应用型本科嵌入式系统课程教学探讨

施昕昕

南京工程学院 江苏南京 211167

嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。在现代社会，嵌入式系统的应用十分广泛，大到航空航天装备、国防武器，小到手机、日用“智能”家电(全自动洗衣机、电饭煲等)都使用了嵌入式系统。可以说，在21世纪，嵌入式系统无处不在。

嵌入式系统课程的特点是多学科交叉融合、实践性强，是自动化专业、电气工程专业的一门重要专业基础课。嵌入式系统的相关知识和技术发展日新月异，越来越多的硬件和功能不断涌现，这不但给学生的学习增加了难度，同时也要求教师不断补充新的知识，掌握相关技术，站在领域发展的前沿[1]。应用型本科院校的最大特色是“学以致用”，因此，针对嵌入式系统这门课程，需要从授课内容、教学方法、实践练习、科研训练等方面进行有效的改革，培养满足现代社会需求的高级工程应用型人才。

1 理论教学改革

1.1 优化教学内容

嵌入式系统是一门综合性课程，涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统、C语言编程等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合[2]。

对于计算机专业的学生而言，软件编程、操作系统等可谓他们的“看家本领”，理解和掌握起来也相对容易；但对于自动化专业、电气工程专业的学生来说，要理解操作系统的工作原理、用C语言等高级语言进行编程就不那么容易了。嵌入式系统涉及的内容非常广泛，在短短的课堂教学中，不可能也没有必要完全讲授，教师需要根据学生的具体情况，对教学内容进行精选，以提高课堂教学效率。

嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件包括嵌入式处理器和外围设备等，软件包括嵌入式操作系统和各种应用程序等。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器的选择范围非常广，要学好嵌入式系统，首先要对嵌入式处理器进行选型。所选处理器必须有代表性，学生学好之后就能举一反三地推广至其他处理器的应用。以前，51系列单片机可谓嵌入式处理器的典型，但现在已不适应技术的发展。综合考虑多种因素，目前比较适合用于教学的嵌入式处理器有ARM(Advanced RISC Machine，先进精简指令集计算机器)、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)等。

嵌入式操作系统是嵌入式系统中最基本的程序，负责系统中全部软硬件资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动。嵌入式操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。嵌入式操作系统的分类有很多种，各自的功能特点均有所侧重。在本课程中，笔者选择了一款当前非常流行、源代码完全开放的嵌入式操作系统，即Linux。Linux可根据需要进行适当裁剪，所占空间小，运行效率高，是学生学习嵌入式操作系统的理想选择[3]。

1.2 教学方法改革

掌握方法，事半功倍。在学习任何一门课程时，掌握有效的方法显得十分重要，尤其是在课堂教学中，如何在短短的45分钟时间内，既能把知识讲透，又能让学生很好地掌握，这是教师的一项基本功[4]。

学生刚接触嵌入式系统，往往是一头雾水，因此，笔者在第一节课专门进行嵌入式系统介绍，而且从学生最熟悉的“手机”开始进行分析。手机作为最典型的一种嵌入式系统，学生人手一部，再熟悉不过了。笔者先介绍手机的硬件，如处理器、LCD显示器和触摸屏等；然后介绍手机的软件，从操作系统开始，如Android，ios等，继而介绍应用程序，如QQ、微信等。通过这样的介绍，学生好理解，既对嵌入式系统建立了初步的概念，又激发了学生的学习兴趣。接下来，教师可与学生互动，让每位学生从日常生活中寻找嵌入式系统并进行分析，如校园里的自动售货机、校园一卡通等。最后，教师进行点评，从学生熟悉的事物着手，教学形象生动[5]。

在讲授嵌入式系统中的操作系统软件Linux时，学生理解起来会有一定难度，因为Linux以字符操作界面为主，而学生接触最多的操作系统是图形化的Windows，两者的操作方式不同，但在组织结构上有一定的相通之处，如文件都是以目录的形式组织的，所不同的是Windows中有多个目录树，而Linux中只有一个目录树。通过与学生熟悉的Windows相比较，找出Linux与Windows的相同和不同之处，进行对比分析讲解，学生很容易理解，并且知识掌握得也很扎实。

由于在Windows操作系统下安装Linux操作系统，需要先安装虚拟机，这对系统的硬件要求比较高，并且很耗时，不太适合在教室多媒体机器上安装。但在讲解Linux操作系统时，一些命令和操作最好能现场演示，以方便学生理解。教师可事先在自己电脑上操作，通过屏幕截图或屏幕录像工具保存下来，再在教室多媒体上演示，同样可以达到较好的效果。嵌入式系统在现代社会中有很多应用，教师也可以搜索相关视频，在课堂上放映，并加以讲解。

嵌入式系统相关技术发展日新月异，许多新技术是在国外杂志上发表的，要了解这些前沿技术，要求学生有较好的英文阅读能力。在课堂上，教师可以穿插介绍一些专业术语对应的英文，便于学生理解专业的英文文献。同时，嵌入式系统的硬件数据手册也基本是英文的，从中也反映了在课堂上介绍英文专业术语的必要性。有条件时还可尝试采用双语教学，让教学与国际接轨。

1.3 完善考评体系

嵌入式系统课程的知识较为广泛，不太适合通过闭卷考试的形式进行考核。目前我校嵌入式系统课程成绩由三部分组成：课程论文占总成绩的70%；实验成绩占20%；平时成绩占10%。平时成绩从学生的出勤情况、作业、课堂表现、学习主动性等方面进行评价。该考核方式中，平时成绩所占的比重较小，容易造成学生课堂表现不好，缺勤率高。

提高出勤率，有很多种方法，如点名、排座位等，但这些都不能从根本上解决问题，相反，还可能引起学生的反感，造成有些学生来上课就是为了点名，点完名就走的现象。教师可适当提高平时成绩所占的比重，对课堂回答问题、积极参与互动等表现好的学生加分，让更多的学生参与到课堂教学中。

对于课程论文，很多学生直接从互联网上复制内容。为了杜绝该类现象，笔者要求学生的课程论文必须手写，并且内容原创性越强，得分就越高。鼓励学生通过独立思考，自己动手设计一个嵌入式系统。在条件允许的情况下，教师可以提供支持，使学生的设计能够实现，从而激发学生不断探索的兴趣。

2 实践教学改革

2.1 实践环节

嵌入式系统是一门实践性非常强的课程，本课程的实践环节包括实验、课程设计和毕业设计等。目前该课程的理论教学和实验教学由不同的教师承担，为了使理论与实践相结合，要求理论教学的任课教师事先了解实验系统，最好能亲自动手操作完成实验，这样在课堂讲解时就有具体的应用案例，而不至于使理论教学过于枯燥。

课程设计是在实验的基础上进行的拓展，本课程共提炼出7个课题进行设计，分别为：基于串行端口的GPS数据采集系统设计、基于GPRS的双机通信系统设计、指纹采集识别与控制系统设计、直流电机控制系统设计、射频卡数据采集与控制系统设计、条形码采集与显示系统设计、温度湿度传感器数据采集与显示设计。与课程设计配套的硬件平台如图1所示。这些题目贴近生活，学生容易理解，学习兴趣很高。笔者将学生分成7个小组，每个小组为一个团队，完成一个课题的设计。学生之间可以相互讨论，提高了团队协作能力。学生普遍很喜欢这种设计模式[6]。

图1 课程设计配套硬件平台

毕业设计是大学生在毕业之前完成的最后一项学习任务，它可以全面检验学生在大学期间的知识掌握程度。毕业设计也可围绕嵌入式系统展开—嵌入式系统本身涵盖了多门课程的内容。例如：基于Android智能终端的WiFi温度采集系统。这个题目要求学生自己设计一个温度采集系统，并且将采集到的数据通过WiFi发送到Android智能终端上进行显示，这比课程设计的要求更进了一步，对学生的要求也更高。该毕业设计选题新颖，学生通过自己的努力完成了设计(如图2所示)，并最终获得学院的优秀毕业设计。

图2 学生的毕业设计作品—基于Android智能终端的WiFi温度采集系统

2.2 创新比赛

嵌入式系统覆盖面广，很容易出创新点，但也需要学生积极进行探索。我校通过举办各类创新比赛，如嵌入式系统创新大赛、微处理器系统设计大赛等，激发学生的创新意识。在各类创新比赛上，产生了许多优秀作品，如智能点菜单系统、移动小车、无人机操纵系统等，让人在赞叹学生创新能力的同时，也在思考，作为教师，要尽可能多地提供平台，引导学生进行创新探索。

我校的创新学院，本身就是一种创新。该院招收学校里的优秀人才，经过严格训练，推荐他们参加全国甚至全球机器人大赛。机器人系统实际上是一个典型的嵌入式系统。学生通过对这一具体应用对象的研究，并自己动手制作一些部件，不但深刻理解了嵌入式系统相关知识，而且大大提高了动手能力。

2.3 科研训练

学生在大学期间，除了学习科学文化知识，还可以申请各类科研项目，为自己的研究争取一些经费，更好地进行创新研究，如校级和省级大学生科技创新项目。教师可以在课题的选择上给予一些指导，引导学生选择创新性强、应用前景广的项目进行研究。

为了使理论知识与实践更好地结合，学校可邀请知名公司的嵌入式工程师作报告，介绍公司的研究现状以及对嵌入式人才的需求。学生可对自己感兴趣的问题提问，提前了解公司的人才需求，为以后的就业做好准备。这也很好地回答了“为什么要学习嵌入式系统课程”“学习这门课程到底有什么用”等一系列问题，从而使学生的学习有的放矢。

教师还可让学生参与到自己的科研项目中，让学生提前感受科学研究的过程，还可以将科研项目和其他的实践环节相结合，如课程设计、毕业设计等，不但可以推进项目的研究，而且能让更多的学生接受到基本的科研训练。这对考研学生的帮助非常大；而对准备找工作的学生而言，这样的经历也很难得，可以提高就业竞争力。

3 结束语

笔者针对嵌入式系统的课程特点，结合学校的办学理念、专业特色以及学生的特点，对嵌入式系统课程的理论教学和实践教学进行了改革探索。优化教学内容，使教学贴近实际，不断尝试有效的教学方法，完善评价机制，确保理论教学收到良好的效果。学校通过主抓实践环节，提供高品质的实验平台，举办各类创新比赛，参加各级科研训练，多方位锻炼学生的动手能力和工程实践能力。

[1]徐开芸,汪木兰,朱昊.ARM+FPGA嵌入式系统开发平台教学项目设计与实施[J].中国现代教育装备,2013(21):15-17.

[2]张庆辉,王学梅.嵌入式系统教学的探索和实践[J].中国科教创新导刊,2014(10):113-115.

[3]冯济琴,朱革,陈古波.ARM嵌入式系统教学方法研究及实践探索[J].中国现代教育装备,2012(7):63-65.

[4]孙晓玲,郑勉,刘建生.嵌入式系统课程教学方法研究[J].科技创新导报,2013(28):213-214.

[5]万军,马正华.嵌入式系统及应用课程实践教学的研究[J].中国现代教育装备,2009(15):77-79.

[6]潘登,陈启军.面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革[J].计算机教育,2013(13):1-5.