黃麗

摘 要 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在嵌入式系統(tǒng)課程中具有極其重要的作用，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性項(xiàng)目，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力較差。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，本文主要探討了競賽驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑥娜齻€(gè)方面分層次、有步驟地推進(jìn)教學(xué)改革，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 電子設(shè)計(jì)競賽 嵌入式系統(tǒng) 實(shí)踐教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：H191 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.051

1電子設(shè)計(jì)競賽需求

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是由教育部組織的、面向全國大學(xué)生的科技活動(dòng)，主要目的是推動(dòng)電子信息類學(xué)科發(fā)展，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容改革，同時(shí)培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。①促使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，選拔優(yōu)秀人才， 因此得到各個(gè)高等院校的高度重視，大學(xué)生參與的積極性也較高。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽在奇數(shù)年的暑假舉行，比賽時(shí)間是四天三夜，每支隊(duì)伍由三名學(xué)生參賽。由于比賽時(shí)間短，要在四天內(nèi)完成實(shí)物制作和設(shè)計(jì)報(bào)告，并達(dá)到較高的性能指標(biāo)，必須在課程教學(xué)中深化知識(shí)內(nèi)容，并加強(qiáng)模塊訓(xùn)練，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽題目共分為7大類，每類題目都涉及軟硬件知識(shí)，偏硬件的題目以高頻無線電、放大器、電源、信號(hào)源為主，偏軟件的題目以儀器儀表、數(shù)據(jù)采集處理和控制為主。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中使用的微處理器性能要求逐漸提高，CPU也從16位單片機(jī)轉(zhuǎn)換到32位。近幾年競賽隊(duì)伍多采用低成本、低功耗的32位ARM單片機(jī)作為主控芯片，廣泛應(yīng)用于各類題目中，例如信號(hào)源、高頻無線電、儀器儀表、數(shù)據(jù)采集與處理、控制等。

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽為了培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)的實(shí)踐型人才，既是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的挑戰(zhàn)， 同時(shí)也能夠反應(yīng)課程教學(xué)水平和教學(xué)改革的成敗。題目涉及眾多科目，要求學(xué)生具備綜合應(yīng)用能力。以理論設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。近年來電子設(shè)計(jì)競賽題目趨于高頻化和智能化，以單片機(jī)為教學(xué)重點(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)課程成為必須掌握的知識(shí)技能。

2嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

目前嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課教學(xué)中，通常以32位單片機(jī)為例講授相關(guān)的知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。②嵌入式系統(tǒng)作為一門綜合性專業(yè)課程，涉及的知識(shí)點(diǎn)較廣泛，但往往課堂時(shí)間有限，學(xué)生能夠投入動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少。高校中嵌入式系統(tǒng)教學(xué)還有許多值得探討改進(jìn)之處，例如實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中學(xué)生創(chuàng)新性不足；學(xué)生在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)不具備整體設(shè)計(jì)意識(shí)，底層硬件驅(qū)動(dòng)軟件開發(fā)水平不足。③傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)偏理論、輕實(shí)踐；重分析、輕綜合；重個(gè)體、輕協(xié)作。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容陳舊、形式呆板、方法單一。④按照傳統(tǒng)方法培養(yǎng)的學(xué)生，在參賽時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)很多問題。比如理論設(shè)計(jì)正確卻無法在工程上實(shí)現(xiàn)；單元電路仿真正確卻無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；軟件編程邏輯正確，卻達(dá)不到所需的精度和性能指標(biāo)。

由于電子設(shè)計(jì)競賽對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程等實(shí)踐能力要求都高于常規(guī)教學(xué)，因此如何利用競賽推進(jìn)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革，成為眾多高校關(guān)注的問題。⑤而嵌入式系統(tǒng)教學(xué)同時(shí)強(qiáng)調(diào)軟件開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，使其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足應(yīng)用要求，從而制作出符合工程應(yīng)用要求的作品。⑥

3嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中具有極其重要的作用，關(guān)鍵是要在有限的課堂中有效安排符合課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。⑦為此本文主要探討了競賽驅(qū)動(dòng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，一方面是為了更好地幫助學(xué)生發(fā)揮能動(dòng)性和創(chuàng)新性，同時(shí)也是為了促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容跟上科技高速發(fā)展的步伐。

3.1 建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

為適應(yīng)嵌入式課程教學(xué)和電子設(shè)計(jì)競賽的需求，中南民族大學(xué)近十年來投入數(shù)百萬元建立電子類實(shí)驗(yàn)室。例如，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室包括數(shù)字電子和模擬電子實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)；綜合實(shí)驗(yàn)包括嵌入式系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室、SOC實(shí)驗(yàn)室等。與此同時(shí)，電子與信息工程學(xué)院的學(xué)生還建立了電子設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)，組織選拔有興趣的學(xué)生參與學(xué)習(xí)競賽小組，并進(jìn)行電子（數(shù)字和模擬電子）、單片機(jī)和電源設(shè)計(jì)等課程的專門訓(xùn)練。實(shí)行導(dǎo)師制，安排專業(yè)老師進(jìn)行具體指導(dǎo)，并建立專門的電子設(shè)計(jì)競賽實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室。較有特色的智能車實(shí)驗(yàn)室，通過教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)機(jī)器人智能車，控制智能車在實(shí)際賽道上行駛，使學(xué)生熟悉智能車的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)原理，激發(fā)了學(xué)生對(duì)ARM系統(tǒng)開發(fā)的濃厚興趣。

另外電子信息工程學(xué)院還組建了導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)，選拔優(yōu)秀學(xué)生加入導(dǎo)師制，從大學(xué)二年級(jí)開始進(jìn)行“一對(duì)一”的專業(yè)指導(dǎo)。每年學(xué)校都設(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，舉辦大學(xué)生電子競賽等科技實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與包括電子設(shè)計(jì)大賽與藍(lán)橋杯等計(jì)算機(jī)競賽活動(dòng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)體系分層次，以競賽促進(jìn)教學(xué)

根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)不同我校將實(shí)踐教學(xué)細(xì)分為三個(gè)體系層次，并在每個(gè)層次中都設(shè)計(jì)了必修實(shí)驗(yàn)和選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從基本的電路設(shè)計(jì)調(diào)試開始培訓(xùn)，分階段、按步驟增加實(shí)驗(yàn)難度，逐步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。最后在綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中融入競賽內(nèi)容，提高學(xué)生的自學(xué)能力，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力。三個(gè)層次的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹如下。

3.2.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽轵?yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是使學(xué)生熟悉基本開發(fā)工具和軟件編程環(huán)境，可讀懂程序并進(jìn)行調(diào)試。

必修項(xiàng)目：C語言、匯編語言、ARM開發(fā)環(huán)境實(shí)驗(yàn)；串口通訊實(shí)驗(yàn)；中斷、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)；A/D、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等；鍵盤、LED、LCD 及觸摸屏實(shí)驗(yàn)。

選修項(xiàng)目：DMA實(shí)驗(yàn)；看門狗實(shí)驗(yàn)；Boot Loader實(shí)驗(yàn)等。

3.2.2進(jìn)階實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模褐饕才挪僮飨到y(tǒng)移植、應(yīng)用程序編程，并結(jié)合競賽中的知識(shí)點(diǎn)加強(qiáng)模塊訓(xùn)練。

必修項(xiàng)目：Linux基本應(yīng)用程序?qū)嶒?yàn)；Linux文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；Linux 內(nèi)核移植實(shí)驗(yàn)。

選修項(xiàng)目：Linux串口通信實(shí)驗(yàn)；Linux中斷處理實(shí)驗(yàn)；Linux下的 Socket通信實(shí)驗(yàn)。

3.2.3綜合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模喝渴沁x修項(xiàng)目，訓(xùn)練自學(xué)能力強(qiáng)、基礎(chǔ)較好、預(yù)備參加競賽的學(xué)生。綜合課題涉及多門學(xué)科知識(shí)，增加了硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力，選拔競賽人選，分組進(jìn)行競賽訓(xùn)練。

必修項(xiàng)目：選取往年典型的電子設(shè)計(jì)競賽題目，限定時(shí)間內(nèi)完成，根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)測(cè)。

3.3 政策扶持，積極推進(jìn)教改

學(xué)校實(shí)驗(yàn)管理中心、科研處以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心每年都投入大量人力和經(jīng)費(fèi)組織競賽，以保證課程教學(xué)改革和競賽工作的順利進(jìn)行。其中大學(xué)生電子競賽在奇數(shù)年和偶數(shù)年分別開展全國性競賽和省級(jí)競賽，同時(shí)學(xué)院也制定了相關(guān)的制度政策，給予強(qiáng)有力的技術(shù)支持和后勤保障。首先，為競賽提供專用的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備、資金資助，并配備教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專門的競賽指導(dǎo)，優(yōu)先解決競賽的各種問題。其次，為激勵(lì)學(xué)生積極參與競賽，對(duì)參賽學(xué)生給予支持獎(jiǎng)勵(lì)，安排競賽期間的食宿，提供良好的后勤保障。同時(shí)，學(xué)院會(huì)為綜合素質(zhì)好、競賽中取得較好名次的學(xué)生，推薦免試研究生或者優(yōu)先就業(yè)的機(jī)會(huì)。電子與信息工程學(xué)院給予優(yōu)先政策支持，在電子設(shè)計(jì)競賽和智能車比賽中，每屆都有參賽隊(duì)伍獲得全國一等獎(jiǎng)，從而極大地帶動(dòng)了大學(xué)生學(xué)習(xí)和參賽的積極性。

4結(jié)語

以應(yīng)用為目的、以競賽為動(dòng)力、分層次有步驟地推進(jìn)教學(xué)改革，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐過程中取得了良好的效果。首先從嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)入手，在此基礎(chǔ)上逐步增加操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)按模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后開展實(shí)際競賽項(xiàng)目的綜合訓(xùn)練。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的宗旨是提升學(xué)生綜合應(yīng)用實(shí)踐能力，訓(xùn)練學(xué)生電子電路設(shè)計(jì)基本技能，提高學(xué)生軟件及算法的編程水平，以培養(yǎng)出“基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、有創(chuàng)新意識(shí)”的高素質(zhì)電子信息技術(shù)人才。

注釋

① 姚有峰，趙江東，汪明珠.從電子設(shè)計(jì)競賽談電子類實(shí)踐教學(xué)改革.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009.26（7）：131-133.

② 樓旭陽.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教學(xué)中學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)問題的探索與實(shí)踐.高教學(xué)刊，2015.5：73-74.

③ 冼進(jìn)，賈德良，畢盛.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革初探.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011.30（8）：282-285.

④ 王維博，王海濱，葉凱.電子信息工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的改革探討.中國電力教育，2010.10：58-59.

⑤ 楊奕，徐鵬，彭小峰.電子設(shè)計(jì)競賽與實(shí)踐教學(xué)改革.2013.32（4）：172-175.

⑥ 周佳社，任愛鋒，蘇濤，王新懷，郭濤，閆衛(wèi)利.大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計(jì)競賽機(jī)制實(shí)踐與探索.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2014（1）：84-87.

⑦ 王君.以電子設(shè)計(jì)競賽，促嵌入式技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革.金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.25（4）：37-39.