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摘要:结合应用型本科院校实际,分析了嵌入式系统教学过程中的三大矛盾。从课程教学体系、实验教学体系等方面探讨了应用型高校的嵌入式系统教学模式、方法和手段。教学实践表明:课程内容渗透,课堂抓基础,课后抓实践的教学经验值得推广。
关键词:嵌入式系统;教学模式;课程体系;实验体系
中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-4087-02
Method of Embedded System Teaching in Application-orientation Colleges
HAN Lei,HUANG Jian, CAO Yu-xiao
(School of Computer Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)
Abstract: According to actual conditions of application-orientation colleges, this paper states three contradictions in embedded system teaching. From aspects of education, experiment and so on, the paper discusses some issues of embedded system education such as teaching pattern, method and means in application-orientation colleges. The conclusion is that scattering background knowledge, emphasizing basic in classroom, and doing experiments after class. Practice indicates that this teaching experience should be promoted.
Key words: embedded system; education; curriculum system; experimental system
1 引言
电子技术的进步,尤其是微型机的出现,推动了科学研究的飞跃。随着后PC时代的到来,嵌入式技术以其灵活、高效和性价比高等诸多优势,被广泛应用于科学研究、工程设计、军事技术、文艺及商业等领域,成为后PC时代信息技术发展的主力军。现在,嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,市场潜力大,就业机会多。
因此,很多高校、职业技术学院和培训机构纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。然而,各教学单位的办学理念、办学条件、教师实力和学生水平良莠不齐,所以嵌入式系统教学模式也应该因地制宜、因材施教。本文针对应用型本科院校的实际情况和嵌入式系统的特点,提出嵌入式系统教学的若干思考,探讨应用型高校嵌入式系统教学之路。通过课堂教学、课程设计、毕业设计等教学实践环节,取得了良好效果。
2 教学实践中的矛盾
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式系统的学习需要扎实的计算机基础知识、持之以恒的钻研精神、实践锻炼与方法归纳的能力。然而,在应用型本科院校的嵌入式系统教学过程中,存在基础与目标、过程与结果等方面的矛盾,困扰着嵌入式系统教学。
2.1 知识需求与知识背景的矛盾
嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。蚂蚁虽小五脏俱全,嵌入式系统本质上是一个专用计算机系统,包括硬件、软件和固件等方面的知识[2]。因此,学习嵌入式系统需要全面的基础知识,例如:硬件方面,只了解处理器的寄存器、工作模式是不够的,还应理解存储器及存储映射、寻址方式和调试接口,掌握具体处理器芯片的外围设备、接口技术与硬件设计等等;软件方面,单纯了解操作系统的工作原理、体系结构、API调用和应用程序开发也是不够的,开发者还要关注操作系统的移植和引导启动、地址映射、驱动程序开发等复杂的细节问题。面对嵌入式系统庞大的知识体系,不同专业的学生往往因为背景知识匮乏而显得力不从心。计算机科学与技术专业的学生由数据结构、编译原理、操作系统等专业核心课程做支撑,学习嵌入式软件开发的难度不是很大,但是对于硬件系统的比较、选择、理解、分析和设计,感觉很吃力;而电子信息科学与技术专业的学生,情况却相反,他们强于硬件分析设计,弱在嵌入式系统软件开发。这就形成了嵌入式系统的全面知识需求与学生背景知识不足之间的矛盾,该矛盾普遍存在于嵌入式系统教学过程中。
2.2 课程内容与课时量之间的矛盾
应用型本科院校和大多数高校一样,采用了学分制教育模式。学分制的优点自然很多,比如更加灵活、机动和高效等等,但是学分制也造成了大课时量课程的锐减。多数课程精兵简政,以小学分形式,成为学分制教育模式下的瑞士军刀,在学生喜好间游刃有余。在这种情况下,嵌入式系统课程自然也是小巧玲珑,通常只有32学时或48学时;然而,嵌入式系统涉及的知识面非常广泛,需要讲解和实践验证的内容较多。这样,就形成了庞大的课程内容和偏少的课时量之间的矛盾。
2.3 授之以鱼和授之以渔的矛盾
近年来,我国大学生的就业问题越来越严重,已经引起社会各方面的广泛关注。就业形势由精英教育阶段的卖方市场转向当前的买方市场。用人单位纷纷提高任用标准,一方面:追求学历层次,装潢门面,造成人才高消费现象;另一方面:忽视人才再培养,强调上岗即可独当一面,奉行“拿来主义”。这种形势对应用型本科院校的人才培养提出了更高要求,尤其对嵌入式系统人才培养发出新挑战。在嵌入式系统教学过程中,选择“从基本原理入手,循序渐进,举一反三,使学生达到融会贯通,具备从事嵌入式系统开发的基本素质和实践技能”的授之以渔理念,还是走“直接瞄准用人单位的需求,只求实用,不求通达”的授之以鱼之路,是摆在教育工作者面前的两难问题,值得思考。
3 教学模式的改进
面对教学实践中的矛盾,必须对嵌入式系统的教学模式进行一些改进。改进时,应坚持如下原则:对于不同专业的学生,嵌入式系统教学的侧重点应该有所不同;将嵌入式系统的知识点分散于前期必修课中,充分运用课程设计、毕业设计等实践教学环节夯实基础知识积累、掌握实用先进技术。
3.1 将知识点分散于先修课程中
国内部分院校开设了嵌入式系统专业方向,主要课程设置大体相同,以ARM体系架構和实时操作系统为切入点,设置了由嵌入式系统专业课程、前驱课程、后续课程组成的课程组[3-4]。嵌入式系统专业课程包括:嵌入式系统设计与实例开发、嵌入式处理器体系结构与应用、嵌入式系统编程语言、嵌入式实时操作系统原理与设计等;前驱课程包括:C语言程序设计、数模电子技术基础、数据结构、汇编语言、计算机接口技术、单片机原理与应用、工业过程控制;后续课程包括:嵌入式软件工程学、常用电路芯片介绍、EDA设计、UML在嵌入式系统开发中的应用。
很多应用型本科院校的嵌入式系统不是独立的专业方向,只是通过少量几门课程对嵌入式系统做概括性介绍。这种情况下,必须将繁重的嵌入式系统教学内容,渗透到其它相关课程教学中,比如:在C语言程序设计中,加入强化对位寻址、位运算的内容;在计算机原理课程中,加入对I2C、SPI总线以及USB的原理与应用等内容;在算法设计课程中,加入对低功耗计算的介绍;在数据结构课程中,提高学生对算法时间复杂度和空间复杂度的分析能力;在操作系统课程中,强化实时调度的内容并要求学生掌握简单的实时调度算法;在软件工程中,增强学生对系统软件可靠性、经济性的理解。这样,通过课程渗透,大大降低了理论教学中原理性问题的教学压力,使内容的安排可以向应用倾斜,真正建立起符合应用需求的嵌入式系统教学体系。同时,在讲授嵌入式系统专业课程时,要根据不同专业,把握不同的侧重点,比如:计算机专业的学生应补充电路设计方面的能力,强化软件开发能力;电子信息专业的学生应补充嵌入式软件开发能力,强化硬件电路设计能力。最终,将学生培养成“既通又专”的系统开发人才。
3.2 将难点分散于多层次实验教学中
教学实验与理论学习是相辅相成、相互促进的。教学实验必须和理论学习相结合起来,不能脱节,才能使学生做到“学以致用”。课堂上通过老师的讲解学生可以掌握嵌入式系统基本概念、ARM 体系结构、驱动程序的开发、应用程序的开发、调试技术等原理。在实验中,学生通过实践可以深入理解嵌入式微处理器、建立嵌入式开发环境、掌握各种接口技术等基础知识,另外,实践环节还应该激发学生向难点技术进军,努力学习新技术的热情。
因此,实验教学体系的建立,应坚持循序渐进的原则,根据教学内容精选实验,分层次设计实验内容[5]。比如:将实验划分为:验证性实验、综合性实验、设计性实验等。
验证性实验采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,并能进行修改、组合和补充应用编程。
综合性实验是在验证性实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能多地利用实验系统上的资源,构造一个具有实际意义的嵌入式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验。
设计性实验的目的是使学生能够更深入的掌握嵌入式系统的理论知识,并有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。
在实验教学过程中,要充分调动学生的学习积极性,培养开发兴趣,充分利用课余时间进行嵌入式系统学习,可以采用一些仿真软件克服实验条件的限制,比如采用Skyeye等软件虚拟嵌入式系统平台,进行开发研究。另外,还要充分利用课程设计和毕业设计等实践环节,锻造企业需要的合格人才。
4 教学效果
在教学过程中,作者坚持循序渐进的教学策略。从51系列单片机入手,着重对比介绍ARM7体系结构、ARM流水线、处理器状态、处理器模式、内部寄存器以及存储映射等。以uC/OS-II作為重点研究嵌入式操作系统[6]。通过课堂教学,使学生掌握了嵌入式系统开发的基本原理、基本工具、基本方法、基本技能。在课程设计阶段,一些同学通过自学可以在嵌入式Linux下做简单应用开发、一些同学能够根据具体需求,针对具体ARM芯片扩展外围电路,设计电路图。毕业设计从事嵌入式系统开发的同学,能够在较短的时间内理解复杂的嵌入式系统案例,并结合具体应用深入细节、仔细剖析,基本达到用人单位的雇用要求。
事实证明,利用有限的课堂时间理清思路、抓住基本核心技术、激发学习兴趣,发挥课余时间、课程设计、毕业设计等大块时间巩固理论、锻炼技能、学以致用、不断提高的循序渐进式教学模式是卓有成效的。
5 结语
嵌入式系统还没有成熟的模式去遵循,教学之路很容易被五彩缤纷的嵌入式产品所迷惑,然而,课堂就是课堂,授之以渔的理念不能变,任何事物都在变化,但不乏规律存在,不乏瞬间的永恒,Intel的51体系结构经过了二十多年的风雨洗礼后,仍然占有相当大的市场份额就是一个例证,当前风靡的ARM体系结构也必将拥有相当长的技术生命,课堂应该抓住这些本质的东西,用最短的时间做最有效的事情。当然,应用型本科院校“学以致用”的理念也不能变,嵌入式系统的教学必须合理利用相关的课堂时间、课余时间、课程设计、毕业设计等等教学环节,坚持“课程内容渗透,课堂抓基础、课后抓实践”的教学路线,打造出企业所需的合格人才。
参考文献:
[1] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[M].北京: 北京航空航天大学,2005.
[2] 毕春跃.计算机专业嵌入式系统教学模式探析[J].计算机教育,2008(4):82-84.
[3] 权宁一.单片机与嵌入式系统教学改革初探[J].福建电脑,2007(12):208-209.
[4] 俸皓.嵌入式系统教学体系改革的探讨[J].科技信息,2007(30):288-289.
[5] 段凤云.嵌入式系统实验教学的探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(5):72-73.
[6] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发-基于ARM微处理器与uC/OS-Ⅱ实时操作系统[M].北京:清华大学出版社,2008.
关键词:嵌入式系统;教学模式;课程体系;实验体系
中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-4087-02
Method of Embedded System Teaching in Application-orientation Colleges
HAN Lei,HUANG Jian, CAO Yu-xiao
(School of Computer Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)
Abstract: According to actual conditions of application-orientation colleges, this paper states three contradictions in embedded system teaching. From aspects of education, experiment and so on, the paper discusses some issues of embedded system education such as teaching pattern, method and means in application-orientation colleges. The conclusion is that scattering background knowledge, emphasizing basic in classroom, and doing experiments after class. Practice indicates that this teaching experience should be promoted.
Key words: embedded system; education; curriculum system; experimental system
1 引言
电子技术的进步,尤其是微型机的出现,推动了科学研究的飞跃。随着后PC时代的到来,嵌入式技术以其灵活、高效和性价比高等诸多优势,被广泛应用于科学研究、工程设计、军事技术、文艺及商业等领域,成为后PC时代信息技术发展的主力军。现在,嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,市场潜力大,就业机会多。
因此,很多高校、职业技术学院和培训机构纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。然而,各教学单位的办学理念、办学条件、教师实力和学生水平良莠不齐,所以嵌入式系统教学模式也应该因地制宜、因材施教。本文针对应用型本科院校的实际情况和嵌入式系统的特点,提出嵌入式系统教学的若干思考,探讨应用型高校嵌入式系统教学之路。通过课堂教学、课程设计、毕业设计等教学实践环节,取得了良好效果。
2 教学实践中的矛盾
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式系统的学习需要扎实的计算机基础知识、持之以恒的钻研精神、实践锻炼与方法归纳的能力。然而,在应用型本科院校的嵌入式系统教学过程中,存在基础与目标、过程与结果等方面的矛盾,困扰着嵌入式系统教学。
2.1 知识需求与知识背景的矛盾
嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。蚂蚁虽小五脏俱全,嵌入式系统本质上是一个专用计算机系统,包括硬件、软件和固件等方面的知识[2]。因此,学习嵌入式系统需要全面的基础知识,例如:硬件方面,只了解处理器的寄存器、工作模式是不够的,还应理解存储器及存储映射、寻址方式和调试接口,掌握具体处理器芯片的外围设备、接口技术与硬件设计等等;软件方面,单纯了解操作系统的工作原理、体系结构、API调用和应用程序开发也是不够的,开发者还要关注操作系统的移植和引导启动、地址映射、驱动程序开发等复杂的细节问题。面对嵌入式系统庞大的知识体系,不同专业的学生往往因为背景知识匮乏而显得力不从心。计算机科学与技术专业的学生由数据结构、编译原理、操作系统等专业核心课程做支撑,学习嵌入式软件开发的难度不是很大,但是对于硬件系统的比较、选择、理解、分析和设计,感觉很吃力;而电子信息科学与技术专业的学生,情况却相反,他们强于硬件分析设计,弱在嵌入式系统软件开发。这就形成了嵌入式系统的全面知识需求与学生背景知识不足之间的矛盾,该矛盾普遍存在于嵌入式系统教学过程中。
2.2 课程内容与课时量之间的矛盾
应用型本科院校和大多数高校一样,采用了学分制教育模式。学分制的优点自然很多,比如更加灵活、机动和高效等等,但是学分制也造成了大课时量课程的锐减。多数课程精兵简政,以小学分形式,成为学分制教育模式下的瑞士军刀,在学生喜好间游刃有余。在这种情况下,嵌入式系统课程自然也是小巧玲珑,通常只有32学时或48学时;然而,嵌入式系统涉及的知识面非常广泛,需要讲解和实践验证的内容较多。这样,就形成了庞大的课程内容和偏少的课时量之间的矛盾。
2.3 授之以鱼和授之以渔的矛盾
近年来,我国大学生的就业问题越来越严重,已经引起社会各方面的广泛关注。就业形势由精英教育阶段的卖方市场转向当前的买方市场。用人单位纷纷提高任用标准,一方面:追求学历层次,装潢门面,造成人才高消费现象;另一方面:忽视人才再培养,强调上岗即可独当一面,奉行“拿来主义”。这种形势对应用型本科院校的人才培养提出了更高要求,尤其对嵌入式系统人才培养发出新挑战。在嵌入式系统教学过程中,选择“从基本原理入手,循序渐进,举一反三,使学生达到融会贯通,具备从事嵌入式系统开发的基本素质和实践技能”的授之以渔理念,还是走“直接瞄准用人单位的需求,只求实用,不求通达”的授之以鱼之路,是摆在教育工作者面前的两难问题,值得思考。
3 教学模式的改进
面对教学实践中的矛盾,必须对嵌入式系统的教学模式进行一些改进。改进时,应坚持如下原则:对于不同专业的学生,嵌入式系统教学的侧重点应该有所不同;将嵌入式系统的知识点分散于前期必修课中,充分运用课程设计、毕业设计等实践教学环节夯实基础知识积累、掌握实用先进技术。
3.1 将知识点分散于先修课程中
国内部分院校开设了嵌入式系统专业方向,主要课程设置大体相同,以ARM体系架構和实时操作系统为切入点,设置了由嵌入式系统专业课程、前驱课程、后续课程组成的课程组[3-4]。嵌入式系统专业课程包括:嵌入式系统设计与实例开发、嵌入式处理器体系结构与应用、嵌入式系统编程语言、嵌入式实时操作系统原理与设计等;前驱课程包括:C语言程序设计、数模电子技术基础、数据结构、汇编语言、计算机接口技术、单片机原理与应用、工业过程控制;后续课程包括:嵌入式软件工程学、常用电路芯片介绍、EDA设计、UML在嵌入式系统开发中的应用。
很多应用型本科院校的嵌入式系统不是独立的专业方向,只是通过少量几门课程对嵌入式系统做概括性介绍。这种情况下,必须将繁重的嵌入式系统教学内容,渗透到其它相关课程教学中,比如:在C语言程序设计中,加入强化对位寻址、位运算的内容;在计算机原理课程中,加入对I2C、SPI总线以及USB的原理与应用等内容;在算法设计课程中,加入对低功耗计算的介绍;在数据结构课程中,提高学生对算法时间复杂度和空间复杂度的分析能力;在操作系统课程中,强化实时调度的内容并要求学生掌握简单的实时调度算法;在软件工程中,增强学生对系统软件可靠性、经济性的理解。这样,通过课程渗透,大大降低了理论教学中原理性问题的教学压力,使内容的安排可以向应用倾斜,真正建立起符合应用需求的嵌入式系统教学体系。同时,在讲授嵌入式系统专业课程时,要根据不同专业,把握不同的侧重点,比如:计算机专业的学生应补充电路设计方面的能力,强化软件开发能力;电子信息专业的学生应补充嵌入式软件开发能力,强化硬件电路设计能力。最终,将学生培养成“既通又专”的系统开发人才。
3.2 将难点分散于多层次实验教学中
教学实验与理论学习是相辅相成、相互促进的。教学实验必须和理论学习相结合起来,不能脱节,才能使学生做到“学以致用”。课堂上通过老师的讲解学生可以掌握嵌入式系统基本概念、ARM 体系结构、驱动程序的开发、应用程序的开发、调试技术等原理。在实验中,学生通过实践可以深入理解嵌入式微处理器、建立嵌入式开发环境、掌握各种接口技术等基础知识,另外,实践环节还应该激发学生向难点技术进军,努力学习新技术的热情。
因此,实验教学体系的建立,应坚持循序渐进的原则,根据教学内容精选实验,分层次设计实验内容[5]。比如:将实验划分为:验证性实验、综合性实验、设计性实验等。
验证性实验采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,并能进行修改、组合和补充应用编程。
综合性实验是在验证性实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能多地利用实验系统上的资源,构造一个具有实际意义的嵌入式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验。
设计性实验的目的是使学生能够更深入的掌握嵌入式系统的理论知识,并有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。
在实验教学过程中,要充分调动学生的学习积极性,培养开发兴趣,充分利用课余时间进行嵌入式系统学习,可以采用一些仿真软件克服实验条件的限制,比如采用Skyeye等软件虚拟嵌入式系统平台,进行开发研究。另外,还要充分利用课程设计和毕业设计等实践环节,锻造企业需要的合格人才。
4 教学效果
在教学过程中,作者坚持循序渐进的教学策略。从51系列单片机入手,着重对比介绍ARM7体系结构、ARM流水线、处理器状态、处理器模式、内部寄存器以及存储映射等。以uC/OS-II作為重点研究嵌入式操作系统[6]。通过课堂教学,使学生掌握了嵌入式系统开发的基本原理、基本工具、基本方法、基本技能。在课程设计阶段,一些同学通过自学可以在嵌入式Linux下做简单应用开发、一些同学能够根据具体需求,针对具体ARM芯片扩展外围电路,设计电路图。毕业设计从事嵌入式系统开发的同学,能够在较短的时间内理解复杂的嵌入式系统案例,并结合具体应用深入细节、仔细剖析,基本达到用人单位的雇用要求。
事实证明,利用有限的课堂时间理清思路、抓住基本核心技术、激发学习兴趣,发挥课余时间、课程设计、毕业设计等大块时间巩固理论、锻炼技能、学以致用、不断提高的循序渐进式教学模式是卓有成效的。
5 结语
嵌入式系统还没有成熟的模式去遵循,教学之路很容易被五彩缤纷的嵌入式产品所迷惑,然而,课堂就是课堂,授之以渔的理念不能变,任何事物都在变化,但不乏规律存在,不乏瞬间的永恒,Intel的51体系结构经过了二十多年的风雨洗礼后,仍然占有相当大的市场份额就是一个例证,当前风靡的ARM体系结构也必将拥有相当长的技术生命,课堂应该抓住这些本质的东西,用最短的时间做最有效的事情。当然,应用型本科院校“学以致用”的理念也不能变,嵌入式系统的教学必须合理利用相关的课堂时间、课余时间、课程设计、毕业设计等等教学环节,坚持“课程内容渗透,课堂抓基础、课后抓实践”的教学路线,打造出企业所需的合格人才。
参考文献:
[1] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[M].北京: 北京航空航天大学,2005.
[2] 毕春跃.计算机专业嵌入式系统教学模式探析[J].计算机教育,2008(4):82-84.
[3] 权宁一.单片机与嵌入式系统教学改革初探[J].福建电脑,2007(12):208-209.
[4] 俸皓.嵌入式系统教学体系改革的探讨[J].科技信息,2007(30):288-289.
[5] 段凤云.嵌入式系统实验教学的探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(5):72-73.
[6] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发-基于ARM微处理器与uC/OS-Ⅱ实时操作系统[M].北京:清华大学出版社,2008.