电气信息类“嵌入式控制系统”课程改革与探索

党晓圆 马冬梅 周立勇 党丹凤

摘要：嵌入式控制系统是一门综合性强、技术发展十分迅速的前沿性、交叉性学科，其理论性和实践性都很强。以培养符合社会需求的工程应用型人才为目的，通过对目前在电气信息类专业中引入和强化“嵌入式控制系统”课程的必要性进行分析，结合学生的认知规律和学习特点，阐述了“嵌入式控制系统”课程的改革目标，并从理论教学内容、实验实践教学、教学方法及教材建设等四个方面提出了具体的改革措施和建议。

关键词：嵌入式控制系统；课程改革；工程应用型

作者简介：党晓圆（1983-），女，甘肃张掖人，重庆邮电大学移通学院自动化系，讲师；马冬梅（1984-），女，四川遂宁人，重庆邮电大学移通学院实训中心，讲师。（重庆 401520）

基金项目：本文系重庆邮电大学移通学院校级教改项目（项目编号：20100206）、独立学院自动化专业应用型人才培养模式研究的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0055-02

随着科学技术的发展，嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高等特点，已经在工业控制领域得到了广泛的应用，如工业过程控制、电力系统、电网设备监测、智能仪器仪表、机器人控制、数控系统等领域都需要大量技能型和工程应用型的嵌入式人才。除此之外，工业控制系统集成技术日趋完善，工程人员使用组态软件的水平不断提高，用户对组态软件的要求已不再像过去那样主要侧重画面。而是要考虑一些实质性的应用功能，如软PLC、过程控制策略、远程联网、冗余等。因此，在电气信息类专业引入和强化“嵌入式控制系统”课程，使学生掌握嵌入式控制系统的设计方法是十分必要的。

一、课程改革目标

近年来，在知识化和信息化的形势下，根据行业需求，以行业为导向，培养具有一定的理论基础，工程意识强，应用能力、实践能力、技术能力强，收集、消化、提升信息能力高，具有良好的综合能力、动手能力和解决问题能力为主要特征的新型本科工程应用型人才，是经济发展的要求。在高校就业压力和人才结构性矛盾的双重压力下，如何增强毕业生市场价值是目前比较重要的课题。“嵌入式控制系统”作为一门“软硬兼施”的综合性课程，涉及计算机、电子及自动控制等多门专业基础类课程内容并具有较强的应用针对性，不仅要具有较好的计算机软硬件基础知识，还要具有其他门类专业的常规知识，如通信技术、传感器技术等，是一门入门门槛较高的课程。而独立学院学生学科基础相对薄弱，所以必须设计适合独立学院学生发展的理论课程教学体系和实验实践教学体系，重新编写以培养学生工程应用能力为导向的教材，合理调整理论课课时，增加综合实验课课时和实践课时，增强学生的学习兴趣和动手能力，从而提高独立学院毕业生的就业率。

二、课程改革内容

近些年来，国内学者出版了不少关于嵌入式系统的教材，但是嵌入式系统主流产品的多样性决定了嵌入式教学内容的多选择性，各教材讲授的处理器和操作系统不尽相同。并且目前国内除了河北工业大学孙鹤旭教授主编的《嵌入式控制系统》这本教材是面向电气信息类专业的学生，其他的教材大多都适用于计算机类专业的学生。

本文针对理论教学内容、实验实践教学、教学方法及教材建设等四个方面提出一些具体的改革措施和建议。

1.教学内容改革

目前，工业控制领域主要采用ARM微处理器和嵌入式Linux操作系统。结合现有教材的内容，根据课程目标的要求，有所侧重地选择教学内容。注重外围接口设计，以软件开发为主，包括应用软件和驱动程序开发，并选择主流、有发展前景的ARM微处理器、嵌入式Linux和嵌入式MCGS组态软件作为主要授课内容。以智能家居系统为例，提炼适用于电气信息类工程应用型人才的课程内容，简要讲述嵌入式系统的开发过程，详细讲解系统总体设计中嵌入式处理器选型和嵌入式操作系统选择的原则。重点讨论嵌入式硬件系统的设计，结合Protel软件讲述原理图设计和PCB设计的过程，并演示部分模块的原理图设计。结合嵌入式MCGS组态软件讲述开发控制系统界面的方法和过程，阐述嵌入式软件系统的设计方法，为该系统选择合适的设计方法，引导学生实现系统中的某一功能，介绍嵌入式系统的测试项目和方法，使学生熟练掌握常用微处理器、存储器和外设接口的设计方法，熟悉典型嵌入式操作系统、底层内核移植、编译下载调试过程、驱动程序和应用程序开发，对嵌入式系统的开发有一个全景掌握，并对嵌入式系统的硬软件系统构成和硬软件协同开发有初步的认识。

2.实验实践教学改革

工程应用型本科人才的培养要着重体现以一线生产和活动的实际需要构建的知识、能力和素质结构，注重管理能力、设计能力和操作能力的培养。在第六学期，利用现有教学资源，开设了PROTEL和MCGS集中上机课，为“嵌入式控制系统”课程实验和课程设计做好铺垫。

再者，嵌入式控制系统实践性很强，对于本科学生来说，具有一定的难度。所以，在实验实践教学方面，多开展专业综合设计性实验，且针对“嵌入式控制系统”课程综合性强的特点，秉着嵌入式控制系统教学的实验不应重复单片机实验的内容，应具有综合性和创新性，适当加入操作系统内容，采取自顶向下的教学模式，让学生从硬件到软件完全自己做，不仅要进行软件的设计，而且还要进行硬件电路的设计和制作，以及软硬件系统的联合调试，使学生建立相关课程之间知识的有机联系，让学生熟悉需求分析、方案设计、原理图和PCB绘制、元器件采购、电路板焊接和调试、嵌入式软件开发等各个环节，使他们的工程实践能力得到真正提高。除此之外，利用24学时的课程设计，针对不同的专业，采用8人为一小组的形式，给定不同的题目，让学生自己动手设计，从芯片选型、操作系统选型、硬软件设计、系统启动、底层编程、操作系统应用编程、图形界面等方面进行设计，并在实验设备上完成一个实际的控制系统，从而提高学生的学习兴趣。

3.教学方法改革

采用形式多样的课程教学方式，根据“嵌入式控制系统”课程的特点，认真对课程内容进行了设计安排，配合课程实验、课程设计形成灵活多样的教学方式。在课堂讲授中，采用自上而下的教学方法，选择简单、基础、易于理解的内容及实际应用中最常用到的内容进行讲解，重点讲述处理器和外设的编程结构；变灌输式学习为引导式、启发式和互动式学习，让学生自发地学习各种系统、模块、外设、协议和库函数的“边界”，搭建简单系统；充分利用多媒体手段的优势，将抽象的概念具体形象地表现出来；对教学中的重点和难点问题，采用集體讨论、观摩教学等形式。建立资源库，尤其是师生互动的教学资源，建立答疑库，逐渐积累丰富。

4.教材建设

确定了适合电气信息类专业的教学内容之后，根据教学内容，结合现有教材和实际情况，积极展开自编教材和实验指导书的相关工作，适当加入工程实例设计与实验教学内容，将嵌入式系统和控制系统有机结合起来，建立适用的、成系统的教材体系。

三、结论

“嵌入式控制系统”已成为一门顺应现代化教学改革发展趋势的课程，目前，该课程的教学改革还处在起步阶段，存在许多的不足，在今后的教学中将会在课程体系、实验体系和教材体系等方面做进一步的研究与探索，努力实现理论与实践并重的教学体系，为所培养的学生在嵌入式控制系统应用与开发方面打下良好的基础。

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（责任编辑：王意琴）