以学生为主体的嵌入式实验教学模式的研究与实践

耿淑琴 袁颖 侯立刚 汪金辉 彭晓宏

摘 要：分析了嵌入式实验教学的特点，提出了模块化实验教学模式。采取灵活丰富的模块化嵌入式实验系统，可实现嵌入式系统的针对性和裁剪性。研发并实践了模块化教学模式，激发了学生自主学习和设计的兴趣，提高了学生紧跟工程技术快速发展的能力。

关键词：嵌入式；实验教学；模块化

“十二五”发展规划中强调高等教育教学改革的重点是提高教学质量，注重创新人才的培养。嵌入式技术具有非常广阔的应用前景， 其应用领域包括工业现场控制、智能仪器仪表、航天军工、铁路汽车控制等等。此外，据预计，到2020年，超过40万个百万设备（地球上的每人将拥有五到十个嵌入式设备）将出售世界各地。嵌入式的系统已成为一个日益重要的课题，是几个特别设计的课程重点。随着物联网、通信技术的发展，嵌入式产品在全球各行业得到了更广泛的应用。但嵌入式技术更新速度非常快，这对嵌入式技术人员提出了更高的挑战，也对教学和实验内容紧跟技术前沿提出了更高的要求。

嵌入式系统是一门实践性很强的课程，嵌入式系统实验着重于培养学生的实际动手能力，学生通过实验掌握嵌入式系统的硬件基本体系和结构、系统运行模式、嵌入式软件开发流程、系统调试、验证和测试方法等，使学生具有一定的嵌入式系统开发知识和能力。学好嵌入式系统课程不仅有助于学生了解系统设计的基本方法，提高学生的动手能力，而且能提高学生对于相关学科的理解和实际工程应用能力。在嵌入式系统教学中，实验课程可以加深学生理解理论知识，并将理论知识与实践紧密结合，提高学生解决实际问题的能力，提高系统设计能力，增加学生对嵌入式系统的感性认识。通过具体实验，学生不仅切实感受到嵌入式系统的丰富功能，而且对嵌入式系统的开发和设计流程有一个全面和系统的认识，有利于学生全面掌握嵌入式系统的设计技术，有利于学生在今后的工作中成为卓越的工程师。但目前嵌入式实验过程中还存在一些问题，主要表现在以下几方面：（1）实验内容多为验证性实验；（2）实验平台多为实验箱，学生只需简单地、机械化地按实验步骤操作，远离了工程复杂的实际环境，没有达到实验教学的目的；

（3）嵌入式系统飞速发展，对其实验教学的快速跟进、研究、探讨和实践缺乏科学合理的实验教学体系。

现代教育理论指出：指导学生从实践和探索中通过思考获取知识，又在解决问题的探索活动中，运用已获得的知识和技能是培养智能的最好途径。

我们以培养适应社会需求的嵌入式开发人才为目标，充分研究了嵌入式实验教学的特点、体系结构及开发内容、嵌入式实验方式的特殊性以及业界对嵌入式开发人才的知识体系结构需求，开发了多模块配置方案实验项目的嵌入式实验教学系统。

为了紧跟嵌入式技术前沿的快速发展，嵌入式实验内容必须及时更新才能使培养出的人才技术创新能力强，具有很好的市场适应性，提高学生的紧跟工程技术快速发展的能力和素养。

一、嵌入式系统实验特点

我国国内对嵌入式系统公认的定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。即以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

可以看出，嵌入式系统的教学必须以应用为中心，而嵌入式系统实验更必须结合应用。以计算机为基础是指嵌入式系统一般都以处理器或微控制器为控制核心。嵌入式系统的处理器一般分为：微控制器、嵌入式微处理器、DSP处理器和FPGA为代表的片上系统（SOC）。常规情况下，嵌入式系统单指以32/64位嵌入式微处理器为核心的系统。由于ARM嵌入式微控制器和微处理器系统应用非常广泛，ARM技术成为嵌入式系统中的主流技术，当前嵌入式系统本科教学通常是以ARM嵌入式微控制器和微处理器为核心的嵌入式系统。软硬件可裁减是指针对特定的应用系统，实现特定的软硬件功能，具有很强的针对性，因此不具有通用性和垄断性。因此，对嵌入式系统教学和实验都必须围绕软硬件系统开展，而且是围绕特定应用要求的软硬件系统，并且对功能、功耗、成本、体积和可靠性都有较高的要求。学生既要掌握一定的硬件电路设计、PCB置备、元器件焊接和电路连接等环节，同时也必须完成程序的研读、编写、编译和下载等环节，而且在程序下载到硬件系统之后，完成软硬件系统的联调。可以看出，嵌入式系统课程理论的教学离不开实验内容。

嵌入式系统实验是嵌入式系统课程内容的一部分，通过实验可以进一步了解和掌握嵌入式系统的基本理论、处理器或微控制器的体系结构，系统硬件设计和焊接基础以及嵌入式软件环境和

软件环境搭建和相应的软件设计，学习和掌握嵌入式系统开发环境的使用和实现技术，提高调试电路的能力和计算机应用能力以及对操作系统有更高水平的理解。

二、基于模块化嵌入式实验的研究与实践

1.理论与实践紧密结合

由于实验课时的限制，在理论教学中，将硬件电路设计和软件设计的要求、特点及处理器的端口选择、芯片的选择等除了在课上讲授之外，还要作为多个大作业布置给学生，学生可以自主选择大作业的不同内容，利用理论课为实验课做好充足的课上课下准备，力争提炼出设计、综合和创新层次。确保硬件电路正确，合理选择元器件，PCB制备无误。只有真正理解电路的真正原理，才会在实验课上，线路联结正确，焊接无误，才会在硬件电路出问题时，快速查出原因，及时采取正确措施，才会使实验课上知其然且知其所以然，才会有的放矢，而不是盲目跟着实验步骤做实验，从而真正提高学生掌握设计、制备、焊接和调试的系统流程。对于软件部分，学生虽然在大学一年级学过C语言，但要和工程实际相结合，达到解决工程所需的软件设计能力还远远不够，需要在理论课上和课下做好充足的准备。

2.实验模块化便于应用的可裁剪

由于特定系统要求不同，进而嵌入式系统就各不相同。传统的嵌入式实验平台一般都是实验箱，虽然实验很方便，但往往又限制了学生真正进行电路设计、PCB制备、焊接、调试、软件平台搭建、软件设计、编译和调试等实际工程体验。

因此，我们学校采用了教学研究中自己制备的多个实验模块，可以供学生自行选择、自行设计、制备和调试，学生上课的积极性也很高。

嵌入式系统实验所使用的设备由计算机、微控制器和微处理器、传感器监测单元、开关量输入输出单元、各种接口单元、液晶显示单元、键盘单元、传感信号扩展单元、直流电源单元等组成，如图1所示。微控制器是应用前景广泛ARM微控制器新品Cortex-M4，处理器是应用非常广泛ARM系列新品Cortex-A8，学生可以根据任务的不同要求进行选择。由于处理器或者微控制器的各种接口较多，为了实现较典型的接口功能，选择功能模块化，便于学生实验的选择、设计和实验，其中计算机是处理器开发软件的运行环境，是程序编辑和调试的重要工具。传感器监测单元是输入，主要完成监测信号的采集和回放。开关量输入输出单元可以实现开关量输入或输出。各种接口单元针对不同的系统要求实现各种不同的功能。如，AD转换实现模数转换，串口单元实现信号的收发，进而实现通讯功能等等。液晶显示单元可以对运行结果进行文字显示。直流电源单元可以提供1.8V、1.2V、3.3V、+5V、-12V和+12V的等多种可灵活选择的多模块直流电源。

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图 嵌入式实验系统硬件框图

装有处理器开发软件和操作系统的计算机与整个实验系统共同构成整个的嵌入式系统的软、硬件开发环境。嵌入式系统的模块化实验是基于这套实验装置完成的。

3.实验的组织形式和考核方式

实验以两人为一小组，从开始的电路设计、PCB制备、焊接、软件环境搭建、部分工程程序编写、编译和下载调试等，解决实验中遇到的各种实际问题。因此，为了满足嵌入式系统各种功能的要求，模块化实验比较适合嵌入式系统的特点。处理器的架构体系、软件环境搭建、硬件电路设计与置备、Bootloader与操作系统移植、最小嵌入式系统、各种接口嵌入式系统（I/O口、串口SPI、UART、IIC、

IIS等）。

实验的考核也以两个人为单位，学生从理论课下的大作业开始进入考核，从实验方案的合理性、完成实验的先后、硬件电路的性能、软件程序的功耗和有无器件损坏等方面进行评分。

嵌入式模块化实验体系，既能激发学生的学习兴趣，又能鼓励学生自我创新，根据实验系统的功能模块进行有机组合，实现嵌入式系统的可裁剪性，自主设计实验项目，在学习和实验中培养兴趣，在兴趣的驱使下能力得到锻炼，工程素养得到提升。对充分提升实验课程的教学效果有着显著的效果，能够很好地为学生打下嵌入式技术开发的坚实基础。

通过实验可以引导学生形成一股扎扎实实的学习、试验和研究的风气，激发学生在专业领域的学习兴趣。基础好的学生利用课下可以参与到教师平时的科研中，增加动手实践的机会，并在科研中进一步培养学生的研究兴趣，形成良性循环。对于取得的研究成果，可以引导学生撰写论文，并能在学生中起到表率作用。模块化嵌入式系统实验方案紧跟嵌入式技术前沿的快速发展，及时更新嵌入式系统实验内容，灵活自主地选择和设计方案，培养出的人才就会技术创新能力强，具有很好的市场适应性，而且提高了学生的工程技术素养。

参考文献：

[1]曾炼成，沈岳，张林峰.嵌入式系统实践教学研究.中国电力教育，2010（27）：127-129.

[2]Leonel Sousa ，Samuel Ant■o，José Germano. A Lab Project on

the Design and Implementation of Programmable and Configurable Embedded Systems.IEEE Transactions on Education， 2013（8）：322-328.

[3]周红波，刘涛.构建适应就业需求的嵌入式系统实验教学模式探讨，软件导刊，2010，9（1）：177-178.

[4]陈丽蓉，罗蕾，陈虹，等.嵌入式软件实验教学系统建设.计算机教育，2007（8）：27-30.

（作者单位 北京工业大学电控学院）