干教師自主編寫了《基于32位ColdFire構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)》一書，作為嵌入式系統(tǒng)選修課程的教材。該教材以Freescale半導(dǎo)體公司的32位ColdFire系列微控制器MCF52233(含以太網(wǎng)接口)、MCF52235(含CAN總線接口)、MCF52223(含USB2.0接口)三個型號為藍(lán)本，闡述嵌入式系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計。內(nèi)容包括：嵌入式系統(tǒng)的知識體系、學(xué)習(xí)誤區(qū)和學(xué)習(xí)建議；ColdFire系列微處理器特點(diǎn)；MCF52233硬件最小系統(tǒng)；UART、鍵盤、LED、LCD、AD、QSPI、I2C等模塊的應(yīng)用；Flash存儲器在線編程；CAN總線、嵌入式以太網(wǎng)、USB 2.0通信機(jī)理；μC/OS-Ⅱ在ColdFire上的移植與應(yīng)用等。
　　1.2 自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺
　　為提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，我院建立了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供了良好的實(shí)踐學(xué)習(xí)條件。學(xué)生實(shí)驗(yàn)所用儀器為自主研發(fā)的“SD嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱”。每臺實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)配有電源適配器、擴(kuò)展板、核心板、通信線(網(wǎng)線、串行口線、USB線)等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟛煌?，將相關(guān)核心板插入到擴(kuò)展板上即可。例如，做網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)時需插上MCF52233核心板；做USB2.0通信實(shí)驗(yàn)時需插上MCF52223核心板。實(shí)驗(yàn)箱提供的對外接口包括串行口、USB、SPI、網(wǎng)絡(luò)、AD采集、鍵盤、液晶、數(shù)碼管等。這種“擴(kuò)展板+核心板”的實(shí)驗(yàn)箱組成方式為以后學(xué)習(xí)新的微處理提供了便利。
　　由于教材與實(shí)驗(yàn)箱均為自主編寫和開發(fā)，教材中的每個實(shí)驗(yàn)均可在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)踐，避免了教材與實(shí)驗(yàn)設(shè)備不統(tǒng)一的問題。
　　2 強(qiáng)調(diào)教學(xué)手段靈活多變
　　由于我院的嵌入式系統(tǒng)選修課程面向全院各專業(yè)學(xué)生，學(xué)生的前期課程設(shè)置不盡相同，水平參差不齊。起初嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)模式是，教師每周利用3節(jié)課時間在多媒體教室講課；再利用3節(jié)課時間安排學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)踐證明，這種方法的教學(xué)效果比較差，由于理論課和實(shí)驗(yàn)課時間安排不連貫，學(xué)生在課堂上學(xué)到的知識得不到及時鞏固、理解和加深，實(shí)驗(yàn)課上總是出現(xiàn)學(xué)生無從下手、一臉茫然的情況。后來，我們改變了這種授課模式，教學(xué)活動直接移到嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并靈活選擇各種教學(xué)手段，效果不錯。
　　2.1 合理安排理論課與實(shí)踐課
　　對于某些通用知識或理論性比較強(qiáng)的內(nèi)容(例如微處理器的體系結(jié)構(gòu)、SPI/CAN/USB/IIC通信機(jī)理等)，可采用“先上課后實(shí)驗(yàn)”方式。在教師講解的過程中，學(xué)生不做實(shí)驗(yàn)。只有讓學(xué)生在透徹理解基本原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生才能讀懂范例程序，進(jìn)而在范例程序的基礎(chǔ)上能夠完成其他實(shí)驗(yàn)。
　　對于有些內(nèi)容，可采用“先實(shí)驗(yàn)后上課”方式，即先由學(xué)生將范例程序?qū)懭隖lash運(yùn)行并觀察。當(dāng)學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，會產(chǎn)生好奇的心理，從而激發(fā)出他們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。例如，對于四聯(lián)排數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)，寫入范例程序后，數(shù)碼管上會顯示“1234”。教師可讓學(xué)生帶著下面兩個問題聽課：①四個數(shù)字是如何同時顯示的？②如果要滾動顯示“1234”應(yīng)該如何修改范例程序？在這種“尋根究底”的教學(xué)模式下，學(xué)生的聽課注意力會更加集中。
　　2.2 分層設(shè)計嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
　　嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。因此，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)計技術(shù)的關(guān)鍵。我們將嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分為三個層次：驗(yàn)證型、改進(jìn)型和綜合型，并且要求學(xué)生獨(dú)立完成每個實(shí)驗(yàn)。
　　驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是最基本的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的范例程序由教師編寫，嚴(yán)格遵循模塊化設(shè)計規(guī)則，并附有詳盡的使用說明，包括注意事項(xiàng)、需要的硬件連線等。這種實(shí)驗(yàn)的目的是使所有學(xué)生都能夠順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容規(guī)定的操作并得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)他們獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的自信心，同時要求學(xué)生看懂范例程序的執(zhí)行流程，掌握程序的編寫規(guī)范。如果不提供范例程序，而由學(xué)生從零開始編寫，事實(shí)證明，將會有一半的學(xué)生因?yàn)殚L時間調(diào)試不成功而心灰意冷，失去了繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的勇氣。該層次實(shí)驗(yàn)要求所有學(xué)生必須完成。
　　改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件和硬件的改進(jìn)，以完成更加復(fù)雜的功能。例如，在串行口通信的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了微處理器一次僅接收PC機(jī)發(fā)送的一個字符；而在改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)微處理器一次能夠接收PC機(jī)發(fā)送的一串字符。通過改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)可檢查學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，同時也讓學(xué)生體會到自己動手的樂趣和實(shí)驗(yàn)成功的喜悅。該層次實(shí)驗(yàn)也要求所有學(xué)生必須完成。
　　在學(xué)生積累了一定的嵌入式知識后，教師可布置綜合型實(shí)驗(yàn)作業(yè)。例如講解完LED、LCD、鍵盤以及UART之后，可要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)：按下鍵盤上的某個鍵，將此鍵的自定義鍵符分別顯示在LED和LCD上，同時通過串行口發(fā)送到PC機(jī)。綜合型實(shí)驗(yàn)的目的是提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識、分析問題以及解決問題的能力，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，達(dá)到將所學(xué)知識融會貫通的效果。根據(jù)綜合型實(shí)驗(yàn)難度的不同，有時要求所有學(xué)生完成，有時僅要求部分學(xué)生完成。
　　2.3 充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段
　　作為傳統(tǒng)板書教學(xué)的補(bǔ)充，因便于插入圖片和動畫，多媒體教學(xué)對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增加授課生動性大有裨益[3]。例如，若在課堂上通過板書形式繪制硬件電路圖，勢必要花費(fèi)很長時間，而且與多媒體屏幕展示的電路圖相比，在清晰度和美觀性上都相對欠缺；而對于一些生動的教學(xué)圖片或教學(xué)動畫，板書形式根本無法表達(dá)。此外，多媒體教學(xué)所用的電子資料(如教學(xué)課件、教學(xué)影片等)可供教師重復(fù)利用和更新，也便于學(xué)生復(fù)制和閱讀。
　　
　　目前，各大高校都建立了校園網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)同時影響著教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的改進(jìn)。為了方便師生之間的交流溝通和資源共享，我們精心設(shè)計并創(chuàng)辦了嵌入式系統(tǒng)輔助教學(xué)平臺，作為對傳統(tǒng)教學(xué)方式的補(bǔ)充。教學(xué)平臺提供了學(xué)生在線、教師在線、模擬測試、資料下載、師生交流等模塊。學(xué)生可在線查看或下載各種嵌入式學(xué)習(xí)資料，如教學(xué)課件和實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)擴(kuò)展板和各種核心板的原理圖以及元件布局圖、繪制原理圖和布線圖的規(guī)范、底層軟件編程規(guī)范、芯片手冊以及應(yīng)用筆記等，同時，可把每次實(shí)驗(yàn)的程序代碼和實(shí)驗(yàn)報告上傳，供任課教師檢查評閱。教師通過該平臺可查看學(xué)生作業(yè)，編輯題庫，組織試卷以及發(fā)布公告等。教學(xué)平臺還開辟了嵌入式學(xué)習(xí)討論區(qū)和答疑區(qū)，及時解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題。
　　3 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高教師自身素養(yǎng)
　　嵌入式系統(tǒng)課程的教與學(xué)是一個“合作”的過程，衡量這種“合作”是否成功的標(biāo)準(zhǔn)是看學(xué)生能否將所學(xué)的知識應(yīng)用到具體的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)中[4]。在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，雖然我院的嵌入式系統(tǒng)課程為選修課，但有些同學(xué)對該課程興趣濃厚，思維開闊。因此，我們每學(xué)期采用“雙向選擇”的方式選拔一些同學(xué)，由專職教師帶隊(duì)指導(dǎo)，積極參加各種嵌入式設(shè)計大賽，并取得了較好成績。2009年11月，我院組成的兩支隊(duì)伍在長三角地區(qū)的“IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠走迷宮”競賽中獲得1個一等獎和1個三等獎，最終在北京航空航天大學(xué)舉辦的全國總決賽中獲得三等獎。為了拓寬學(xué)生的知識視野，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，增長相關(guān)行業(yè)背景知識，我們也會選拔一批有潛質(zhì)的學(xué)生投入到教師的科研項(xiàng)目開發(fā)中，更好地實(shí)現(xiàn)“教師為主、學(xué)生參與”的教學(xué)結(jié)構(gòu)。截至目前為止，學(xué)生參與的項(xiàng)目有校園機(jī)動車管理系統(tǒng)、城市照明智能控制系統(tǒng)、小區(qū)電動車管理系統(tǒng)、基于二代身份證的考勤系統(tǒng)等。實(shí)踐表明，參加過競賽和科研項(xiàng)目的學(xué)生基礎(chǔ)知識更加扎實(shí)，自學(xué)能力和動手能力大幅提高。
　　此外，為了緊跟時代的步伐，時刻引領(lǐng)新知識、新技術(shù)，避免知識的陳舊性，教師應(yīng)充分利用寒暑假時間參加各種嵌入式系統(tǒng)師資培訓(xùn)，與兄弟院校的同行交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)工作之余，積極主動與企業(yè)洽談合作科研項(xiàng)目，提高自身的科研能力。
　　4 結(jié)語
　　最適合的方法才是最好的方法[5]。由于我院的計算機(jī)專業(yè)本科生側(cè)重于高端應(yīng)用程序的開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)課程僅為高年級的選修課程，完善的課程體系尚未建立，因此，在教學(xué)中，我們沒有照搬照抄其他院校的教學(xué)模式，而是根據(jù)我院學(xué)生的具體特點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容、側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)硬件驅(qū)動程序的能力。經(jīng)過幾年的努力，我們自己摸索出來的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法越來越得到同行和學(xué)生的認(rèn)可，每年選修該課程的學(xué)生人數(shù)急劇增加就是最好的印證。
　　參考文獻(xiàn)：
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