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摘 要 ：根据“嵌入式系统”课程的特点,简要分析了目前该课程教学过程中存在的问题,提出了围绕课程的教学内容,在课程的教学与实验环节中采用以应用为导向的项目式教学改革方案.实践表明这种教学模式在培养学生的动手实践能力、充分调动学生学习的主动性方面具有重要的意义.
关 键 词 ：嵌入式系统；教学改革；项目式教学
作者简介：吴君鹏（1980-）,男,吉林长春人,东北电力大学电气工程学院,讲师.（吉林 长春 132012）
基金项目：本文系东北电力大学校教学改革研究立项（项目编号：201102）的研究成果.
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2012）31-0045-01
随着32位微处理器技术的发展,嵌入式系统成为当前信息技术发展的热门技术之一.智能手机、信息家电、工业控制等诸多领域都对其产生了巨大的需求,于此同时嵌入式系统软硬件工程师也成为了热门的就业方向.所谓嵌入式系统即：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、面向具体功能的专用计算机系统.从电子信息类学科知识体系上来看,嵌入式系统课程涵盖了模拟电子技术、数字电子技术、C语言、微机原理和接口技术、操作系统等多门课程的基础内容.目前国内很多高校都在电子信息工程、通信工程、自动化、计算机、软件工程等诸多本科专业以及相应的研究生专业课程中开设了以32位微处理器为核心的“嵌入式系统”课程.由于“嵌入式系统”这门课程知识内容多、综合性强、对学生动手实践能力要求高等特点,它的教学也就带来了困难和挑战.
一、嵌入式系统的教学与实验内容
嵌入式系统的教学通常以32位微处理器为平台,32位的微处理器主要有ARM、MIPS、POWRPC等.[1]目前国内的大多数高校都是以介绍ARM微处理器为主,教学的内容主要包括ARM微处理器内核的介绍、ARM的汇编指令和汇编程序设计、芯片的片内外设及接口技术、嵌入式系统的C语言设计和嵌入式操作系统等内容.
在试验内容的安排上,通常包括ARM汇编语言的程序设计、无操作系统的片内外设的C语言程序驱动设计、BootLoader的移植、嵌入式操作系统内核的移植、UCOS II、LINUX、WINCE等嵌入式操作系统下的C语言驱动程序设计和应用程序设计等.[2]
以上的理论和试验教学内容根据不同的专业,课程的侧重点也不相同,课程的理论学时大约在30学时到60学时之间.另外,有的高校把嵌入式系统课程作为一个本科的一个专业方向,相应的学时内容就要更多.
二、嵌入式系统课程的特点
“嵌入式系统”作为电气信息类等本科学生的专业课程,具有知识内容综合、动手实践性强等特点.在前期的课程当中,学生已经学习过“C语言程序设计”、“微机原理”等课程.教学过程中,“嵌入式系统”这门课程最主要的教学目标就是让学生能够通过所学的知识以及所掌握的嵌入式系统开发的工具解决一个具体的实际问题.但是在教学的过程中笔者发现,仅靠课堂的理论与实践教学,达到这一目标还有一定距离.单纯的理论教学只能使学生被动地接受部分知识,达不到培养学生动手实践的能力.为了使学生能够学以致用,还要用实践来促进理论的学习.“嵌入式系统”课程最主要的学习手段就是多动手、多实践.
根据“嵌入式系统”课程的教学内容以及笔者的教学经历,发现该课程的教学过程中需要注意以下几个方面：第一,教学目标以应用为导向培养学生的工程实践意识.作为电类的工科学生,除了在课堂上学习知识,还要树立培养工程实践的精神.尤其是像“嵌入式系统”这样的综合性专业课程.第二,在教学内容上应以学科知识的综合作为基础,进而建立知识体系.“嵌入式系统”课程不单单是讲述一种微处理器或者是微控制器的架构,学生在这门课程中学到的更多的是一种借助于所掌握的嵌入式系统工具来解决问题的一种能力.这种能力在“嵌入式系统”课程中往往体现的是电子系统硬件设计和程序设计的能力.第三,在教学过程中以团队作为教学合作单位,培养学生的团队合作意识.“嵌入式系统”本身就涵盖了很多知识,它兼顾软、硬件两方面的内容,和很多的专业课程融合在一起,具有很强的学科综合性.每名学生都不可能把所有的内容都掌握,所以在学生的学习过程中,以小组团队为单位,共同去学习,更能激发学生的学习兴趣.
三、嵌入式系统教学手段改革
1.教学过程中发现的问题
笔者刚开始讲述“嵌入式系统”课程时,由于并没有太多的经验,还是依照课堂理论、课下试验的传统教学方式.但是随着教学的深入,发现这种教学过程中存在很多问题.
（1）课程内容涉及面广,知识内容多.笔者课堂上讲解的是以三星公司的S3C2410这款ARM9微处理器芯片,既要介绍ARM9芯片内核上的东西,比如ARM处理器的工作模式、存储格式、异常、通用寄存器等,[3,4]又要结合S3C2410讲解芯片的片上资源,如定时器、A/D等,同时还要介绍嵌入式系统的硬件设计、汇编程序设计、操作系统等等.在有限的课时内,很多内容只能浅显地介绍.一个学期下来,一部分学生看上去了解了嵌入式系统的许多内容,但是一到具体的应用实际就会发现还欠缺很多知识和技能.
（2）传统的以教师为核心的课堂上,在讲解这门综合性实践性很强的课程时,很多学生都是被动接受知识.学习一段时间后,由于学术缺乏学习的主动性,也就渐渐失去了兴趣.
（3）在相对较短的试验课程内,学生需要熟悉开发的软硬件环境,如开发工具、试验箱上的硬件原理图等,还要了解试验内容,看懂芯片手册,读懂试验例程代码,并能在已有代码的基础上进行相应地修改以及添加自己的代码.在这期间,学生自主的实践动手能力得不到充分地锻炼,某种程度上也就仅仅是熟练了一种开发工具而已.一学期下来,离教学目标还有很大距离.
2.基于项目应用的嵌入式系统教学改革
笔者在总结分析上述问题的基础之上,逐步对课堂教学进行改革.把项目应用的教学理念逐步引入到课堂当中.所谓的项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动,其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来,培养学生利用所学知识解决实际问题的能力.由于“嵌入式系统”课程普遍开设在本科的大三和大四阶段或者是研究生阶段,学生已经掌握了多数的专业基础知识,所以可以在“嵌入式系统”的前期授课中布置课程作业论文,同时课程设计的内容可以让学生结合自己的兴趣爱好自行拟订,老师不再强制给出具体的题目,而是给出参考题目.学生在已有的专业知识基础上,选择一个自己感兴趣的题目作为本学期的课程论文来完成.这样学生会带着自己的问题在新学期开始就要深入了解课程的内容,同时课下查询相关的资料,这比课堂被动地接受知识更能培养学生的学习能力.比如,有的学生选择了利用ARM实现简易示波器的题目,这就需要他们课下学习有关数字示波器的知识,并且要设计围绕以ARM处理器为控制核心的电路、设计程序流程、调试等诸多知识.学生带着这样的问题去学习嵌入式系统课程,一是明确了嵌入式系统的以应用为核心的本质,二是可以对所学的知识进行综合应用.同时,课堂上老师的角色也从传统的讲授者转变成学生解决问题的合作者,虽然老师不能对学生所选择的每一个题目都很熟悉,但是却可以在与学生的讨论过程中帮助学生理清设计思路,完成设计目标.同时在对学生成绩考核时也不再只是看试卷的分数,而是由学生最终完成的论文以及演示的成品作为最终的成绩考核.
这种基于项目应用的教学方法强调以学生为学习认知的主体,目的就在于激发学生的学习积极性,促进学生在工程实践中培养提出问题、解决问题的能力.在“嵌入式系统”的教学过程中,师生共同讨论问题,教师的职责也悄然地发生了变化,教师成为帮助学生学习的管理者和指导者.学生在课程论文的实践中加深了对嵌入式系统概念的理解,掌握嵌入式系统的设计方法和开发过程,培养了利用嵌入式系统工具解决具体应用问题的能力.
四、教学效果
通过基于项目应用的引导式教学和实践改革培养了学生通过研究具体课题来学习知识的能力,学生能够在教师的引导下主动完成学习任务,能够根据具体的问题提出自己可行的实施办法.“嵌入式系统”课程的学习目标是使学生深入地锻炼自己动手实践的能力,并在与教师的探讨中能够提炼出设计题目完成所需的流程和方法,真正达到学以致用.在“嵌入式系统”课程最后的考核中,学生提交的作品包括电子时钟、基于ARM的简易数字示波器、利用GPRS模块实现的短消息收发等等.虽然作品表面上技术难度并不是很大,但是学生为了完成这些课题时阅读文献、制订具体的设计方案的整个过程,掌握了嵌入式系统的相关知识,熟悉了开发的软、硬件平台,充分调动了学习的主动性.
随着信息技术的发展,嵌入式系统应用场合也将越来越广泛,对嵌入式系统的人才需求也越来越大,同时对嵌入式系统的教学也提出了更高的要求.这种强调以应用为中心、以项目实践为导向的“嵌入式系统”教学将会得到更多教师和学生的认可.