淺談通信專(zhuān)業(yè)嵌入式系統實(shí)驗教學(xué)設計

　　論文關(guān)鍵詞：嵌入式系統　實(shí)驗教學(xué)　教學(xué)設計

　　論文摘 要：針對專(zhuān)業(yè)嵌入式實(shí)驗教學(xué)中存在的專(zhuān)業(yè)針對性差、設備缺乏和課程層次性不足等問(wèn)題，文章利用本研究所自主研發(fā)的嵌入式實(shí)驗教學(xué)平臺，探討了以基礎型實(shí)驗、綜合型實(shí)驗，創(chuàng )新型實(shí)驗和課外實(shí)踐為基礎的分層次實(shí)驗課程教學(xué)方式。這種方式在教學(xué)實(shí)踐中取得較好的成效。 
　　
　　嵌入式系統是技術(shù)、通信技術(shù)、微技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)和具體應用對象相結合的更新?lián)Q代產(chǎn)品。嵌入式系統面向具體的應用領(lǐng)域，隨著(zhù)產(chǎn)品智能化、小型化的普遍需求，嵌入式系統已經(jīng)滲透至各個(gè)行業(yè)，具有廣闊的前景[1]。近年來(lái)，各高校信息自動(dòng)化計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)逐漸將嵌入式系統納入重要專(zhuān)業(yè)課程范圍，尤其在嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系方面進(jìn)行了深入的探討[2-4]。
　　考慮到通信類(lèi)學(xué)生的培養與實(shí)際就業(yè)情況的需求，在嵌入式教學(xué)中，除了使學(xué)生掌握基本的通信技術(shù)原理和嵌入式軟件設計的一般方法和流程外，還應注重培養學(xué)生的實(shí)際應用開(kāi)發(fā)能力。因此，嵌入式教學(xué)應該傾向于實(shí)踐而不是僅僅局限于只是傳授理論知識。本文針對本專(zhuān)業(yè)嵌入式實(shí)驗教學(xué)中普遍存在的專(zhuān)業(yè)針對性弱、設備缺乏、課程系統性和層次性的不足等問(wèn)題，利用研究所自主研發(fā)的嵌入式實(shí)驗教學(xué)平臺，設計了具體的實(shí)驗教學(xué)方案。
　　1 嵌入式實(shí)驗教學(xué)中存在的問(wèn)題
　　嵌入式系統課程的實(shí)踐性非常強，為了加強學(xué)生對嵌入式系統理論知識的認知，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng )新能力，實(shí)驗教學(xué)在嵌入式課程教學(xué)中有著(zhù)至關(guān)重要的作用。到目前為止，在嵌入式實(shí)驗實(shí)際教學(xué)中發(fā)現了以下問(wèn)題。
　　缺乏針對性強的實(shí)驗平臺。嵌入式課程教學(xué)和人才培養具有高度的實(shí)踐性，通常情況下，教學(xué)所用的實(shí)驗平臺(實(shí)驗箱)是委托科教儀器公司開(kāi)發(fā)的。由于教學(xué)投入不足，經(jīng)常出現設備板子燒毀，講義資料不全，實(shí)驗箱不完善導致能開(kāi)設的實(shí)驗不多，由于部分源代碼不開(kāi)源等現象，所以相關(guān)實(shí)驗基本上都是演示性的實(shí)驗，或者與其他學(xué)科共同使用一套實(shí)驗設備，沒(méi)有本學(xué)科專(zhuān)業(yè)特色，很難實(shí)現視頻采集、音視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能。這些因素皆不利于通信專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的培養。其次，缺乏靈活的實(shí)驗設計及講義。在嵌入式系統應用領(lǐng)域，嵌入式系統中的軟件開(kāi)發(fā)困難，既要考慮不同平臺的差異，又要具備一定的穩定及易行性條件。以往這些類(lèi)型的軟件開(kāi)發(fā)都是由硬件廠(chǎng)商包辦，且提供的嵌入式系統軟件解決方案五花八門(mén)。而實(shí)驗設計應側重于主流操作系統下軟件的實(shí)踐和創(chuàng )新。此外，大多生照著(zhù)詳細的實(shí)驗書(shū)按部就班，缺乏自主創(chuàng )新的意識，甚至不深入思考實(shí)驗現象背后的理論知識。這顯然與培養學(xué)生創(chuàng )新性思維和能力的目的背道而馳。而實(shí)驗課時(shí)少也是實(shí)踐教學(xué)中亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。嵌入式系統課程對學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識要求較高，學(xué)生先要學(xué)習單片機原理及應用、C/C++程序設計、DSP原理及應用等嵌入式
　　
　　相關(guān)課程，等到具備了一定的實(shí)驗操作和編程能力之后，在大三下半學(xué)期或大四上半學(xué)期開(kāi)設嵌入式系統課程。理論性教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)交叉進(jìn)行，再加上總課時(shí)的限制，使得學(xué)生自主實(shí)驗時(shí)間大大減少。雖然已從原有實(shí)驗課時(shí)占較少課時(shí)的狀態(tài)，調整到實(shí)驗課時(shí)占總課時(shí)一半的狀態(tài)，課內實(shí)驗還是遠不能滿(mǎn)足對學(xué)生的培養需求。
　　2 實(shí)驗教學(xué)配套設施
　　本研究所自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統實(shí)驗平臺是一套功能完善的實(shí)驗箱，選用ARM處理器+Linux操作系統的主流配置。實(shí)驗箱上提供有教學(xué)系統采用的各種測試點(diǎn)(包括圖像視頻采集輸入、I/O輸出等)，方便教學(xué)中使用示波器等測試儀器；多路數字信號源(包括四路視頻輸入功能)；ARM開(kāi)發(fā)系統功能等眾多功能。此套基于雙核處理器架構(雙核處理器架構，是指采用一個(gè)ARM核及一個(gè)SoC圖像處理核的架構芯片)的四路DVR教學(xué)實(shí)驗箱，可以實(shí)現視頻采集，H.264壓縮，音頻壓縮，網(wǎng)絡(luò )傳輸以及嵌入式Linux操作系統等功能，主要為高等院校通信工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)、電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)等高年級學(xué)生的通信專(zhuān)業(yè)課程設計、通信專(zhuān)業(yè)大型實(shí)驗、畢業(yè)設計、電子設計競賽以及研究生的數字通信實(shí)驗而設計，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本專(zhuān)科畢業(yè)班學(xué)生使用以及自學(xué)使用。此外，還配有教學(xué)資料光盤(pán)，以及分層次、系統的實(shí)驗指導書(shū)。實(shí)驗系統構架。
　　
　　由于嵌入式系統涉及的知識廣、綜合性強和應用性強，且軟硬件技術(shù)不斷革新，這就需要授課老師具有一定的項目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。而本套實(shí)驗箱正是由授課老師參與研發(fā)，對于一些新進(jìn)的通信類(lèi)教師也開(kāi)放學(xué)習與研究。在對嵌入式實(shí)驗平臺有個(gè)系統的認識之后，遇到突發(fā)問(wèn)題也可以及時(shí)解決，這大大降低了教師的授課難度，提高了實(shí)驗課效率。
　　3 實(shí)驗教學(xué)設計
　　結合理論教學(xué)，嵌入式系統實(shí)驗的重點(diǎn)放在軟件的開(kāi)發(fā)上。充分考慮到嵌入式軟件系統的結構、開(kāi)發(fā)內容和方式的特殊性，從而設置多種配置方案、多層次實(shí)驗項目的實(shí)驗教學(xué)內容。學(xué)生邊學(xué)習理論知識，邊進(jìn)行實(shí)驗操作，設置一些基礎型和模塊化的實(shí)驗使其對原理有更透徹的認知。當學(xué)生理論知識積累到一定的程度，可通過(guò)設置綜合型的實(shí)驗使學(xué)生進(jìn)行系統學(xué)習與提高。此外，為了達到學(xué)生自主創(chuàng )新能力提高的目的，創(chuàng )新型實(shí)驗的設置也必不可少。減少基礎型實(shí)驗，同時(shí)增大綜合型和創(chuàng )新型實(shí)驗的比例，并加入可選項，學(xué)生可根據自己的能力興趣，自主制定實(shí)驗內容。另外，為了適應本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養，除了需要掌握嵌入式系統基本的方式方法之外，還在綜合型實(shí)驗中設置了較多通信類(lèi)實(shí)驗課程。
　　這樣，學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中，由淺到深、由基礎到綜合地進(jìn)行實(shí)踐操作，符合漸進(jìn)性的教學(xué)規律。為了解決課時(shí)少的問(wèn)題，設置了一部分課外可操作的實(shí)驗，使一部分有興趣而不滿(mǎn)足于課內學(xué)習設計的學(xué)生有更廣闊的學(xué)習時(shí)間與空間。
　　3.1 基礎型實(shí)驗
　　基礎型實(shí)驗多為驗證型實(shí)驗，其目的是為了讓學(xué)生掌握基本的理論知識以及嵌入式軟件的一般開(kāi)發(fā)流程，熟悉開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)，為之后的綜合型實(shí)驗和自主創(chuàng )新型實(shí)驗做好準備。這部分實(shí)驗指導書(shū)較詳細，學(xué)生能夠扎實(shí)地掌握嵌入式系統的基本軟件開(kāi)發(fā)知識�；�于本實(shí)驗系統設計的基礎實(shí)驗主要如下。
　　ADS環(huán)境下的匯編指令實(shí)驗。本實(shí)驗介紹了ADS環(huán)境下用匯編進(jìn)行編程和調試的一般流程，以及使用匯編語(yǔ)言實(shí)現對GM8180開(kāi)發(fā)板進(jìn)行初始化的方法。目的是為了讓學(xué)生熟悉和掌握ADS開(kāi)發(fā)環(huán)境。
　　建立Linux虛擬機及熟悉常用命令實(shí)驗。通過(guò)本實(shí)驗，學(xué)生需要掌握如何在Windows系統下面搭建Linux服務(wù)器，并學(xué)會(huì )基本的Linux命令和操作。
　　Linux交叉編譯平臺實(shí)驗。通過(guò)在Linux下建立交叉編譯平臺和使用交叉編譯平臺編譯源代碼的方法，使學(xué)生熟悉和理解交叉編譯的原理和概念，學(xué)會(huì )建立Linux交叉編譯平臺。
　　程序下載燒寫(xiě)實(shí)驗。本實(shí)驗介紹了配置和編譯BootLoader(ARMBOOT)和Linux內核的方法，從而學(xué)生可以掌握下載編譯好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux內核的方法以及建立NFS文件系統的方法。

　　Mount掛載(nfs/usb/sd)實(shí)驗。通過(guò)本實(shí)驗，學(xué)生能掌握配置linux下nfs服務(wù)的方法和mount掛載usb/sd的方法。
　　3.2 綜合型實(shí)驗
　　綜合性實(shí)驗旨在培養學(xué)生的綜合設計能力。根據之前的理論教學(xué)與基礎性實(shí)驗的練習，綜合所學(xué)知識，具備基本的軟件開(kāi)發(fā)能力。這部分教學(xué)實(shí)踐實(shí)行“教師逐步放手，學(xué)生動(dòng)手去做”的原則，故實(shí)驗書(shū)編寫(xiě)得簡(jiǎn)明扼要。為了達到綜合培養的目的，既要包括多方面的知識與設計要求，又要有空間讓學(xué)生自己發(fā)揮。
　　ADS下混合編程。本實(shí)驗讓學(xué)生熟悉和掌握在A(yíng)DS下C和匯編語(yǔ)言的混合編程和調試，鞏固使用AXD和Mulit-ICE調試的方法。
　　C語(yǔ)言程序設計與串口實(shí)驗。通過(guò)本實(shí)驗，學(xué)生可以掌握在A(yíng)DS環(huán)境下的操作和JTAG的下載和調試，掌握使用C語(yǔ)言對GPIO端口控制。
　　GPIO驅動(dòng)實(shí)驗、I2C驅動(dòng)實(shí)驗。在理解Linux驅動(dòng)程序的結構、原理和I2C協(xié)議的原理，掌握Linux驅動(dòng)程序的編程的基礎上，學(xué)生能夠掌握Linux動(dòng)態(tài)加載驅動(dòng)程序模塊的方法。
　　圖像合成實(shí)驗。本實(shí)驗要求學(xué)生具有圖像合成的知識，熟練進(jìn)行實(shí)驗設備的連接和調試、寄存器的設置，能夠修改配置文件，深入理解圖像合成的原理。
　　MMC/SD驅動(dòng)實(shí)驗。在學(xué)生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驅動(dòng)的結構以及SD卡的掛載的方法和測試方法后，能夠配置、編譯Linux內核，在實(shí)驗箱上燒寫(xiě)Linux內核，建立NFS文件系統，并運行測試程序進(jìn)行SD卡的讀寫(xiě)。
　　視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸實(shí)驗。學(xué)生在了解了視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議工作過(guò)程及原理之后，學(xué)會(huì )在IP網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現視頻傳輸的方法。
　　Web服務(wù)器實(shí)驗、單Server多Client實(shí)驗。在本實(shí)驗之前，學(xué)生已經(jīng)熟悉了Web服務(wù)器原理及工作過(guò)程，通過(guò)路由器將實(shí)驗箱和PC機連接，編寫(xiě)簡(jiǎn)單的服務(wù)器代碼，在PC機上運行IE瀏覽器，能夠查看網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器是否運行；以及熟練開(kāi)啟Linux，能向多個(gè)客戶(hù)端發(fā)送視頻數據。
　　遠程控制視頻實(shí)驗。本實(shí)驗要求學(xué)生理解遠程控制的原理，通過(guò)本實(shí)驗掌握在Windows下TCP客戶(hù)端建立及通信的過(guò)程，及Linux下TCP服務(wù)器建立及通信的過(guò)程。
　　3.3 創(chuàng )新型實(shí)驗
　　在嵌入式系統的應用領(lǐng)域里，嵌入式軟件已經(jīng)逐漸成為嵌入式產(chǎn)品設計創(chuàng )新和增值的關(guān)鍵因素，所以實(shí)驗教學(xué)應側重于軟件實(shí)踐和創(chuàng )新。理論和實(shí)踐要相結合，而學(xué)生的創(chuàng )新能力要著(zhù)重培養。針對本實(shí)驗系統的可開(kāi)放性，設計了一些具有創(chuàng )新型的實(shí)驗，比如修改內核的內部代碼，從而能使學(xué)生深入理解實(shí)時(shí)操作系統的一些機制，加深對理論知識的理解與鞏固。再加上指導教師對實(shí)驗系統原理的熟知，即使學(xué)生在操作的過(guò)程中導致實(shí)驗系統癱瘓也能及時(shí)得以解決，讓學(xué)生放心大膽進(jìn)行實(shí)踐設計。
　　在實(shí)驗課堂上，學(xué)生難免會(huì )依賴(lài)于實(shí)驗設備以及教師的指導而缺乏自主思考的動(dòng)力，再加上實(shí)驗室開(kāi)放場(chǎng)地和時(shí)間的限制，要在有限的時(shí)間和空間里完成自主創(chuàng )新設計有些困難。課程選用ARM處理器+Linux操作系統的主流配置，學(xué)生可以在課外利用PC機上的Linux進(jìn)行代碼編寫(xiě)，可行之后再利用實(shí)驗箱進(jìn)行驗證。這樣，一方面可以減少場(chǎng)地和時(shí)間的限制，加強學(xué)生對所學(xué)知識滲透性的認知，另一方面提高了學(xué)生自主學(xué)習能力，培養其創(chuàng )新能力�；�于此，在課程設置上，加進(jìn)了學(xué)生自主安排時(shí)間。
　　3.4 課外實(shí)踐
　　鼓勵學(xué)生參加院校級“建龍基金”、“運河杯”等
　　課外科技立項活動(dòng)�；顒�(dòng)基金提供實(shí)驗平臺，而通信類(lèi)學(xué)生可以根據自己的興趣與長(cháng)處設立通信網(wǎng)絡(luò )與設備等的項目計劃，資金設備并在導師的同意后獲得實(shí)驗室開(kāi)放資源。此外，通過(guò)組織學(xué)生參加省級、國家級設計大賽及其他各種嵌入式應用型競賽，讓感興趣、學(xué)有余力的學(xué)生得到更好的實(shí)踐與創(chuàng )新能力鍛煉的機會(huì )。
　　4 結語(yǔ)
　　嵌入式系統產(chǎn)品發(fā)展迅猛，不斷滲透各個(gè)行業(yè)，人才要求也日益迫切。近幾年來(lái)，為順應和企業(yè)人才的需求，越來(lái)越多的高校將嵌入式系統的課程加入通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系，使之成為專(zhuān)業(yè)選修課甚至專(zhuān)業(yè)必修課。然而，嵌入式教學(xué)體系還未成熟，存在諸多問(wèn)題。針對前文分析的課程設置缺陷，及我們在教學(xué)中發(fā)現的問(wèn)題，本文以研究所自主開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)驗教學(xué)平臺為例，提出了針對通信學(xué)生的層次性的實(shí)驗教學(xué)方案。根據軟件實(shí)驗環(huán)境，設置合理的實(shí)驗課程，突出自主性與創(chuàng )新性，提高學(xué)生自主學(xué)習的能力，對培養學(xué)生的創(chuàng )興能力具有重要意義。
　　參考文獻：
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