嵌入式系统平台下创新实验方案的探究与实践

曹俊武， 何剑锋， 何月顺， 李 祥， 余 英

（东华理工大学软件学院，江西南昌 330013）

新形势下，面向就业、面向创新能力培养的嵌入式系统实践体系教学策略研究在国内本科教学中处于起步阶段。嵌入式系统作为综合性和工程性极强的应用型课程体系，课程的教学模式具有单向性、理论性、滞后性、交叉性等特点［1］。要使嵌入式系统教学实践体系在学生的创新实验平台上得到有效体现，应与企业需求相结合，与产业结构相适应;要理顺理论课程、实验课程、生产实习、毕业实习实施体系等相关教学内容;要重新理解嵌入式系统教学实践，使其有效服务于学生的创新活动。

1 嵌入式实验教学实践与实施计划

东华理工大学软件学院现有嵌入式系统实验设备40套（XScale PXA270处理器）及相关配套实验仪器及测试仪器，实验教学内容涉及微处理器系统设计、嵌入式操作系统开发、嵌入式中间件平台开发、嵌入式系统应用开发等众多嵌入式实验。针对理论授课反思嵌入式系统教学，普遍认为嵌入式实践教学解决问题可以从专业技术课配套的实验课程入手。通过探索改革实验课程的授课思路、内容和方式，弄清实验教学的理念，锻炼学生的工程素养和创新能力，有序做好如下实验教学的建设实施规划［2，3］。

（1）嵌入式基础性实验。采用理论授课与动手实验相结合的方式，让学生了解嵌入式开发环境和开发流程，掌握嵌入式开发工具的使用方法，熟悉软件编程环境。根据课程章节内容进行实验的调试，读懂实验源程序和程序的运行过程，使学生能够进行修改、组合和补充式的应用编程。这包括ARM集成开发环境ADS1．2的使用与仿真调试方法、ARM中的汇编程序与C语言调用的混合编程、系统引导实验、八段数码管实验、键盘实验、IRQ中断处理实验、定时器实验、串口传输实验、实时时钟实验、LCD控制器实验、触摸屏实验、MMU实验、CAN-BUS总线实验、步进电机实验等“章节单元型”或“验证型”实验。

（2）系统设计类实验。主要采取精讲精练的方式进行，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。由教师指定几个系统设计课题，下达包括实验题目、实验内容、系统功能及实验中应注意问题的任务书。通常需要在嵌入式操作系统的支持下完成设计实验方案，编写实验程序，选择硬件接口并调试，并写出设计实验报告。EELIOD是基于Intel高性能的PXA270处理器并支持嵌入式Linux/Windows CE系统的针对教学与实验多功能嵌入式开发平台。该实验平台下支持的“系统编程开发”或“设计型”实验，主要包括1）基于Windows CE平台的设计实验:Windows CE平台的构建与配置、线程同步调试、驱动程序结构设计、进程通信调试、SQL数据库编程、I/O接口控制编程、动态链接库（DLL）、无线网络通信编程、UDP和Ping实验、串口编程设计（GSM和GPS实验）、SD/CF存储卡读写实验、USB摄像头驱动和应用实验;2）基于嵌入式Linux 2．4平台的设计实验:Linux常用工具实验、Makefile实验、BootLoader实验、内核编译实验、嵌入式文件系统的构建、嵌入式GUI应用程序实验、驱动程序结构实验、I/O口驱动实验、USB驱动配置实验、SD卡驱动程序实验、QT/E移植实验、串口通讯实验（GPS和GSM通信）、Webserver的移植与网络通讯实验［2，4］。

（3）创新类实验。从贴近市场对于嵌入式软件人才的能力要求出发，锤炼学生的科研能力、创新思维能力和工程实践能力，对当前嵌入式系统实践教学中的“知识+能力+创新”应用，以“项目实训”驱动机制，充分激发学生的主观能动性，让学生发挥创意，通过自己的创新思维，学生自己讨论确定研究方法和研究手段，利用现有的实验设备和条件进行课题研究，教师在一定阶段给予必要的指导。最终在项目中解决现实生活中的问题。通过项目组织整个实验的同时，需要在项目的过程中贯穿软件工程的思想。例如借助于软件工程管理工具进行进度管理、代码管理、缺陷管理等。简言之，让学生在项目中不但可以掌握具体工程技术，还可以积累工程素养。

2 嵌入式系统创新实验方案探究

嵌入式系统创新实验方案分为基础类、设计类和创新类等3类实验。（1）嵌入式基础类实验是以“章节单元实验”为基础，验证某个教学知识点或某个已知的系统功能的正确性，利用基础开发语言服务基本系统功能，掌握基本嵌入式开发工具，对于学生更好地理解课堂知识点和掌握必要的技术技能是有帮助的，通常称为“验证型”实验。（2）嵌入式系统设计类实验方案:所有的应用实验均在特定的嵌入式操作系统上进行，不同的操作系统编程、移植与驱动开发千差万别，结合软件学院学生自身特色，其实验目的是由传统的“芯片编程技术”向“系统编程开发”转变。（3）针对嵌入式创新类实验方案:其实验内容安排应该由传统的“章节单元实验”向“项目单元实训”过渡，把前期做过的章节单元实验课程通过一个或多个项目的形式来组织，牵引2～4名学生为一个项目组在一学期（年）内完成该一项项目，以达到掌握嵌入式技术技能的目的［5］。同时，积极进行校企合作，建立实践基地，联合完成项目设计。嵌入式系统具体实验平台方案如图1所示。

3 创新型实验教学理念与预期效益

图1 嵌入式系统实验方案

创新实验教学的基本做法是让学生基于综合实验程序，自行编写一个功能扩充的应用项目，或者在综合实验平台的启发下自行创意，开发一个新应用项目。针对不同教学的应用对象（包含软件类、计算机类、信息工程类大学本科生）、应用条件、教学内容、教学方法、教学手段、教学目标、教学评价体系进行相关实践理论研究。在理论指导下建立健全嵌入式系统教学实践新体系，旨在加强对系统基础知识、系统分析和创新能力的培养［6，7］。主要包括:（1）培养学生的知识拓展、应用能力和创新思维。采用启发式、范例式等多种方法提高实践教学质量，设计具有创新意义的应用型实验项目。在实践教学中，课程组充分运用先进优越的实验条件，并充分发挥教师在嵌入式系统开发方面较强的科研经验和成果，开发基于多种软硬件开发平台的、不同层次的实验项目并形成实践教学体系。有选择地让学生分析科研项目中的有关应用系统的硬件和软件。（2）构建嵌入式创新型人才课程体系和培养方案。面对嵌入式技术快速发展和嵌入式系统本科专业快速增长的现状，深入探索社会需求和人才培养规律，进一步明确嵌入式创新型人才的培养目标和培养模式，构建科学规范的、满足不同特色需求的嵌入式创新型人才课程体系和培养方案。（3）通过创新创业平台有效促进实践嵌入式教学改革。通过对教学方法与手段的多项教学研究与改革，在增强教学效果、提高教学质量的实践中取得实效。同时在提高课程教学质量、针对教学难点、研究教学方法、融入教学过程、探索教学改革中发挥创新平台的有效作用。如通过电子及计算机设计竞赛、学生兴趣小组、实习基地培训项目、参与教师科研项目、职业创新规划、自主设计等方式激励创新，有效构建大学生科技创新平台。在教学实践中设计多层次的实验系统包括基础实验、选作实验、创新实验，开展学生知识学习、研究探索，并通过自制实验设备加强学生的实践动手能力等。

4 结束语

嵌入式系统发展得如此迅速，嵌入式系统实践教学还没有成熟的模式去遵循，原有的嵌入式设计思想，操作系统还没有被应用到科研项目中。东华理工大学软件学院嵌入式系统创新实验平台建设受到了学生的热烈欢迎，提高了教学效果。但这仅仅是一个好的开始，还存在许多不足。本着培养学生分析问题、解决问题以及综合应用知识的能力出发，积极开展理解基础类实验、掌握设计类实验、开拓创新性实验，鼓励学生探索、创新和实践，这样才能共同提高嵌入式系统理论与实践教学的水平。

［1］俞建新．略论嵌入式系统的实验教学［J］．实验室研究与探索，2006，25（7）:741-745．

［2］亿道电子．XSBase270基础实验上机指导书［R］．深圳:亿道电子技术有限公司，2005．

［3］黄晓玲，段凤云，赵建科．嵌入式系统实验教学体系的探索与实践［J］．实验技术与管理，2006（4）:85-87．

［4］亿道电子．XSBase270 LINUX/WINCE 使用手册［R］．深圳:亿道电子技术有限公司，2005．

［5］李静，乔峰．浅谈嵌入式系统实验对学生创新能力培养［J］，高校实验室工作研究，2009，3（1）:22-23．

［6］罗钧，廖红华，付丽，黄勇．嵌入式实验教改与创新性人才培养的关系［J］．实验室研究与探索，2006，25（8）:958-959，1018．

［7］黄杰，何宗键．基于项目的实验课程改革探索与实践［J］．计算机教育，2008，2（2）:30-33．