淺談以項目應(yīng)用為導(dǎo)向的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)改革與實踐
論文摘要：根據(jù)“嵌入式系統(tǒng)”課程的特點，簡要分析了目前該課程教學(xué)過程中存在的問題，提出了圍繞課程的教學(xué)內(nèi)容，在課程的教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)中采用以應(yīng)用為導(dǎo)向的項目式教學(xué)改革方案。實踐表明這種教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性方面具有重要的意義。
論文關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；項目式教學(xué)
隨著32位微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展的熱門技術(shù)之一。智能手機、信息家電、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都對其產(chǎn)生了巨大的需求，于此同時嵌入式系統(tǒng)軟硬件工程師也成為了熱門的就業(yè)方向。所謂嵌入式系統(tǒng)即：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、面向具體功能的專用計算機系統(tǒng)。從電子信息類學(xué)科知識體系上來看，嵌入式系統(tǒng)課程涵蓋了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言、微機原理和接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等多門課程的基礎(chǔ)內(nèi)容。目前國內(nèi)很多高校都在電子信息工程、通信工程、自動化、計算機、軟件工程等諸多本科專業(yè)以及相應(yīng)的研究生專業(yè)課程中開設(shè)了以32位微處理器為核心的“嵌入式系統(tǒng)”課程。由于“嵌入式系統(tǒng)”這門課程知識內(nèi)容多、綜合性強、對學(xué)生動手實踐能力要求高等特點，它的教學(xué)也就帶來了困難和挑戰(zhàn)。
一、嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)與實驗內(nèi)容
嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)通常以32位微處理器為平臺，32位的微處理器主要有ARM、MIPS、POWRPC等。目前國內(nèi)的大多數(shù)高校都是以介紹ARM微處理器為主，教學(xué)的內(nèi)容主要包括ARM微處理器內(nèi)核的介紹、ARM的匯編指令和匯編程序設(shè)計、芯片的片內(nèi)外設(shè)及接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的C語言設(shè)計和嵌入式操作系統(tǒng)等內(nèi)容。
在試驗內(nèi)容的安排上，通常包括ARM匯編語言的程序設(shè)計、無操作系統(tǒng)的片內(nèi)外設(shè)的C語言程序驅(qū)動設(shè)計、BootLoader的移植、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植、UCOS II、LINUX、WINCE等嵌入式操作系統(tǒng)下的C語言驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計等。
以上的理論和試驗教學(xué)內(nèi)容根據(jù)不同的專業(yè)，課程的側(cè)重點也不相同，課程的理論學(xué)時大約在30學(xué)時到60學(xué)時之間。另外，有的高校把嵌入式系統(tǒng)課程作為一個本科的一個專業(yè)方向，相應(yīng)的學(xué)時內(nèi)容就要更多。
二、嵌入式系統(tǒng)課程的特點
“嵌入式系統(tǒng)”作為電氣信息類等本科學(xué)生的專業(yè)課程，具有知識內(nèi)容綜合、動手實踐性強等特點。在前期的課程當(dāng)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過“C語言程序設(shè)計”、“微機原理”等課程。教學(xué)過程中，“嵌入式系統(tǒng)”這門課程最主要的教學(xué)目標(biāo)就是讓學(xué)生能夠通過所學(xué)的知識以及所掌握的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工具解決一個具體的實際問題。但是在教學(xué)的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，僅靠課堂的理論與實踐教學(xué)，達到這一目標(biāo)還有一定距離。單純的理論教學(xué)只能使學(xué)生被動地接受部分知識，達不到培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力。為了使學(xué)生能夠?qū)W以致用，還要用實踐來促進理論的學(xué)習(xí)。“嵌入式系統(tǒng)”課程最主要的學(xué)習(xí)手段就是多動手、多實踐。
根據(jù)“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容以及筆者的教學(xué)經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)該課程的教學(xué)過程中需要注意以下幾個方面：第一，教學(xué)目標(biāo)以應(yīng)用為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐意識。作為電類的工科學(xué)生，除了在課堂上學(xué)習(xí)知識，還要樹立培養(yǎng)工程實踐的精神。尤其是像“嵌入式系統(tǒng)”這樣的綜合性專業(yè)課程。第二，在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)以學(xué)科知識的綜合作為基礎(chǔ)，進而建立知識體系。“嵌入式系統(tǒng)”課程不單單是講述一種微處理器或者是微控制器的架構(gòu)，學(xué)生在這門課程中學(xué)到的更多的是一種借助于所掌握的嵌入式系統(tǒng)工具來解決問題的一種能力。這種能力在“嵌入式系統(tǒng)”課程中往往體現(xiàn)的是電子系統(tǒng)硬件設(shè)計和程序設(shè)計的能力。第三，在教學(xué)過程中以團隊作為教學(xué)合作單位，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識。“嵌入式系統(tǒng)”本身就涵蓋了很多知識，它兼顧軟、硬件兩方面的內(nèi)容，和很多的專業(yè)課程融合在一起，具有很強的學(xué)科綜合性。每名學(xué)生都不可能把所有的內(nèi)容都掌握，所以在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，以小組團隊為單位，共同去學(xué)習(xí)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)手段改革
1.教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題
筆者剛開始講述“嵌入式系統(tǒng)”課程時，由于并沒有太多的經(jīng)驗，還是依照課堂理論、課下試驗的傳統(tǒng)教學(xué)方式。但是隨著教學(xué)的深入，發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)過程中存在很多問題。
（1）課程內(nèi)容涉及面廣，知識內(nèi)容多。筆者課堂上講解的是以三星公司的S3C2410這款A(yù)RM9微處理器芯片，既要介紹ARM9芯片內(nèi)核上的東西，比如ARM處理器的工作模式、存儲格式、異常、通用寄存器等，又要結(jié)合S3C2410講解芯片的片上資源，如定時器、A/D等，同時還要介紹嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計、匯編程序設(shè)計、操作系統(tǒng)等等。在有限的課時內(nèi)，很多內(nèi)容只能淺顯地介紹。一個學(xué)期下來，一部分學(xué)生看上去了解了嵌入式系統(tǒng)的許多內(nèi)容，但是一到具體的應(yīng)用實際就會發(fā)現(xiàn)還欠缺很多知識和技能。
（2）傳統(tǒng)的以教師為核心的課堂上，在講解這門綜合性實踐性很強的課程時，很多學(xué)生都是被動接受知識。學(xué)習(xí)一段時間后，由于學(xué)術(shù)缺乏學(xué)習(xí)的主動性，也就漸漸失去了興趣。
（3）在相對較短的試驗課程內(nèi)，學(xué)生需要熟悉開發(fā)的軟硬件環(huán)境，如開發(fā)工具、試驗箱上的硬件原理圖等，還要了解試驗內(nèi)容，看懂芯片手冊，讀懂試驗例程代碼，并能在已有代碼的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)地修改以及添加自己的代碼。在這期間，學(xué)生自主的實踐動手能力得不到充分地鍛煉，某種程度上也就僅僅是熟練了一種開發(fā)工具而已。一學(xué)期下來，離教學(xué)目標(biāo)還有很大距離。
2.基于項目應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革
筆者在總結(jié)分析上述問題的基礎(chǔ)之上，逐步對課堂教學(xué)進行改革。把項目應(yīng)用的教學(xué)理念逐步引入到課堂當(dāng)中。所謂的項目教學(xué)法是通過實施一個完整的項目而進行的教學(xué)活動，其目的是在課堂教學(xué)中把理論與實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力。由于“嵌入式系統(tǒng)”課程普遍開設(shè)在本科的大三和大四階段或者是研究生階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了多數(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，所以可以在“嵌入式系統(tǒng)”的前期授課中布置課程作業(yè)論文，同時課程設(shè)計的內(nèi)容可以讓學(xué)生結(jié)合自己的興趣愛好自行擬訂，老師不再強制給出具體的題目，而是給出參考題目。學(xué)生在已有的專業(yè)知識基礎(chǔ)上，選擇一個自己感興趣的題目作為本學(xué)期的課程論文來完成。這樣學(xué)生會帶著自己的問題在新學(xué)期開始就要深入了解課程的內(nèi)容，同時課下查詢相關(guān)的資料，這比課堂被動地接受知識更能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。比如，有的學(xué)生選擇了利用ARM實現(xiàn)簡易示波器的題目，這就需要他們課下學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)字示波器的知識，并且要設(shè)計圍繞以ARM處理器為控制核心的電路、設(shè)計程序流程、調(diào)試等諸多知識。學(xué)生帶著這樣的問題去學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程，一是明確了嵌入式系統(tǒng)的以應(yīng)用為核心的本質(zhì)，二是可以對所學(xué)的知識進行綜合應(yīng)用。同時，課堂上老師的角色也從傳統(tǒng)的講授者轉(zhuǎn)變成學(xué)生解決問題的合作者，雖然老師不能對學(xué)生所選擇的每一個題目都很熟悉，但是卻可以在與學(xué)生的討論過程中幫助學(xué)生理清設(shè)計思路，完成設(shè)計目標(biāo)。同時在對學(xué)生成績考核時也不再只是看試卷的分數(shù)，而是由學(xué)生最終完成的論文以及演示的成品作為最終的成績考核。
這種基于項目應(yīng)用的教學(xué)方法強調(diào)以學(xué)生為學(xué)習(xí)認知的主體，目的就在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進學(xué)生在工程實踐中培養(yǎng)提出問題、解決問題的能力。在“嵌入式系統(tǒng)”的教學(xué)過程中，師生共同討論問題，教師的職責(zé)也悄然地發(fā)生了變化，教師成為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的管理者和指導(dǎo)者。學(xué)生在課程論文的實踐中加深了對嵌入式系統(tǒng)概念的理解，掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法和開發(fā)過程，培養(yǎng)了利用嵌入式系統(tǒng)工具解決具體應(yīng)用問題的能力。
四、教學(xué)效果
通過基于項目應(yīng)用的引導(dǎo)式教學(xué)和實踐改革培養(yǎng)了學(xué)生通過研究具體課題來學(xué)習(xí)知識的能力，學(xué)生能夠在教師的引導(dǎo)下主動完成學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠根據(jù)具體的問題提出自己可行的實施辦法。“嵌入式系統(tǒng)”課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是使學(xué)生深入地鍛煉自己動手實踐的能力，并在與教師的探討中能夠提煉出設(shè)計題目完成所需的流程和方法，真正達到學(xué)以致用。在“嵌入式系統(tǒng)”課程最后的考核中，學(xué)生提交的作品包括電子時鐘、基于ARM的簡易數(shù)字示波器、利用GPRS模塊實現(xiàn)的短消息收發(fā)等等。雖然作品表面上技術(shù)難度并不是很大，但是學(xué)生為了完成這些課題時閱讀文獻、制訂具體的設(shè)計方案的整個過程，掌握了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)知識，熟悉了開發(fā)的軟、硬件平臺，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)的主動性。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場合也將越來越廣泛，對嵌入式系統(tǒng)的人才需求也越來越大，同時對嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)也提出了更高的要求。這種強調(diào)以應(yīng)用為中心、以項目實踐為導(dǎo)向的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)將會得到更多教師和學(xué)生的認可。
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