姚文卿　董良威　韓益鋒

摘 要： 文章以常州工學(xué)院“嵌入式應(yīng)用”重點(diǎn)課程群建設(shè)為背景，針對(duì)應(yīng)用型本科院校嵌入式類課程知識(shí)老化、結(jié)構(gòu)不合理等實(shí)際情況，從課程群體系、課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行了探討。該課程群圍繞嵌入式應(yīng)用由淺入深，課程內(nèi)容緊貼工程實(shí)際，理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了有益的嘗試和探索。

關(guān)鍵詞： 嵌入式應(yīng)用 教學(xué)體系 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

嵌入式技術(shù)是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。嵌入式技術(shù)的發(fā)展，是當(dāng)今新型技術(shù)時(shí)代的一個(gè)重大標(biāo)志。

在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時(shí)代，技術(shù)的飛速進(jìn)步及市場(chǎng)對(duì)高端智能產(chǎn)品需求的日趨增長(zhǎng)，8/16位微處理器已無(wú)法滿足高端智能產(chǎn)品對(duì)微處理器性能的最低要求。而32位嵌入式微處理器因其高主頻、低功耗、高性價(jià)比、可運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在高端智能產(chǎn)品、工業(yè)控制、信息家電等領(lǐng)域已取得了廣泛應(yīng)用[1，2]。

近年來(lái)，在電子信息學(xué)科單片機(jī)原理及應(yīng)用課程、16位及32位微機(jī)原理及接口電路等課程的教學(xué)中，仍以匯編語(yǔ)言、接口編程等作為主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講授，現(xiàn)有課程內(nèi)容、教學(xué)設(shè)施和教學(xué)手段與現(xiàn)今嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，技術(shù)差距在不斷加大，傳統(tǒng)的課程體系和教學(xué)方法已經(jīng)無(wú)法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。為此，更新嵌入式應(yīng)用相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行課程改革和實(shí)驗(yàn)建設(shè)迫在眉睫。

1.循序漸進(jìn)，構(gòu)建三位一體的課程群體系

目前嵌入式應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)主要有三種形式：面向?qū)崟r(shí)性要求較低、無(wú)需多線程的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，一般選用單片機(jī)等8位或16位處理器的解決方案，適用于低端應(yīng)用場(chǎng)合；面向處理速度較快、需要操作系統(tǒng)支持的場(chǎng)合，可選用基于FPGA或ARM的片上系統(tǒng)（SOC）的解決方案，適用于高端應(yīng)用場(chǎng)合；而在如汽車電子、航空航天等工業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合，一般自主開(kāi)發(fā)專用數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用[3]。

圖1 嵌入式應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)形式

嵌入式應(yīng)用課程群針對(duì)這三個(gè)方向開(kāi)設(shè)三門主干課程：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用、片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，《單片機(jī)原理與應(yīng)用》以8051為代表，主要講授8位微處理器的結(jié)構(gòu)和工作原理，讓學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)形成基本概念，學(xué)習(xí)一般微處理器的指令集、工作原理、硬件配置和軟件開(kāi)發(fā)?！镀舷到y(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》以FPGA為平臺(tái)，著重講授SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在先修課程的基礎(chǔ)上逐步深入，讓學(xué)生從這門課程的講授中既能學(xué)習(xí)到實(shí)用性較強(qiáng)的簡(jiǎn)單數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，又能接觸到如底層驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等嵌入式應(yīng)用的前沿技術(shù)。最后，特別針對(duì)本專業(yè)微電子的專業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)《數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)》，專門講授嵌入式處理器數(shù)字IC的開(kāi)發(fā)和使用，培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計(jì)具有自主系統(tǒng)架構(gòu)嵌入式專用IC芯片的能力，形成本專業(yè)特色鮮明的培養(yǎng)模式。

圖2 嵌入式應(yīng)用課程群體系

2.教學(xué)科研并重，不斷更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

嵌入式領(lǐng)域的技術(shù)更新?lián)Q代速度十分的快，因此，要求教師在教學(xué)過(guò)程中不斷跟蹤新技術(shù)，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在“嵌入式應(yīng)用”課程群建設(shè)的過(guò)程中，我們將課程的教學(xué)內(nèi)容和教師所承擔(dān)各級(jí)科研項(xiàng)目中所獲得的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合起來(lái)，在每個(gè)輪次的教學(xué)中，都會(huì)根據(jù)目前最新的前沿技術(shù)，加入一部分新的教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到更好地提升學(xué)生知識(shí)水平的效果。我們編寫了適合我校辦學(xué)特色的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）指導(dǎo)書、PPT教學(xué)課件、AVI視頻教學(xué)動(dòng)畫等教學(xué)資料。目前，課程群中三門課程在教學(xué)內(nèi)容和方法方面都進(jìn)行了有益的探索。

（1）《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程采用目前工程實(shí)踐廣泛采用的C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行描述，改變了以往使用匯編語(yǔ)言講授枯燥、乏味的特點(diǎn)，更易于學(xué)生理解和實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，我們還在課堂教學(xué)中引入了Proteus單片機(jī)仿真軟件進(jìn)行案例教學(xué)。在講授完單片機(jī)的基本原理之后，教師以講授實(shí)際案例為手段訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于各知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力[4]。在此過(guò)程中，學(xué)生與教師同步在課堂中用自己的計(jì)算機(jī)完成案例的復(fù)現(xiàn)，并用Proteus仿真軟件驗(yàn)證程序運(yùn)行的實(shí)際效果。應(yīng)用案例教學(xué)法，學(xué)生的學(xué)習(xí)不再是一味地聽(tīng)，而轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐中嘗試、總結(jié)和提升，學(xué)生學(xué)習(xí)效果顯著強(qiáng)化。

（2）《片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》是一門新開(kāi)課程，主要講授Nios II軟核處理器的體系結(jié)構(gòu)、外圍設(shè)備和SOPC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程。在課程內(nèi)容上，側(cè)重嵌入式處理器的應(yīng)用而非原理，避免與單片機(jī)課程重復(fù)。在上一學(xué)期學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)課程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講授SDRAM存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器、UART接口等低端單片機(jī)系統(tǒng)不涉及的內(nèi)容和應(yīng)用實(shí)例。在教學(xué)方法上，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)例為主體，介紹軟硬件的開(kāi)發(fā)流程，開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用和編程思想，使學(xué)生循序漸進(jìn)，逐步深入[5]。例如：設(shè)計(jì)一個(gè)點(diǎn)陣顯示屏控制器，圍繞這個(gè)任務(wù)讓學(xué)生熟悉構(gòu)建SOPC系統(tǒng)所要用到的外部RAM接口、外部Flash接口、Avalon三態(tài)橋、定時(shí)器、鎖相環(huán)、自定義點(diǎn)陣等外設(shè)的特點(diǎn)和編程方法。這種教學(xué)方法將學(xué)習(xí)的難點(diǎn)分散到各個(gè)任務(wù)中，能使學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)深刻理解所學(xué)內(nèi)容。

（3）《數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)》課程以Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，從最簡(jiǎn)單的邏輯電路設(shè)計(jì)開(kāi)始，逐步深入復(fù)雜的微處理器電路設(shè)計(jì)。在教學(xué)內(nèi)容上，針對(duì)嵌入式應(yīng)用課程群的特點(diǎn)，圍繞微處理器的主要結(jié)構(gòu)如ALU、ROM、寄存器組、RISC模型機(jī)等電路的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行講授，學(xué)生在經(jīng)過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)后，可以掌握自己動(dòng)手開(kāi)發(fā)一塊具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用嵌入式處理器芯片的能力。

3.開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

應(yīng)用型本科人才并不是“狹窄于技術(shù)”的工匠，應(yīng)具有開(kāi)放的辯證思維和創(chuàng)新精神。在嵌入式課程群實(shí)踐體系的建設(shè)過(guò)程中，除了開(kāi)設(shè)常規(guī)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以外，在《片上系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用》和《數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)中開(kāi)設(shè)了一系列的綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，這些課題來(lái)源于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和科研項(xiàng)目，由學(xué)生自行提出可行的設(shè)計(jì)方案，與指導(dǎo)老師共同討論后實(shí)施，整個(gè)過(guò)程由學(xué)生主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。我們將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為以下三類。

（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。主要是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的指導(dǎo)下將理論課上所掌握的知識(shí)和概念通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行鞏固，通過(guò)直觀、具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論結(jié)果，熟悉軟件使用方法和設(shè)計(jì)流程。包括PWM直流電機(jī)控制、標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備字符串流控制、PIO控制流水燈、自定義外設(shè)點(diǎn)陣控制等實(shí)驗(yàn)。

（2）綜合性實(shí)驗(yàn)。這部分實(shí)驗(yàn)區(qū)別于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，并不給出具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，只給出基本原理和大致方案，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，周全考慮，自行確定具體的實(shí)驗(yàn)步驟和方法。這部分實(shí)驗(yàn)往往涉及多門知識(shí)點(diǎn)甚至是多門課程，包括無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集、μC-OS多任務(wù)操作系統(tǒng)、觸摸屏人機(jī)交互等實(shí)驗(yàn)。

（3）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。這部分實(shí)驗(yàn)主要面向部分基礎(chǔ)知識(shí)過(guò)硬、動(dòng)手能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生，利用課外時(shí)間提高他們?cè)谇度胧綉?yīng)用方面的實(shí)際能力。這類實(shí)驗(yàn)以省、校兩級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目為載體，不拘泥于理論和實(shí)驗(yàn)課程的范圍，由學(xué)生自主選題，形成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，由團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)。我們成立了開(kāi)放的嵌入式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室由老師、實(shí)驗(yàn)員和高年級(jí)學(xué)生共同值班，學(xué)生可以隨時(shí)申請(qǐng)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這種形式的鍛煉，嵌入式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)在省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)電子專業(yè)人才設(shè)計(jì)與技能大賽中都取得了優(yōu)異成績(jī)。

4.結(jié)語(yǔ)

嵌入式應(yīng)用課程群經(jīng)過(guò)以上所述課程體系的調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容的豐富及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，不斷增加新知識(shí)，改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法，通過(guò)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教學(xué)科研的結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了有益嘗試和探索。未來(lái)我們將在深化教學(xué)改革的過(guò)程中不斷探索，不斷完善，探索出一套適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的嵌入式應(yīng)用教學(xué)培養(yǎng)模式。

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基金項(xiàng)目：2010年常州工學(xué)院重點(diǎn)課程群建設(shè)項(xiàng)目。