应用型高校的嵌入式系统教学探讨＊

刘丽娜

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

应用型高校的嵌入式系统教学探讨＊

刘丽娜

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

根据当前嵌入式系统的发展、应用,并借鉴国内部分高校在嵌入式系统课程的经验,提出了针对培养应用型人才高校的嵌入式系统教学设想。

嵌入式系统;教学方法;实验教学

嵌入式系统是以具体应用为中心,以计算机技术为基础,采用可裁减的软硬件,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统作为当今发展最快、应用最广、最有发展前途的主要技术之一,已被广泛应用于工业控制、通信、信息家电、医疗仪器、智能仪器仪表、汽车电子、航空航天等各个领域。在IEEE计算机协会和ACM共同制定的2004版计算机类课程体系中,嵌入式系统已经被列为核心课程之一[1]。

我国拥有世界最大的嵌入式技术市场,对于嵌入式人才的需求巨大。进入21世纪,国内部分高校纷纷开设了与嵌入式技术相关的课程,电子工程、软件、自动化等学科也将陆续开设嵌入式系统课程。因此,基于不同的学科专业,在嵌入式系统的授课内容上也要有所区别、侧重,对各学科嵌入式系统课程的研究与实践将是一个长期的过程。

1 国内主要高校嵌入式系统教学现状

国内已经开设嵌入式系统课程的高校根据不同的专业设置,教学内容有不同的侧重,基本分为计算机类专业以及电子和自动化等相关专业的嵌入式教学两种。对于嵌入式系统课程体系的设置也多注重理论教学与实验、工程实践并重,强调培养学生解决问题的能力和创新意识。

浙江大学在2002年开设了“嵌入式系统”课程,是国内最早开始嵌入式系统教学的大学。该课程涉及嵌入式计算机硬软件以及应用的综合性计算机课程,主要学习嵌入式计算机硬软件构成、嵌入式系统的主流操作系统和软件开发技术。课程分为嵌入式体系结构、嵌入式操作系统、嵌入式软件开发。而且在教学过程中,针对不同专业和年级的学生,教学侧重点也不同。计算机学院偏重原理理论与设计,软件学院偏重软件产品的使用。

北京大学的嵌入式系统教学的培养方案和课程体系注重能力培养与工业实践,强调学生掌握坚实的嵌入式系统基础知识,尤其是嵌入式软件工程理论、技术及各种开发、调试和测试工具,并具备嵌入式系统软件、中间件与应用软件,以及嵌入式终端、数字家庭产品的研究开发能力。只招收研究生。

北京航空航天大学提出了“32位嵌入式微处理器+实时操作系统+工程实践”的嵌入式系统教学模式。在授课内容方面,课程以32位ARM嵌入式微处理器和实时操作系统C/OS-II作为主要内容,重点介绍嵌入式系统的基本概念、设计方法、ARM微处理器的体系结构、C/OS-II实时操作系统内核分析、C/OS-II操作系统在ARM微处理器的移植方法、基于ARM的硬件设计和基于C/OS-II的嵌入式软件设计等课程内容[2]。实践内容的设置目标是培养学生实际的嵌入式软硬件设计能力,除了基本实验外,还安排了类似游戏和无线点菜系统类型的开放式大作业,锻炼学生的动手能力和综合设计能力。

天津大学的理论教学侧重嵌入式操作系统原理和嵌入式应用软件的开发,实验采用基础型、综合型和研究型的三层实验教学体系结构。

2 应用型高校嵌入式系统教学的思路及设想

基于国内高校嵌入式系统教学的经验,在开设嵌入式系统课程时,应结合应用型高校的自身特点。

2.1 教学对象的选择

课程设置主要针对相关专业高年级本科生。国内已经开设嵌入式系统课程的高校多数成立了单独的嵌入式系统系部,并且形成一整套嵌入式系统课程体系,又根据不同的嵌入式研究分支划分了不同的专业方向。因此,这些高校的培养目标多为研究生。而以培养应用型人才为主的高校,可以给相关专业高年级本科生开设嵌入式系统课程。因为已经具备了数字电路技术和单片机、微机原理、C语言编程、汇编语言、计算机系统结构、人机接口和网络通讯接口等专业基础课程,所以,易于知识的理解接受。由于嵌入式系统在多领域的广泛应用以及当前嵌入式人才的短缺情况,高年级学生可以把嵌入式系统作为择业和进一步研修的方向,提高嵌入式系统的学习积极性。

2.2 教学的主要内容

1998年教育部颁布的自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、生物医学工程7个电气信息类专业中[3],除计算机科学与应用专业主要从体系结构、编译原理、操作系统等方面进行嵌入式系统研究,其他学科都是根据本专业的特点和应用入手进行嵌入式教研。由于在现在的嵌入式项目中,软件所占的比重越来越大,复杂程度也越来越高,因此对于自动化、电信等专业的学生同样需要对嵌入式软件的设计开发进行重点教授。

2.2.1 以应用为主的教学内容

根据人才培养方向以应用为主,需要学生掌握某种嵌入式平台软、硬件的设计开发,掌握应用系统的设计开发能力,因此在培养方向上侧重“懂”和“用”,针对成绩比较好的同学培养其“研”的能力。“懂”是要求学生了解嵌入式系统的发展历程、特点,知道嵌入式系统的基本构成(微处理器、存储器、I/O、外设驱动和接口、电源管理、总线、硬件调试等)。“用”是要求学生了解嵌入式操作系统的概念,理解操作系统的内核,能够对内核进行移植、修改和裁减,熟练使用某一种嵌入式操作系统,能够构建嵌入式软件的开发环境,掌握嵌入式软件开发工具的操作方法及使用,能够编写嵌入式设备的驱动程序。表现比较优秀的同学可以在此基础上,培养其具备一定的嵌入式产品开发与设计能力。

2.2.2 实验是嵌入式系统课程非常重要的一个环节

通过实验,可以充分理解和掌握理论知识,理解实验背后的实际意义。在实验中,可以结合实验平台来深入了解如何建立嵌入式开发环境、嵌入式驱动程序的设计开发以及操作系统的设计等。实验内容的设计不能仅仅局限于课本教材,还应该涉及当前嵌入式领域的最新技术,紧密联系实际应用。实验的内容可以由多基础验证型向多综合设计型过渡。基础验证型实验可以让学生了解实验平台、研发环境和流程,掌握开发工具的使用方法,熟悉编程环境,根据实验指导书的内容对实验进行演示调试。综合设计型实验强调知识的综合运用,利用实验平台提供的资源,构建一个具有实际意义的嵌入式应用系统,来培养学生的实际应用能力和创新能力。

嵌入式系统是一个软硬件结合体,因此,在实验内容的设计上可以包含硬件电路的设计制作和软件的编译开发,以及硬软件之间的联合调试,这样学生就能够在不同学科间建立联系,锻炼各学科知识的综合运用能力。这种涵盖面广的大型实验可以作为学生的毕业设计课题。同时,由于嵌入式系统也是自动化等相关专业的专业方向,因此,可以随着嵌入式教学的深入,逐渐把嵌入式系统纳入到自动化、测控等专业的毕业设计课题范围内。

实验室开放能够发挥学生的学习能动性和创造性。学生可以利用课余时间,熟悉调试实验平台。对于失败的实验项目,可以重新调整实验方案再次尝试,或者采用不同的方案对同一个项目进行反复验证。实验室可以安排本课程老师及时针对学生实验过程中出现的问题进行辅导,宜采用启发式,引导学生自己动手、互相讨论寻找答案,培养学生的创造性思维和协同合作能力。

2.3 考核形式多样性

根据嵌入式系统注重实践的特性,考查方式可以综合笔试、平时作业、实验测试、课程设计、大作业或论文的成绩。这些方面按比例综合评价学生的学习效果。其中课程设计、大作业可以通过统一选题,学生分组完成。一方面可以促进学生间的互相学习、小组协同工作;另一方面课程设计可以考查学生对于基础知识的综合运用能力以及相关文献资料的搜集运用能力。

2.4 采用多种形式培养学生学习积极性和创新能力

嵌入式系统是一门应用性很强的课程,把应用型人才作为培养目标的同时,还应努力增强学生科研创新能力。

2.4.1 校企合作

聘请高新技术企业技术人员、业界专家来校讲座,通过讲授最新的嵌入式技术、嵌入式系统的硬件设计与软件开发流程,结合实物产品的展示,可以激发学生对嵌入式系统的学习积极性,了解行业趋势。还可以在高新技术企业中构建一个学生实践基地,学生可以了解嵌入式产品的设计生产过程,参与到实际的项目研发中,不仅能够对理论的实践应用有了深刻的理解,还能通过实际项目的参与,培养学生的实践能力和工程管理能力。

2.4.2 鼓励学生参加各种类型的大学生电子设计大赛,培养其解决实际问题的能力

2002年,嵌入式系统专题竞赛作为全国大学生电子设计竞赛的一部分首次举办,至今已经成功举办了4届。该专题竞赛的开展,不仅对课程教学内容的更新、整合、改革以及课程建设起了促进作用,而且可以充分发挥学生的聪明才智,发挥他们的创造力和团队合作能力,这也正是倡导的素质教育的重要内容。

2.4.3 加强师资力量建设

在嵌入式系统的教学过程中,老师扮演了一个非常重要的角色。但是当前嵌入式系统老师的专业背景大多为计算机应用、电子、信息工程和自动控制等。由于知识结构有所侧重,所以,在嵌入式系统的教学过程中就要不断学习完善。可以积极组织老师参加全国范围的嵌入式系统教学研讨会和培训班,一方面可以让老师深入了解嵌入式技术的发展,另一方面对于提高老师自身的专业科研水平也大有帮助。同时,老师在教学的过程中,也应该持续不断的学习,主动获取更多的帮助,例如,可以主动跟国内外公司联系,索取资料、技术支持等。

3 结束语

随着嵌入式系统理论、技术和应用的不断发展,嵌入式系统的教学也处在一个不断发展、完善的过程中。应用型高校可以扩大嵌入式系统课程的授课面,增加实验学时,多开设综合设计型实验,建立开放式实验环境。教学内容要与时俱进,引进专业技术人员、专家的讲座,开阔学生视野,了解嵌入式最新技术产品和社会需求。加强师资建设,提高嵌入式系统方面的科研力量,加强与有经验高校的交流学习,来共同构建良好的嵌入式系统教学与科研环境。

[1]IEEE Computer Society/ACM Task Force on Computing Curriculum,Computing Curricula-Computer Enginnering:I-ron-Man Draft"[EB/OL].(2004-06-08).http://www.eng.auburn.edu/ece/CCCE/.

[2]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发:基于ARM微处理器与μCOS-II实时操作系统[M].2版.北京:清华大学出版社, 2003.

[3]教育部高教司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京:高等教育出版社,1998.

[4]仲伟波,包亚萍,付跃文,等.关于嵌入式系统教学的几点思考[J].实验室研究与探索,2006,25(12):1565-1568.

[5]周德祥.《嵌入式系统》教学方法分析[J].科技信息:学术研究,2007,(31):99.

(责任编辑:肖恩忠)

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1671-4288(2010)02-0143-03

2010-01-25

刘丽娜(1979-),女,山东潍坊人,潍坊学院信息与控制工程学院讲师。