以电子设计竞赛推进嵌入式系统实践教学改革

黄丽

摘 要 实践教学环节在嵌入式系统课程中具有极其重要的作用，传统的实验多为验证性项目，学生动手实践能力较差。为了提高学生学习兴趣和创新意识，本文主要探讨了竞赛驱动的实验模式，从三个方面分层次、有步骤地推进教学改革，以提高学生的工程实践能力。

关键词 电子设计竞赛 嵌入式系统 实践教学改革

中图分类号：H191 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.051

1电子设计竞赛需求

全国大学生电子设计竞赛是由教育部组织的、面向全国大学生的科技活动，主要目的是推动电子信息类学科发展，促进教学内容改革，同时培养大学生的团队合作精神和创新意识。①促使学生理论联系实际，加强学生工程实践能力的训练和培养，选拔优秀人才， 因此得到各个高等院校的高度重视，大学生参与的积极性也较高。全国大学生电子设計竞赛在奇数年的暑假举行，比赛时间是四天三夜，每支队伍由三名学生参赛。由于比赛时间短，要在四天内完成实物制作和设计报告，并达到较高的性能指标，必须在课程教学中深化知识内容，并加强模块训练，提高学生的实践创新能力。

全国大学生电子设计大赛题目共分为7大类，每类题目都涉及软硬件知识，偏硬件的题目以高频无线电、放大器、电源、信号源为主，偏软件的题目以仪器仪表、数据采集处理和控制为主。随着信息技术的发展，全国大学生电子设计竞赛中使用的微处理器性能要求逐渐提高，CPU也从16位单片机转换到32位。近几年竞赛队伍多采用低成本、低功耗的32位ARM单片机作为主控芯片，广泛应用于各类题目中，例如信号源、高频无线电、仪器仪表、数据采集与处理、控制等。

全国大学生电子设计大赛为了培养创新意识强的实践型人才，既是对传统教学方法的挑战， 同时也能够反应课程教学水平和教学改革的成败。题目涉及众多科目，要求学生具备综合应用能力。以理论设计为基础，更强调系统实现。近年来电子设计竞赛题目趋于高频化和智能化，以单片机为教学重点的嵌入式系统课程成为必须掌握的知识技能。

2嵌入式系统教学现状

目前嵌入式系统专业课教学中，通常以32位单片机为例讲授相关的知识和设计方法。②嵌入式系统作为一门综合性专业课程，涉及的知识点较广泛，但往往课堂时间有限，学生能够投入动手实践的机会较少。高校中嵌入式系统教学还有许多值得探讨改进之处，例如实验环节中学生创新性不足；学生在系统开发时不具备整体设计意识，底层硬件驱动软件开发水平不足。③传统嵌入式系统教学偏理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、轻协作。实验课程内容陈旧、形式呆板、方法单一。④按照传统方法培养的学生，在参赛时往往会出现很多问题。比如理论设计正确却无法在工程上实现；单元电路仿真正确却无法实现系统联调；软件编程逻辑正确，却达不到所需的精度和性能指标。

由于电子设计竞赛对硬件设计和软件编程等实践能力要求都高于常规教学，因此如何利用竞赛推进嵌入式系统实践教学改革，成为众多高校关注的问题。⑤而嵌入式系统教学同时强调软件开发和硬件设计相结合，使其设计的系统能满足应用要求，从而制作出符合工程应用要求的作品。⑥

3嵌入式系统实践教学改革

嵌入式系统实践环节在教学中具有极其重要的作用，关键是要在有限的课堂中有效安排符合课程内容的实验项目。⑦为此本文主要探讨了竞赛驱动的教学实验模式，一方面是为了更好地帮助学生发挥能动性和创新性，同时也是为了促进教学内容跟上科技高速发展的步伐。

3.1 建立实践教学平台，培养学生创新思维

为适应嵌入式课程教学和电子设计竞赛的需求，中南民族大学近十年来投入数百万元建立电子类实验室。例如，基础实验室包括数字电子和模拟电子实验室、数字信号处理实验室、单片机实验室、电子设计自动化实验；综合实验包括嵌入式系统仿真实验室、SOC实验室等。与此同时，电子与信息工程学院的学生还建立了电子设计协会，组织选拔有兴趣的学生参与学习竞赛小组，并进行电子（数字和模拟电子）、单片机和电源设计等课程的专门训练。实行导师制，安排专业老师进行具体指导，并建立专门的电子设计竞赛实验室和创新项目实验室。较有特色的智能车实验室，通过教学实训平台开发机器人智能车，控制智能车在实际赛道上行驶，使学生熟悉智能车的各个模块设计原理，激发了学生对ARM系统开发的浓厚兴趣。

另外电子信息工程学院还组建了导师团队，选拔优秀学生加入导师制，从大学二年级开始进行“一对一”的专业指导。每年学校都设立大学生创新创业训练计划项目，举办大学生电子竞赛等科技实践活动，鼓励学生积极参与包括电子设计大赛与蓝桥杯等计算机竞赛活动。

3.2 实验体系分层次，以竞赛促进教学

根据学生基础不同我校将实践教学细分为三个体系层次，并在每个层次中都设计了必修实验和选修实验项目。从基本的电路设计调试开始培训，分阶段、按步骤增加实验难度，逐步培养学生的动手实践能力。最后在综合应用设计实验项目中融入竞赛内容，提高学生的自学能力，挖掘学生的学习潜力。三个层次的详细实验项目介绍如下。

3.2.1基础实验

实验目的：为验证性实验，目的是使学生熟悉基本开发工具和软件编程环境，可读懂程序并进行调试。

必修项目：C语言、汇编语言、ARM开发环境实验；串口通讯实验；中断、定时器实验；A/D、D/A转换实验等；键盘、LED、LCD 及触摸屏实验。

选修项目：DMA实验；看门狗实验；Boot Loader实验等。

3.2.2进阶实验

实验目的：主要安排操作系统移植、应用程序编程，并结合竞赛中的知识点加强模块训练。

必修项目：Linux基本应用程序实验；Linux文件系统实验；Linux 内核移植实验。

选修项目：Linux串口通信实验；Linux中断处理实验；Linux下的 Socket通信实验。

3.2.3综合实验

实验目的：全部是选修项目，训练自学能力强、基础较好、预备参加竞赛的学生。综合课题涉及多门学科知识，增加了硬件设计内容，加强了学生对软硬件联合调试的能力，选拔竞赛人选，分组进行竞赛训练。

必修项目：选取往年典型的电子设计竞赛题目，限定时间内完成，根据性能指标进行评测。

3.3 政策扶持，积极推进教改

学校实验管理中心、科研处以及创新创业中心每年都投入大量人力和经费组织竞赛，以保证课程教学改革和竞赛工作的顺利进行。其中大学生电子竞赛在奇数年和偶数年分别开展全国性竞赛和省级竞赛，同时学院也制定了相关的制度政策，给予强有力的技术支持和后勤保障。首先，为竞赛提供专用的实验场地、仪器设备、资金资助，并配备教师团队进行专门的竞赛指导，优先解决竞赛的各种问题。其次，为激励学生积极参与竞赛，对参赛学生给予支持獎励，安排竞赛期间的食宿，提供良好的后勤保障。同时，学院会为综合素质好、竞赛中取得较好名次的学生，推荐免试研究生或者优先就业的机会。电子与信息工程学院给予优先政策支持，在电子设计竞赛和智能车比赛中，每届都有参赛队伍获得全国一等奖，从而极大地带动了大学生学习和参赛的积极性。

4结语

以应用为目的、以竞赛为动力、分层次有步骤地推进教学改革，在嵌入式系统教学实践过程中取得了良好的效果。首先从嵌入式系统基础的验证性实验入手，在此基础上逐步增加操作系统实验项目，并针对技术难点按模块进行实验，最后开展实际竞赛项目的综合训练。嵌入式系统教学改革的宗旨是提升学生综合应用实践能力，训练学生电子电路设计基本技能，提高学生软件及算法的编程水平，以培养出“基础扎实、动手能力强、有创新意识”的高素质电子信息技术人才。

注释

① 姚有峰，赵江东，汪明珠.从电子设计竞赛谈电子类实践教学改革.实验技术与管理，2009.26（7）：131-133.

② 楼旭阳.嵌入式系统原理及应用教学中学生实践能力培养问题的探索与实践.高教学刊，2015.5：73-74.

③ 冼进，贾德良，毕盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探.实验室研究与探索，2011.30（8）：282-285.

④ 王维博，王海滨，叶凯.电子信息工程专业嵌入式系统教学的改革探讨.中国电力教育，2010.10：58-59.

⑤ 杨奕，徐鹏，彭小峰.电子设计竞赛与实践教学改革.2013.32（4）：172-175.

⑥ 周佳社，任爱锋，苏涛，王新怀，郭涛，闫卫利.大学生自主创新与电子设计竞赛机制实践与探索.高校实验室工作研究，2014（1）：84-87.

⑦ 王君.以电子设计竞赛，促嵌入式技术实践教学改革.金陵科技学院学报，2009.25（4）：37-39.