“软件与硬件相结合，课程与实验互补充”的嵌入式课程教学改革与实践

徐湛

摘 要：本文针对信息工程相关专业开设的应用技术类课程《嵌入式系统及用》，以卓越工程师培养为指导思想，研究分析该类课程在培养学生实践能力方面的特点，推行软硬件相结合的嵌入式课程教学方法，构建循序渐进的嵌入式实践教学体系，从而探索了多样化的嵌入式教学方法，以培养学生的动手能力和创新实践能力。

关键词：信息与通信工程； 软硬件协同设计； 实践教学

【中图分类号】TP311.52

1 引言

目前，很多高校进入卓越工程师培养计划，其目的是培养学生综合掌握应用技术类课程的软硬件知识，具备自主学习、研究创新、以及解决通信及信号处理中相关工程问题的实践能力。其中《嵌入式系统及应用》是培养学生工程实践能力的重要课程。

嵌入式系统及应用技术涉及到数字电子、模拟电子、计算机和通信等多学科的知识，实践性很强，该课程对于学生掌握专业技术知识，获得实用职业技能，增强就业竞争力具有十分重要的意义[1]。因此不断地改进和完善嵌入式教学内容和方法，是培养学生实践和创新能力的重要途径。

由于嵌入式课程的知识综合性较强，因此应该根据学生所在的专业综合考虑，选择相应的嵌入式教学内容及教学方法。但目前的教学往往忽视了学生的专业基础，导致学生很难系统地掌握嵌入式系统软硬件开发的实际技术。并且许多学校在嵌入式教学上用一些传统的教学方法进行讲授，学生接受起来比较困难，没有达到理想的教学效果。对于通信工程专业的《嵌入式系统及应用》课程教学，如何合理选择嵌入式系统的课程教学内容，采取更为有效的教学方式与方法，培养真正掌握嵌入式系统设计与开发技能、符合社会需求的嵌入式人才成为当前非常重要的研究课题。

“软件与硬件相结合，课程与实验互补充”的嵌入式课程教学改革与实践，一方面研究将C语言和汇编语言程序设计与以ARM为主的嵌入式硬件架构相结合，将软硬件协同设计思路引入嵌入式系统设计[2]。另一方面，研究课堂教学如何与实践教学更为紧密的互相支撑，“将课堂带进实验室”，也 “将实验室引入课堂”，从而探索多样化的嵌入式教学方法，以培养学生的动手能力和创新能力。

2 推行软硬件相结合的嵌入式课程教学方法

随着软件无线电等技术的发展，软硬件开发的一体化趋势日益显现，软硬件协同设计成为发展趋势[3]，《嵌入式系统及应用》课程也需要学生们具有能够综合运用软件设计和硬件设计的能力。《C语言程序设计》和《单片机应用技术》课程一般为该门课程的先修课程，因此采用基于“软件与硬件相结合”的课程建设是有可能的，也是有必要的。通过课程的学习可以培养学生的动手能力，创新思维，提高软硬件协同设计能力。另一方面，从目前的人才市场需求情况来看，许多企业和公司对于具备软件与硬件开发能力的复合型人才需求日益迫切，因此，开设软硬件协同设计课程可以为学生今后从事信息与通信工程相关工作打下良好的基础。开展该研究对于信息与通信工程相关学科专业建设也具有重要意义。

在我校课程建设中首先系统梳理了《嵌入式系统及应用》课程知识点，以及各知识点在各门先修课程之间的相互关系。如图1所示：

然后，从软硬件环境两个方面，设计教学大纲，具体如下：

硬件环境包括：讨论各种流行嵌入式微处理器的体系结构；嵌入式系统中的存储技术；典型外围设备、总线介绍；电源系统与功耗管理。

软件环境包括：系统的启动与初始化；嵌入式操作系统；嵌入式系统设计中的汇编语言与C语言的结合；驱动程序设计方法；嵌入式系统中的图形化设计。

如上所述教学内容中的软硬件结合知识点很多，如嵌入式系统其底层开发环境为基于ARM等嵌入式处理器的开发板及相应的硬件驱动，中间层为操作系统，上层为API接口及应用程序开发。只有兼具软件及硬件相关专业知识才能进行完整的嵌入式开发。因此，在我校《嵌入式系统及应用》课程建设中拟采用基于软件与硬件相结合的教学方法，引导学生理解嵌入式中的软硬件基础知识，掌握软硬件协同设计方法，成为兼具软件与硬件开发能力的复合型人才。

3 构建循序渐进的嵌入式实践教学体系

该课程是一门实践性相当强的课程，传统实验教学缺乏嵌入式应用系统的完整开发流程和开发要领，无法使学生边学习理论知识的同时进行实践，实验课中仅仅能够按照实验指导书内容机械地完成课堂内设计好的实验，使得学生缺乏解决实际问题的能力。学生在学完该课程后，仅仅是记住了几个概念，没有掌握如何进行实际嵌入式开发的能力。

因此，在课程的教学改革中需要进一步构建循序渐进的嵌入式实践教学体系[4]，打破传统的课堂授课与实验单独上的方式，将两者更紧密的结合，实行讲授与实验一体化的教学。既能够“将课堂带进实验室”，也能够“将实验室引入课堂”，从而探索多样化的嵌入式实践教学方法。

具体实施如下：

（1） 将教学课堂搬到实验室，充分利用实验室资源。根据嵌入式系统课程的知识体系，开发出与各项内容相适应的实验内容，由任课教师事先调试通过后，整理成实验项目的形式，以实验内容为教学内容编成讲义，以讲义为主，教材为辅。在实验室中，指导学生根据实验需要回想软硬件知识点，利用实验箱等教学手段提高学生兴趣。例如，可让学生将自己喜欢的照片作为实验箱的开机欢迎界面，让学生自己动手做该实验，即学即用，使学生在自主实验中逐渐加深理解，进一步体会该实验中所学到的知识，以取得事半功倍的教学效果。

（2） 将实验室搬到教学课堂

课堂上可充分利用多媒体及网络资源，通过远程访问实验室设备或者将仿真器、实验箱等仪器搬至课堂上进行演示教学，让学生在学习基础知识的同时看到实验的过程及其结果，变抽象为具体，变枯燥为有趣，激起学生的学习兴趣。然后再围绕本次实验内容，讲解该实验中涉及的硬件、编程方法、程序及达到的目的。 （3） 鼓励学生积极参加各种竞赛 在参与各类嵌入式竞赛的过程中学生会积极思考，努力探索，有针对性地去学习、讨论，这对培养学生的应用能力和积极参与竞争的意识有很重要的意义。最近几年我们学校参加了大学生电子设计大赛、博创杯嵌入式大赛等多项嵌入式竞赛，参赛结束后同学们都有较大的收获。

通过将课堂授课与教学实践相结合，有助于学生不仅可以通过课堂教学与实践扎实地掌握嵌入式系统的基本原理，又能够提高其动手实践、综合解决实际工程问题的能力。

4 结论

本文通过将嵌入式课程中的知识点进行系统梳理，引入软件与硬件相结合的设计思想；将课程理论教学与实验结合起来互为补充，使得实验室和课堂教学有机整合，从而实现了讲授与实验一体化的教学。利用经验学习循环圈理论指导嵌入式课程教学，让学生了解一个完整嵌入式系統的设计流程与工作机理，通过实际动手操作来学习硬件的体系结构和系统软件的原理。培养学生具有扎实的专业理论基础的同时，积累较丰富的软硬件协同设计及实践经验，并具有一定的创新能力和综合运用所学知识解决实际工程问题的能力，成为能够在通信领域中从事研究、设计、制造、运营以及在国民经济各部门和国防工业中从事开发、应用通信技术与设备的卓越工程技术人才。

参考文献

[1] 姚莉. “嵌入式”课程教学改革研究[J]. 湖北理工学院学报，2014，30（6）： 68-70.

[2] 周航慈. 基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M].北京：北京航天航天大学出版社，2011.

[3] 倪蕴涛. 基于嵌入式系统实验课程教学方法改革和教学思路探索的研究[J].牡丹江教学学院学报，2007，（4）： 130-131.

[4] 聂晓文，肖堃，陆庆. 嵌入式课程实验体系教学改革探讨[J]. 实验科学与技术，2010，（2）： 78-80.

基金项目：北京信息科技大学2015年度课程建设——教学方式方法改革立项项目资助（2015KGZD07）endprint