高校嵌入式系统课程教学改革探索

摘要：嵌入式系统及其相关课程的教学正逐渐成为高校新兴的热门研究课题。通过分析传统嵌入式系统课程教学方法的不足，对嵌入式系统的理论教学内容和实践教学模式进行教学改革探索。以自动化专业为例，提出了嵌入式系统的课程目标和定位、网络化教学平台、开放实验室实践教学、教材和师资队伍建设等方面的改革思路。实践证明，这些措施调动了学生学习嵌入式系统的兴趣，对于培养学生理论联系实践并提高其实践动手能力起到了良好的效果。

关键词：嵌入式系统；教学研究；自动化专业；实践教学

作者简介：张晓东（1980-），男，山东青岛人，河南工业大学电气工程学院，讲师；孙丽君（1968-），女，河南郑州人，河南工业大学电气工程学院，教授。（河南 郑州 450001）

基金项目：本文系河南省高等教育教学改革研究项目（项目编号：2012SJGLX151）、河南省教育科学“十二五”规划实验课题“基于开放实验室的嵌入式系统教学改革与实践”（课题编号：[2011]-JKGHAC-0150）、河南工业大学高等教育研究项目（项目编号：2012一般项目-15）、河南省“自动化”特色专业项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）08-0035-02

进入21世纪以来，随着信息技术特别是嵌入式技术的快速发展，嵌入式系统已经广泛渗入到工业测控仪表、军事技术、汽车电子、医疗仪器、无线通信、智能家居以及消费电子产品等众多重要行业，成为“后PC时代”最有前景的研究热点之一。[1]作为一种新兴的技术领域，嵌入式技术融合了传统的计算机软、硬件技术以及通信、半导体和微电子技术，属于多种学科交叉的综合性学科。由于嵌入式产品市场的蓬勃发展以及嵌入式技术的广泛应用，嵌入式系统软、硬件开发工程师等技术人员在就业市场上较为紧缺，社会对嵌入式相关技术人才有迫切需求。[2，3]因此，嵌入式系统正逐渐成为国内相关高校的重点开设课程，高校嵌入式相关人才的培养方案还是一个较为新颖的重要的研究课题。

嵌入式系统设计技术已经成为电子信息类工程技术人员必备的专业知识和技能。不同领域嵌入式产品的应用特点不尽相同，高校不同学科、专业的嵌入式教学内容也应该各有侧重。河南工业大学电气工程学院自2007年开始面向自动化、电气工程及其自动化等多个专业的本科生开设了“嵌入式系统设计”等专业选修课程。运行六年以来，作为省级和地厅级多个教改课题的支持项目，学院在嵌入式系统系列课程的教学研究方面进行了教学实践与深入探索，获得了一些有益经验。

一、课程体系的目标与定位

“嵌入式系统设计”课程是河南工业大学电气工程学院面向自动化等专业开设的结合ARM体系结构、ARM应用系统设计、实时操作系统、驱动程序设计、SOPC技术、嵌入式数据库等嵌入式软、硬件技术的重要任选课程。[4]该课程旨在使学生掌握嵌入式系统软、硬件的基本原理，实践嵌入式系统项目开发的基本流程。重点培养能够解决嵌入式系统领域具体应用问题且具备的分析、设计、调试、运行等实践动手能力的应用型工程技术人才，为深入开展嵌入式系统相关的后续科研开发奠定良好基础。

对于选修“嵌入式系统设计”课程的学生，要求其具备电路基础、模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理、微机原理及接口技术、C语言程序设计、软件技术基础等课程的先修基础。在课程体系的组织上，重点熟悉嵌入式系统的硬件结构和基于ARM9处理器的硬件开发平台；掌握嵌入式操作系统的内部原理及嵌入式Linux系统的裁剪、编译与移植技术；学习嵌入式开发环境的建立和嵌入式Linux应用程序开发与调试过程；尝试常用设备驱动程序的开发和嵌入式图形用户界面的编程；最终使学生具备独立设计一个较为完整的嵌入式系统的初步能力。[5]

根据美国电气和电子工程师协会IEEE的定义，嵌入式系统即为用于控制、监视或辅助设备、机器或者工厂运行的装置。[6]嵌入式系统的主要特点是软、硬件结合，面向应用；嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。[7]因此，“嵌入式系统设计”是一门综合性、实践性以及应用性都较强的专业任选课，必须通过课程实验、项目开发、科技竞赛等环节进一步加深对课堂理论内容的理解，才能将理论知识与实践应用有机地融合起来。

二、建立网络教学平台

“嵌入式系统设计”是一门融合了多学科内容的综合性课程，所授课程涉及的知识面广泛，课堂信息量较大。[8]但作为一门专业选修课程，受制于培养计划的限制，课内理论讲授及实验学时数都较少，在有限的学时内教师要尽可能地使学生掌握嵌入式系统更多的内容。此外，近年来选课学生人数还在持续增多，大班额导致教学效果变差的问题也越来越突出。传统的板书或投影仪授课方式已经远远不能满足该课程理论密切联系实践的讲授需要。

笔者所在的教学团队经研讨试讲后，决定充分利用河南工业大学电气工程学院嵌入式系统实验室的硬件资源建立网络教学平台，进行教学模式改革探索。利用实验室电脑以及“电子教室”多媒体教学网络平台，教师使用一台教师机进行集中讲授，学生在实验室近在咫尺的几十台网络终端旁即可实现理论授课及实验讲解的全程可视化。利用“电子教室”的远程传输功能，教师可以在实验课前将相关的课件、指导书等各种电子资源快速分发给学生机；通过“电子教室”的广播演示功能即可将实验步骤及实验过程中发现的一般性问题清晰准确地讲解给学生；讲解或实验过程中学生甚至可以通过“电子举手”等对话功能将所遇到的问题反映给教师，随时向教师提问。将传统讲堂搬进实验室，利用先进的网络平台进行教学虽然增加了教师的课前准备时间和课堂工作量，但是大大提高了有限课堂时间内的授课效率。授课方式变得活泼生动，学生对授课及实验细节的掌握程度也要远远好于传统板书或投影仪授课方式。

三、开放式实验教学改革

嵌入式系统以应用为中心，嵌入式工程技术人才的培养也离不开实践环节的锻炼。“嵌入式系统设计”课程是一门强调理论知识联系实际应用的课程，学生必须在实验中通过项目实践锻炼才能真正了解嵌入式系统设计的相关知识，掌握嵌入式驱动程序和应用软件开发的主要过程。[9]高校传统的实验教学方式一般采用填鸭式教学。在教师讲解实验大纲后，学生根据其中的实验目标和实验步骤进行验证式实验。学生缺乏主观能动性，难以满足嵌入式系统课程开设综合性设计性实验的需要，无法真正激发学生的创新意识、培养其实践动手能力。

为了解决上述问题，实现河南工业大学电气工程学院应用型工程技术人才的培养目标，必须要进行嵌入式系统课程的实验教学改革。为此，实验室筹措经费大力改进实验环境，购置了多套典型的周立功EasyARM2131开发套件、博创UP-NETARM2410-S嵌入式实验平台以及UP-ICE200仿真器、扩展板、网络摄像头、嵌入式操作系统、仿真软件等配套软硬件，为嵌入式系统相关课程的开放实验教学改革提供了良好的条件。另一方面，在实验组织形式上采用了开放式实验教学模式。开放实验室为学生提供了优良的硬件设施和实验场所。实验课前教师根据近期所讲授的理论知识制订部分小型项目课题，学生可从中选题或自带课题。在实验过程中将解决实际应用问题的思想作为实验教学切入点，以项目驱动的方式促使学生分模块、分任务针对实际应用问题进行分析；引导学生根据所学的嵌入式软硬件开发方法实现项目提出的软硬件开发目标或解决开发过程中的实际应用问题。指导教师注意在实验过程中给予学生必要的指导并在实验结束后及时进行总结点评。经过对实验效果的对比验证，开放式实验教学模式强调以学生作为实验中心，充分发挥、调动了学生的主观能动性和创造性，是传统实验教学改革的一次有益尝试。

四、教材和师资队伍建设

1.课程教材建设

教材是课程资源的载体和媒介，在教学活动中发挥着至关重要的核心作用。[10]国内高校嵌入式系统相关课程的开设时间较短，开课较早的清华大学、上海交通大学、华中科技大学等高校嵌入式系统的授课历史也只有十年左右。此外，嵌入式系统一般都是“软硬结合”，授课内容与实验室中嵌入式实验平台所用的微处理器类型密切相关，因此市场上很难找到合适的嵌入式系统课程通用教材。经过历年的嵌入式系统教学实践探索，笔者迫切感觉到该课程教材建设的重要性。

为此，自嵌入式系统开课之初，笔者就结合所选的嵌入式硬件实验平台编写了《嵌入式系统实验指导书》等校内讲义。在历经多次试用、补充、修改完善并总结多年教学经验的基础上，笔者所在的嵌入式系统教学团队积极筹划高水平教材的建设，组织优秀师资力量编写了《嵌入式系统设计》，并已被列入“普通高等教育电气工程与自动化（应用型）‘十二五’规划教材”和“河南工业大学校级规划教材”的编写计划。该教材坚持“基本理论适度、注重工程应用”的基本原则，在介绍嵌入式系统软、硬件设计基本方法的基础上着重实践嵌入式系统项目的开发流程。该配套教材重视知识更新和实用性，具有较强的学科前沿性和针对性；同时文后增加了工程设计实例，注重理论与实践相结合，使学生在学习过程中做到理论知识与实践技能的融会贯通，可有效提高学生对理论知识的掌握程度和实践动手能力。

2.师资队伍建设

开放式实验教学模式改革对师资队伍的建设提出了全新的挑战。与传统实验教学模式相比，教师课前要布置并不断更新贴近实际应用的开放式项目课题；实验过程中需要对现场涌现出来的各种问题及时给予解答、指导；由于嵌入式技术的快速更新，教师在课余也要不断了解嵌入式系统的最新技术信息。“嵌入式系统设计”等系列课程的教学需要有一支基础知识扎实、实践经验丰富的教师队伍。因此，学院抽调精干师资力量组建了嵌入式系统教学团队。一方面督促教师不断提高自己的业务素质，鼓励教师多次参加北京博创科技、北京旋极信息等业内知名公司组织的培训、讲座；另一方面也提倡教师积极参与嵌入式相关的企业横向课题的研发工作，提升教师自身的研发能力。这些措施使得嵌入式系统教学团队的业务素质和授课水平有了较大的提高。

五、结语

河南工业大学电气工程学院“嵌入式系统设计”选修课程自2007年开设以来，选课人数不断增加并获得了学生的好评。随着嵌入式技术的快速发展和社会对嵌入式研发人才要求的不断提高，电气工程学院嵌入式系统教学团队十分重视嵌入式系统课程的教学研究和教学改革，相继荣获河南省教育科学研究优秀成果一等奖、河南省素质教育理论与实践教育教学一等

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奖并培养学生获得多个国家级大学生科技竞赛的奖励。在以往多年教学实践的基础上，教学团队积极改革教学方法，采用多种教学手段，使学生掌握好嵌入式系统理论基础的同时真正做到了理论联系实践和学以致用，为后续相关课程的学习和嵌入式系统课题的研发打下了良好的基础。

参考文献：

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[2]梁宜勇，王晓萍，赵文义，等.“嵌入式系统”课程教学与实践探讨[J].中国大学教学，2009，（5）：36-37.

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[4]陈佳闻.嵌入式实验教学系统开发与应用[J].山东农业大学学报（自然科学版），2011，42（3）：448-450.

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[6]马维华.嵌入式系统原理及应用[M].第2版.北京：北京邮电大学出版社，2010.

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[10]冼进，贾德良，毕盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：282-284.

（责任编辑：王祝萍）

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