淺談以項目應用為導向的“嵌入式系統”教學(xué)改革與實(shí)踐

　　論文摘要：根據“嵌入式系統”課程的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要分析了目前該課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了圍繞課程的教學(xué)內容，在課程的教學(xué)與實(shí)驗環(huán)節中采用以應用為導向的項目式教學(xué)改革方案。實(shí)踐表明這種教學(xué)模式在培養學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、充分調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性方面具有重要的意義。

　　論文關(guān)鍵詞：嵌入式系統；教學(xué)改革；項目式教學(xué)

　　隨著(zhù)32位微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統成為當前信息技術(shù)發(fā)展的熱門(mén)技術(shù)之一。智能手機、信息家電、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都對其產(chǎn)生了巨大的需求，于此同時(shí)嵌入式系統軟硬件工程師也成為了熱門(mén)的就業(yè)方向。所謂嵌入式系統即：以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟硬件可裁剪、面向具體功能的專(zhuān)用計算機系統。從電子信息類(lèi)學(xué)科知識體系上來(lái)看，嵌入式系統課程涵蓋了模擬電子技術(shù)、數字電子技術(shù)、C語(yǔ)言、微機原理和接口技術(shù)、操作系統等多門(mén)課程的基礎內容。目前國內很多高校都在電子信息工程、通信工程、自動(dòng)化、計算機、軟件工程等諸多本科專(zhuān)業(yè)以及相應的研究生專(zhuān)業(yè)課程中開(kāi)設了以32位微處理器為核心的“嵌入式系統”課程。由于“嵌入式系統”這門(mén)課程知識內容多、綜合性強、對學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力要求高等特點(diǎn)，它的教學(xué)也就帶來(lái)了困難和挑戰。

　　一、嵌入式系統的教學(xué)與實(shí)驗內容

　　嵌入式系統的教學(xué)通常以32位微處理器為平臺，32位的微處理器主要有ARM、MIPS、POWRPC等。目前國內的大多數高校都是以介紹ARM微處理器為主，教學(xué)的內容主要包括ARM微處理器內核的介紹、ARM的匯編指令和匯編程序設計、芯片的片內外設及接口技術(shù)、嵌入式系統的C語(yǔ)言設計和嵌入式操作系統等內容。
　　在試驗內容的安排上，通常包括ARM匯編語(yǔ)言的程序設計、無(wú)操作系統的片內外設的C語(yǔ)言程序驅動(dòng)設計、BootLoader的移植、嵌入式操作系統內核的移植、UCOS II、LINUX、WINCE等嵌入式操作系統下的C語(yǔ)言驅動(dòng)程序設計和應用程序設計等。
　　以上的理論和試驗教學(xué)內容根據不同的專(zhuān)業(yè)，課程的側重點(diǎn)也不相同，課程的理論學(xué)時(shí)大約在30學(xué)時(shí)到60學(xué)時(shí)之間。另外，有的高校把嵌入式系統課程作為一個(gè)本科的一個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，相應的學(xué)時(shí)內容就要更多。

　　二、嵌入式系統課程的特點(diǎn)

　　“嵌入式系統”作為電氣信息類(lèi)等本科學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程，具有知識內容綜合、動(dòng)手實(shí)踐性強等特點(diǎn)。在前期的課程當中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習過(guò)“C語(yǔ)言程序設計”、“微機原理”等課程。教學(xué)過(guò)程中，“嵌入式系統”這門(mén)課程最主要的教學(xué)目標就是讓學(xué)生能夠通過(guò)所學(xué)的知識以及所掌握的嵌入式系統開(kāi)發(fā)的工具解決一個(gè)具體的實(shí)際問(wèn)題。但是在教學(xué)的過(guò)程中筆者發(fā)現，僅靠課堂的理論與實(shí)踐教學(xué)，達到這一目標還有一定距離。單純的理論教學(xué)只能使學(xué)生被動(dòng)地接受部分知識，達不到培養學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。為了使學(xué)生能夠學(xué)以致用，還要用實(shí)踐來(lái)促進(jìn)理論的學(xué)習�！扒度胧较到y”課程最主要的學(xué)習手段就是多動(dòng)手、多實(shí)踐。
　　根據“嵌入式系統”課程的教學(xué)內容以及筆者的教學(xué)經(jīng)歷，發(fā)現該課程的教學(xué)過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面：第一，教學(xué)目標以應用為導向培養學(xué)生的工程實(shí)踐意識。作為電類(lèi)的工科學(xué)生，除了在課堂上學(xué)習知識，還要樹(shù)立培養工程實(shí)踐的精神。尤其是像“嵌入式系統”這樣的綜合性專(zhuān)業(yè)課程。第二，在教學(xué)內容上應以學(xué)科知識的綜合作為基礎，進(jìn)而建立知識體系�！扒度胧较到y”課程不單單是講述一種微處理器或者是微控制器的架構，學(xué)生在這門(mén)課程中學(xué)到的更多的是一種借助于所掌握的嵌入式系統工具來(lái)解決問(wèn)題的一種能力。這種能力在“嵌入式系統”課程中往往體現的是電子系統硬件設計和程序設計的能力。第三，在教學(xué)過(guò)程中以團隊作為教學(xué)合作單位，培養學(xué)生的團隊合作意識�！扒度胧较到y”本身就涵蓋了很多知識，它兼顧軟、硬件兩方面的內容，和很多的專(zhuān)業(yè)課程融合在一起，具有很強的學(xué)科綜合性。每名學(xué)生都不可能把所有的內容都掌握，所以在學(xué)生的學(xué)習過(guò)程中，以小組團隊為單位，共同去學(xué)習，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

　　三、嵌入式系統教學(xué)手段改革

　　1.教學(xué)過(guò)程中發(fā)現的問(wèn)題
　　筆者剛開(kāi)始講述“嵌入式系統”課程時(shí)，由于并沒(méi)有太多的經(jīng)驗，還是依照課堂理論、課下試驗的傳統教學(xué)方式。但是隨著(zhù)教學(xué)的深入，發(fā)現這種教學(xué)過(guò)程中存在很多問(wèn)題。
　�。�1）課程內容涉及面廣，知識內容多。筆者課堂上講解的是以三星公司的S3C2410這款ARM9微處理器芯片，既要介紹ARM9芯片內核上的東西，比如ARM處理器的工作模式、存儲格式、異常、通用寄存器等，又要結合S3C2410講解芯片的片上資源，如定時(shí)器、A/D等，同時(shí)還要介紹嵌入式系統的硬件設計、匯編程序設計、操作系統等等。在有限的課時(shí)內，很多內容只能淺顯地介紹。一個(gè)學(xué)期下來(lái)，一部分學(xué)生看上去了解了嵌入式系統的許多內容，但是一到具體的應用實(shí)際就會(huì )發(fā)現還欠缺很多知識和技能。
　�。�2）傳統的以教師為核心的課堂上，在講解這門(mén)綜合性實(shí)踐性很強的課程時(shí)，很多學(xué)生都是被動(dòng)接受知識。學(xué)習一段時(shí)間后，由于學(xué)術(shù)缺乏學(xué)習的主動(dòng)性，也就漸漸失去了興趣。
　�。�3）在相對較短的試驗課程內，學(xué)生需要熟悉開(kāi)發(fā)的軟硬件環(huán)境，如開(kāi)發(fā)工具、試驗箱上的硬件原理圖等，還要了解試驗內容，看懂芯片手冊，讀懂試驗例程代碼，并能在已有代碼的基礎上進(jìn)行相應地修改以及添加自己的代碼。在這期間，學(xué)生自主的實(shí)踐動(dòng)手能力得不到充分地鍛煉，某種程度上也就僅僅是熟練了一種開(kāi)發(fā)工具而已。一學(xué)期下來(lái)，離教學(xué)目標還有很大距離。
　　2.基于項目應用的嵌入式系統教學(xué)改革
　　筆者在總結分析上述問(wèn)題的基礎之上，逐步對課堂教學(xué)進(jìn)行改革。把項目應用的教學(xué)理念逐步引入到課堂當中。所謂的項目教學(xué)法是通過(guò)實(shí)施一個(gè)完整的項目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其目的是在課堂教學(xué)中把理論與實(shí)踐教學(xué)有機地結合起來(lái)，培養學(xué)生利用所學(xué)知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力。由于“嵌入式系統”課程普遍開(kāi)設在本科的大三和大四階段或者是研究生階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了多數的專(zhuān)業(yè)基礎知識，所以可以在“嵌入式系統”的前期授課中布置課程作業(yè)論文，同時(shí)課程設計的內容可以讓學(xué)生結合自己的興趣愛(ài)好自行擬訂，老師不再強制給出具體的題目，而是給出參考題目。學(xué)生在已有的專(zhuān)業(yè)知識基礎上，選擇一個(gè)自己感興趣的題目作為本學(xué)期的課程論文來(lái)完成。這樣學(xué)生會(huì )帶著(zhù)自己的問(wèn)題在新學(xué)期開(kāi)始就要深入了解課程的內容，同時(shí)課下查詢(xún)相關(guān)的資料，這比課堂被動(dòng)地接受知識更能培養學(xué)生的學(xué)習能力。比如，有的學(xué)生選擇了利用ARM實(shí)現簡(jiǎn)易示波器的題目，這就需要他們課下學(xué)習有關(guān)數字示波器的知識，并且要設計圍繞以ARM處理器為控制核心的電路、設計程序流程、調試等諸多知識。學(xué)生帶著(zhù)這樣的問(wèn)題去學(xué)習嵌入式系統課程，一是明確了嵌入式系統的以應用為核心的本質(zhì)，二是可以對所學(xué)的知識進(jìn)行綜合應用。同時(shí)，課堂上老師的角色也從傳統的講授者轉變成學(xué)生解決問(wèn)題的合作者，雖然老師不能對學(xué)生所選擇的每一個(gè)題目都很熟悉，但是卻可以在與學(xué)生的討論過(guò)程中幫助學(xué)生理清設計思路，完成設計目標。同時(shí)在對學(xué)生成績(jì)考核時(shí)也不再只是看試卷的分數，而是由學(xué)生最終完成的論文以及演示的成品作為最終的成績(jì)考核。
　　這種基于項目應用的教學(xué)方法強調以學(xué)生為學(xué)習認知的主體，目的就在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性，促進(jìn)學(xué)生在工程實(shí)踐中培養提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在“嵌入式系統”的教學(xué)過(guò)程中，師生共同討論問(wèn)題，教師的職責也悄然地發(fā)生了變化，教師成為幫助學(xué)生學(xué)習的管理者和指導者。學(xué)生在課程論文的實(shí)踐中加深了對嵌入式系統概念的理解，掌握嵌入式系統的設計方法和開(kāi)發(fā)過(guò)程，培養了利用嵌入式系統工具解決具體應用問(wèn)題的能力。

　　四、教學(xué)效果

　　通過(guò)基于項目應用的引導式教學(xué)和實(shí)踐改革培養了學(xué)生通過(guò)研究具體課題來(lái)學(xué)習知識的能力，學(xué)生能夠在教師的引導下主動(dòng)完成學(xué)習任務(wù)，能夠根據具體的問(wèn)題提出自己可行的實(shí)施辦法�！扒度胧较到y”課程的學(xué)習目標是使學(xué)生深入地鍛煉自己動(dòng)手實(shí)踐的能力，并在與教師的探討中能夠提煉出設計題目完成所需的流程和方法，真正達到學(xué)以致用。在“嵌入式系統”課程最后的考核中，學(xué)生提交的作品包括電子時(shí)鐘、基于A(yíng)RM的簡(jiǎn)易數字示波器、利用GPRS模塊實(shí)現的短消息收發(fā)等等。雖然作品表面上技術(shù)難度并不是很大，但是學(xué)生為了完成這些課題時(shí)閱讀文獻、制訂具體的設計方案的整個(gè)過(guò)程，掌握了嵌入式系統的相關(guān)知識，熟悉了開(kāi)發(fā)的軟、硬件平臺，充分調動(dòng)了學(xué)習的主動(dòng)性。
　　隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統應用場(chǎng)合也將越來(lái)越廣泛，對嵌入式系統的人才需求也越來(lái)越大，同時(shí)對嵌入式系統的教學(xué)也提出了更高的要求。這種強調以應用為中心、以項目實(shí)踐為導向的“嵌入式系統”教學(xué)將會(huì )得到更多教師和學(xué)生的認可。

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