劉路路,王凡,江東

（合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽合肥230061）

嵌入式系統(tǒng)系列課程建設(shè)的教學(xué)研究

劉路路,王凡,江東

（合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽合肥230061）

結(jié)合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的需要，探討嵌入式技術(shù)發(fā)展對(duì)人才的需求問(wèn)題，將嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程組成課程群進(jìn)行合理建設(shè).針對(duì)課程群內(nèi)容建設(shè)、構(gòu)建課程群實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)體系、教學(xué)方法提升學(xué)生興趣幾個(gè)方面介紹嵌入式系統(tǒng)系列課程的建設(shè)工作.

嵌入式系統(tǒng)；課程群；應(yīng)用型；教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1].掌握單片機(jī)MCU、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、高性能RISC處理器ARM的設(shè)計(jì)，并了解IC、SOC及嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)人才成為新的人才競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn).尤其是實(shí)用型、復(fù)合型的嵌入式軟件工程研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目管理復(fù)合型人才更是企業(yè)追捧的對(duì)象.但是與巨大的產(chǎn)業(yè)需求和市場(chǎng)潛力相比，嵌入式系統(tǒng)方面的教育體系建設(shè)相對(duì)滯后.國(guó)內(nèi)高校原來(lái)計(jì)算機(jī)專業(yè)的相對(duì)偏軟而電子工程專業(yè)卻相對(duì)偏硬，而嵌入式系統(tǒng)需要的是軟硬件緊密結(jié)合的復(fù)合型人才，使得企業(yè)缺乏合適的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員，高校畢業(yè)生無(wú)法滿足企業(yè)需求，使得人才培養(yǎng)模式與實(shí)際人才需求嚴(yán)重脫節(jié).合肥師范學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱我校）作為新建本科院校，其主要任務(wù)是為安徽經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，也為我省的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展提供有力的人才支持.因此，積極探討嵌入式技術(shù)發(fā)展對(duì)人才的需求問(wèn)題，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)系列課程建設(shè)的教學(xué)研究以符合我省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的急迫需要.

1 目標(biāo)定位

根據(jù)企業(yè)調(diào)研，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和我校實(shí)際，以就業(yè)為導(dǎo)向，注重學(xué)生專業(yè)技能和崗位能力的培養(yǎng)，確定了我校計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)的培養(yǎng)方案，要求培養(yǎng)的學(xué)生具有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)以及良好的軟件工程專業(yè)素質(zhì)，掌握現(xiàn)代軟件工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試技能.重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)軟件工程實(shí)踐能力，包括各種嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)、調(diào)試和測(cè)試工具，畢業(yè)后學(xué)生有能力適應(yīng)巨大的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品市場(chǎng)需求，成為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品企業(yè)所急需的掌握嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)和管理的應(yīng)用型人才.

由于嵌入式軟件人才的培養(yǎng)不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件人才的培養(yǎng)，除了學(xué)習(xí)軟件工程的軟件開(kāi)發(fā)流程、項(xiàng)目管理等方面的知識(shí)外，還需掌握計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)、嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)與調(diào)試和測(cè)試工具，這就需要解決課時(shí)總量一定而專業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大的矛盾，如果課程設(shè)置不合理，不但造成新的課程學(xué)生接受不了，傳統(tǒng)課程體系的優(yōu)勢(shì)也會(huì)被破壞.為了解決這一矛盾，我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系(以下簡(jiǎn)稱我系)將嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程組成課程群進(jìn)行合理建設(shè)，組成教師團(tuán)隊(duì)開(kāi)展課程群的建設(shè)研究，整合各課程教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量.課程群的課程主要有[2]：硬件先期基礎(chǔ)課程包括電子電路、組成原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用；軟件先期基礎(chǔ)課程包括C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、軟件工程、軟件項(xiàng)目管理，最后進(jìn)行嵌入式驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的課程教學(xué).課程群結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2 課程群內(nèi)容建設(shè)

在通過(guò)一系列的調(diào)研和分析之后，對(duì)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面的課程進(jìn)行了全面的梳理，根據(jù)各門(mén)具體課程內(nèi)容縱向的傳承關(guān)系，橫向的內(nèi)在的聯(lián)系將課程群的內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化，補(bǔ)充部分在實(shí)際工程實(shí)踐中需要的相關(guān)知識(shí)，刪除一些過(guò)時(shí)和重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)注意調(diào)整教學(xué)順序，保證知識(shí)的系統(tǒng)性，更利于學(xué)生接受消化和理解.并通過(guò)連貫性，系統(tǒng)性的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，更加有效地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，使整個(gè)課程群的教學(xué)內(nèi)容針對(duì)性更加突出.以保證學(xué)生之后能夠真正地掌握嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)，提高開(kāi)發(fā)和應(yīng)用嵌入式程序的能力.

圖1 課程群結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件基礎(chǔ)

電子電路：包括模擬電路和數(shù)字電路兩部分內(nèi)容，這類課程的授課內(nèi)容是使學(xué)生掌握模擬電路和數(shù)字電路的基本理論、元器件的構(gòu)成和特性，電路分析和設(shè)計(jì)，熟練使用儀器儀表，授課時(shí)主要注意和后期專業(yè)課程進(jìn)行銜接，尤其注意提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手操作能力，包括能夠熟練使用焊接工具焊接集成器件，能夠閱讀原理圖，會(huì)分析以及調(diào)試電路，讓學(xué)生覺(jué)得學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際.

組成原理：詳細(xì)介紹組成計(jì)算機(jī)的各部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)方法.介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的互連、指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程，讓學(xué)生形成整機(jī)的概念.為了便于學(xué)生對(duì)基本概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、使用方面的能力，介紹一種或兩種有代表性的機(jī)型結(jié)構(gòu).特別注意培養(yǎng)學(xué)生從硬件和軟件的結(jié)合上思考、分析、解決問(wèn)題的初步能力.

單片機(jī)原理及應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程是嵌入式課程群教學(xué)的基礎(chǔ)和入門(mén)，在嵌入式方向應(yīng)用型人才培養(yǎng)中占有舉足輕重的作用，旨在傳授給學(xué)生綜合運(yùn)用嵌入式處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的基本方法和能力.目前在實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)的種類非常多，因而該課程的教學(xué)主要選取目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上覆蓋和利用率最廣的MCU51系列芯片作為樣板，學(xué)習(xí)單片機(jī)的核心架構(gòu)以及各個(gè)功能模塊、各種接口程序的編寫(xiě)，并詳細(xì)介紹單片機(jī)在各種場(chǎng)合的應(yīng)用.要求學(xué)生掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、各種接口的應(yīng)用，單片機(jī)硬件系統(tǒng)擴(kuò)展的基本概念、基本方法和單片機(jī)軟件編寫(xiě)的基本原則，著重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及編寫(xiě)程序的能力.

2.2 軟件基礎(chǔ)[3]

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì):C語(yǔ)言是當(dāng)今世界嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最主流開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，特別是基于ARM和Linux的嵌入式系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，所以為了結(jié)合后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要，需要調(diào)整C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，強(qiáng)化指針、位操作、函數(shù)，并加強(qiáng)兩周的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)能力.教學(xué)中可以結(jié)合一些簡(jiǎn)單的單片機(jī)開(kāi)發(fā)的小程序如流水燈實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生以后學(xué)習(xí)的興趣.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是從事計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的必備的基礎(chǔ)知識(shí).高效、實(shí)時(shí)、可靠對(duì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要，要求學(xué)生掌握在硬件資源有限的情況下，如何提高代碼質(zhì)量，優(yōu)化算法，提高軟件的執(zhí)行速度，更好地滿足實(shí)時(shí)性的要求；減少目標(biāo)代碼的長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷，提高系統(tǒng)的性能和處理速度.

操作系統(tǒng)：當(dāng)前面向高端應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)基本上使用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，且采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，核心就是任務(wù)和內(nèi)存管理.由于大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各線程實(shí)際上共享的是一個(gè)運(yùn)行空間而這些內(nèi)容關(guān)系到嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成敗，在講述操作系統(tǒng)基本內(nèi)容的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)提出，并面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用舉出實(shí)例.在操作系統(tǒng)課程的授課時(shí)需結(jié)合linux操作系統(tǒng)進(jìn)行講解分析，以便學(xué)生在掌握Linux操作系統(tǒng)后可以快速深入了解主流帶操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和方法.

軟件工程/軟件項(xiàng)目管理：嵌入式軟件工程人員必須首先具有軟件工程的基本知識(shí)和工程技能，包括軟件工程管理、軟件質(zhì)量、軟件工程過(guò)程等，這些基本知識(shí)也正是目前非軟件工程背景的嵌入式軟件人員所忽視和缺乏的.但是，嵌入式軟件工程人才又必須掌握嵌入式軟件工程的特殊性，例如軟硬件一體化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、開(kāi)發(fā)工具和方法等，因此，在課程內(nèi)容設(shè)置上，除了講解軟件工程的基本模型和基本方法外，還要將嵌入式系統(tǒng)新近發(fā)展起來(lái)的如軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、模塊的可重用和可移植設(shè)計(jì)等一些新方法和技術(shù)列入到課程內(nèi)容中去.

2.3 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程

包括嵌入式驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)課程，課程內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)時(shí)內(nèi)核的基本原理，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核及文件、網(wǎng)絡(luò)、GUI.培養(yǎng)學(xué)生具備嵌入式微處理器ARM的基本知識(shí)和編程能力，具備嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O接口的編程能力，培養(yǎng)學(xué)生熟練使用嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、測(cè)試等開(kāi)發(fā)工具.通過(guò)課程設(shè)計(jì)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐幫助學(xué)生積累開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟硬平臺(tái)多樣性的特點(diǎn)舉一反三,具有創(chuàng)新思維和獨(dú)立分析解決問(wèn)題能力.

3 構(gòu)建課程群實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)體系

嵌入式類課程群是一個(gè)理論和實(shí)踐教學(xué)的綜合體，在課程群體系中，需注意各門(mén)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合理安排與相互銜接，使學(xué)生得到設(shè)計(jì)、綜合技能的全面訓(xùn)練．我系進(jìn)行的立體化實(shí)踐教學(xué)體系，取得了良好的效果.將實(shí)踐教學(xué)分成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課程企業(yè)見(jiàn)習(xí)及專業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)五個(gè)階段完成.其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)配合理論課的學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣和訓(xùn)練他們開(kāi)發(fā)的基本能力；項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)階段以課程企業(yè)見(jiàn)習(xí)和專業(yè)實(shí)習(xí)的方式進(jìn)行，構(gòu)建虛擬嵌入式開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和管理模式，使得學(xué)生在完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)可以真題真做，通過(guò)實(shí)際動(dòng)手的綜合設(shè)計(jì)掌握企業(yè)嵌入式開(kāi)發(fā)流程；最后通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合實(shí)踐能力的提高.通過(guò)實(shí)踐，使學(xué)生能夠整合嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)理論，并在實(shí)際開(kāi)發(fā)中得到工程能力培養(yǎng).

4 教學(xué)方法提升學(xué)生興趣

4.1 精選入門(mén)程序

為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程可以精選一些簡(jiǎn)單直觀的入門(mén)程序.一般來(lái)說(shuō)，第一個(gè)工程安排應(yīng)“短小直觀”為原則，以達(dá)到讓學(xué)生直觀的了解程序框架和工作過(guò)程的目的[4].以嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)課程為例，選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的可供觀察的小程序，進(jìn)行編譯、鏈接下載到芯片內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，然后將程序下載到目標(biāo)MCU中，在目標(biāo)板上，讓學(xué)生注意觀察整個(gè)過(guò)程.同時(shí)可以在被測(cè)程序中插入一些函數(shù)與語(yǔ)句這樣可以進(jìn)一步利用嵌入式軟件的打樁調(diào)試技術(shù)，讓學(xué)生可以更方便的通過(guò)在硬件板上顯示的物理現(xiàn)象來(lái)觀察程序的運(yùn)行情況.

4.2 參賽

組織指導(dǎo)學(xué)生成立興趣小組參加嵌入式系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)大賽，讓學(xué)生在競(jìng)賽中檢驗(yàn)并進(jìn)一步提高自己的實(shí)踐創(chuàng)新能力.近年來(lái)，由于我系有著健全的創(chuàng)新管理機(jī)制，特別是教師的積極組織和學(xué)生的熱情參與，使得學(xué)生參加國(guó)家級(jí)以及省級(jí)的各項(xiàng)比賽，取得了一定的成績(jī)，包括全國(guó)機(jī)器人大賽，全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽等，而通過(guò)這些比賽，可以帶動(dòng)更多的學(xué)生加入到興趣小組，帶動(dòng)更多的學(xué)生自覺(jué)投身到實(shí)踐學(xué)習(xí)當(dāng)中，從而有助積極氛圍的營(yíng)造和優(yōu)良風(fēng)氣的形成，也推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)系列課程的建設(shè).

4.3 開(kāi)展嵌入式系列講座

針對(duì)學(xué)生舉辦嵌入式系統(tǒng)方向應(yīng)用型人才培養(yǎng)系列講座，旨在通過(guò)綜合介紹計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，核心課程結(jié)構(gòu)和作用，使學(xué)生明確學(xué)什么？怎么學(xué)？嵌入式方向講座針對(duì)嵌入式系統(tǒng)范圍廣，跨度大，知識(shí)點(diǎn)多而雜的特點(diǎn)，從硬件軟件兩方面引入專業(yè)基礎(chǔ)課程，然后開(kāi)始較簡(jiǎn)單的無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)介紹，最后引入現(xiàn)在主流帶操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng).從簡(jiǎn)入繁，依據(jù)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一層一層引入各門(mén)核心課程，給學(xué)生以直觀了解.方便學(xué)生明確自己未來(lái)工作所處的計(jì)算機(jī)層次，有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，為后續(xù)因材施教、學(xué)生綜合能力提升、創(chuàng)新能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ).

〔1〕李亞峰,歐文盛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

〔2〕王曉薇.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的嵌入式課程群建設(shè)的探索與實(shí)踐[C]//大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇組委會(huì).大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇論文集.北京：高等教育出版社，2010.1-4.

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〔4〕王志超,王宜懷.從嵌入式系統(tǒng)教學(xué)談學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育,2010(3)：150-152.

G642.0

A

1673-260X（2013）06-0230-03

合肥師范學(xué)院院級(jí)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2010yj29）