嵌入式系统原理课程创新型教学改革研究

徐文超，耿艳香，陈 雷，闫 智

（天津商业大学 信息工程学院，天津300134）

摘 要：分析目前高校嵌入式系统原理课程重理论轻项目应用实践操作的教学方式，提出理论强化学习、实验项目分析操作训练、科研项目实训和校企联合订单式培养四位一体的实践教学模式。强调采用引导性笔记授课方式强化学生理论知识，单步引导学生实验项目操作，结合综合系统实例项目及企业需求订单式针对性培养，可以锻炼学生动手操作和实践创新能力，以及在综合性项目开发过程中的工程创新、团队协作能力，从而解决理论教学与实践相互脱节的问题。

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关键词 ：嵌入式系统课程；项目分析操作；科研实训；订单式培养

0 引 言

嵌入式系统是专业技术性、实践性和综合性都很强的学科领域，近年发展极为迅速，目前精通嵌入式系统专业技术的人才严重缺乏，学校培养的人才和企业实际需求严重脱节，使得嵌入式硬件和软件研发工程师成为近年来较为热门的职业之一。为缩小毕业生与用人单位实际需求间的差距，使高校的人才培养方向和培养目标更贴近现实，嵌入式系统的教学改革迫在眉睫。

1 授课方式及课程理论分析设置

嵌入式系统原理目前是通信工程和自动化专业的核心课程，也是计算机科学与技术、软件工程等专业的重要课程。嵌入式系统更新换代快，学习难度大，难以形成系统性的知识体系[1-2]。同时嵌入式课程讲授难度很大，它要求教师不仅具备一般的单片机开发系统的软硬件知识，而且需要从事过嵌入式系统工程项目实际开发实践，才能很好地讲授该课程。

1.1 授课方式分析

嵌入式系统原理理论知识点多，覆盖学科面广，命令操作多，采用引导性笔记的授课方式强化学生的理论知识水平[3]。课堂上授课人数较多，授课教师营造学生积极参与的课堂气氛，激发学生的课堂参与积极性。同时，改变以往将所有授课讲义上课前给学生的做法，而是将引导性笔记提前给学生，引导性笔记包括本堂课内容的信息提纲、基本概念、定理、公式关键环节、图形图表、最终结论观点等，学生只需补充其中的细节内容。学生边记笔记边理解重点内容，注意力能够相对集中在老师的授课重点，避免没有经过理解分析的简单记录，从而提高课堂的学习效率，使学生达到高强度的理论强化学习目的。天津商业大学嵌入式系统教学团队紧紧围绕ARM 架构微处理器作为教学的理论和实验主要对象，编写了可作为引导性笔记的实验教材《嵌入式系统原理开发与设计——基于SamsungS3C2410微处理器的设计与应用》。教学团队采用课堂讲授与实验有机结合的教学模式，采用引导性笔记的授课方式，强化理论与应用实践相结合，引导学生独立思考，培养他们的学习兴趣和学习积极性、主动性[4]。

1.2 课程理论分析设置

嵌入式系统课程是一门系统性强、软硬件结合的综合性课程，一般分为硬件开发方向和软件开发方向，两方向均要求学生能够掌握嵌入式系统基本理论知识和简单的嵌入式操作系统，具有嵌入式系统软硬件开发、设计、调试和维护的基本能力。通信工程专业和自动化专业的学生授课重点偏向于嵌入式硬件开发方向，而计算机科学与技术专业和软件工程专业的学生则偏向于嵌入式软件开发。根据不同专业的专业特点以及学生的兴趣爱好和素质，可以建立一套适合嵌入式系统教学的课程体系，将嵌入式系统课程体系概括为3个阶段，第一阶段为偏软和偏硬方向的学生均要求学的专业基础课，主要有C语言程序设计、计算机组成原理、模拟电路和数字电路、汇编语言程序设计等基础课程；第二阶段为偏软和偏硬方向的学生均要求学习，主要开设课程有Linux操作系统、WinCE操作系统、数据结构、嵌入式系统原理及应用、操作系统原理、计算机网络等课程；第三阶段为偏软专业学生重点学习基于操作系统的开发课程，如QT图形界面设计、C++程序设计等开发应用性强的人机界面软件设计；偏硬专业学生重点学习嵌入式系统结构、传感器原理、PCB设计制作、Multisim和PADS等仿真设计类的课程[5-6]。

2 课程实验项目实践

嵌入式系统教学的实验项目分为基础类实验项目和提高类实验项目。基础类实验项目均要求学生掌握利用现有实验设备理解嵌入式系统设计的原理和过程、掌握建立嵌入式系统开发环境的开发方法和过程；提高类实验项目主要是让学生把所学本学科知识综合起来，培养学生嵌入式系统综合应用实际开发能力、软硬件协同设计思想及解决开发过程遇到问题的能力[7-9]。

基础类实验项目包括：①基于ARM的汇编语言程序设计；②基于ARM的C语言程序设计；③基于ARM的I/O接口实验；④基于ARM的中断实验；⑤基于ARM的UART实验；⑥基于ARM的A/D接口实验；⑦μCOSII的内核在ARM处理器上的移植；⑧Linux实验环境的搭建；⑨Boot loader引导程序实验；⑩Linux的移植、内核、文件系统的生成与下载； WinCE中的控件编程； WinCE下的多线程编程； WinCE下文件操作与通信编程。

提高类实验项目包括：①触摸屏实验；②音频录放实验；③USB设备收发数据实验；④基于μCOSII 的串口驱动编写实验；⑤基于μCOSII 的LCD 驱动编写实验；⑥基于Linux 的键盘驱动程序编写；⑦基于Linux 的LCD 驱动程序编写；⑧USB 播放mp3的实验；⑨WinCE 系统定制；⑩WinCE 下的流接口驱动开发； WinCE 内核调试。

其中提高类的实验项目均为小系统设计，综合性较强，有一定开发难度，授课教师在实验项目分析操作中单步引导学生自己通过操作来寻求答案，让学生由被动学习变为主动学习，通过给学生分析项目需求、设计方法，进一步引导学生进行实例项目的学习。部分项目需要仿真测试的利用虚拟仿真软件MATLAB、PROTEUS 和AD6.3等各种绘图仿真软件进行试验仿真测试。虚拟仿真实验可以提高学生实验项目的正确率，操作的便捷性，降低设备的损坏率，强化学生的理论知识。提高类的实验项目均是具体的实例展开教学，从而达到培养能力的目的，进而激发学生的学习兴趣。信息技术综合实验教学中心现有达盛ARM860 教学实验实训平台32 套(CPU 为SamsungS3C2410 处理器) 以及该平台配套的硬件设备和软件环境，结合2012版教学计划，将课程实验项目再设计为启发型-综合性-创新型实验项目。学生3~4人为一个团队，每人分工明确，完成项目的分析设计、编写、调试代码、功能演示，共同讨论共同完成实验项目。

3 科研项目培养结合企业订单培养

在理论知识强化学习和必修的实验项目后，很多学生认为学到的知识点相对零散，缺乏一条主线将各章的知识点结合起来，不能从全局角度整体看待问题，知识点得不到灵活运用。授课教师选取难度合适且有意义的综合系统实例项目作为学生的课外拓展性教学补充[10]，这些软硬协同设计的综合系统实例项目尽量将各知识点贯通起来，增强学生对课程的整体把握。综合系统实例项目来自于教师的纵向和横向科研项目子课题、各类竞赛项目、创新研究课题和企业的实际需求。

科研项目子课题、各类竞赛项目开发设计过程中，3~5名学生组成项目应用开发兴趣小组，共同完成项目的需求分析设计、功能实现和测试工作，便于学生理解各功能的实现原理，每个小组汇报该组项目的设计目的、实现原理、实现功能、开发调试及功能测试的过程，最后采取学生答辩、老师验收的结题方式，达到锻炼学生的团队能力，协作能力及自学能力的目的，也可以使其他未做该项目的同学得到参考和借鉴。教师授课团队在开发设计过程中提供必要的课外指导，各实验教学中心和工程训练中心提供相应的设备及开发平台。目前，这种模式培养的学生已经获得全国大学生电子设计竞赛、天津市大学生电子设计竞赛、天津市大学生物联网设计竞赛、博创杯、合泰杯等多项大奖。

对于创新研究课题和企业的实际需求项目，对学生采用订单式培养，要求学生有针对性地完成嵌入式系统的实际硬件电路设计、程序的编写、调试环境搭建、各级功能的调试、系统的集成测试和文档的编写等环节，其中硬件电路设计和软件编程需重点学习，通过项目需求分析、方案比较、资料归纳整理、系统方案定型、电路板级调试、软件编程调试、系统功能测试、文档编写等全过程，完成一个标准的产品级的工程项目研发，锻炼学生的工程项目研发和实际动手能力。在开发的不同阶段，学校企业共同搭建平台，学校提供必要设备和实验室，企业提供部分研发平台及资金支持，企业一线产品研发专家不定期到校内和学生交流，学生近距离和企业嵌入式系统资深专家面对面探讨问题，提高学生的工程项目经验、创新能力和实践能力，提高学生的专业素养，让学生在实际项目研发环境中成长，也为日后的工作有针对性地积蓄经验和专业本领，提高学生就业率。这种教学模式实现了为企业量体裁衣式的培养，教师也达到对不同学生因材施教的目的。

4 结 语

嵌入式技术发展突飞猛进，市场实际需求变化无穷，系统的展开嵌入式系统教学内容改革与实践工作以适应市场需求，构建理论强化学习、实验项目分析操作训练、科研项目实训和校企联合订单式培养四位一体的实践教学模式，形成专业技术应用能力与综合实践技能相结合的实践教学体系。在教学内容上，要将理论与实践相结合，课堂教学和实验项目操作训练相结合，科研项目训练和企业需求相结合，提高学生分析问题和解决问题的能力，加强学生工程系统掌控能力和创新能力。

笔者所在教学团队积极主动拓宽教学方法视野，掌握先进科学的教学理念，优化和完善教学方法，经过多学期的实践教学证明这种教学模式具有较好的可行性，提升了学生工程实践能力，激发了学生的学习兴趣，教学实践效果也较符合实际应用。

基金项目：天津商业大学教改基金项目（2013XXJG-08）。

第一作者简介：徐文超，男，实验师，研究方向为模式识别和嵌入式技术， xuwenchao@tjcu.edu.cn。

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参考文献：

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[3] 江维， 桑楠. 面向高等教育的嵌入式系统教学改革[J]. 计算机教育， 2011(16)33-36.

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[5] 李静， 乔峰. 浅谈嵌入式系统实验对学生创新能力培养[J]. 高校实验室工作研究， 2009， 3(1): 22-23．

[6] 高国旺， 党瑞荣， 任志平. 教学致革与创新实践探索[J]. 理工高教， 2010(1): 131-133.

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[8] 潘 登， 陈启军. 面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革[J]. 计算机教育， 2013(13): 1-5.

[9] 李文生， 陆洪毅， 吕燚. 嵌入式人才能力结构分析及教学体系设计[J]. 计算机教育， 2014(7): 76-80.

[10] 郑宁汉， 陶品， 宋思超. 嵌入式实验系统设计原则的一些探讨[J]. 计算机教育， 2014(5): 118-121.

（编辑：赵 廓）