论文部分内容阅读
[摘要]嵌入式系统应用涉及微电子技术、电子信息技术．计算机软件和硬件等多项技术领域。随着嵌入式技术的广泛应用，嵌入式技术教学在高等院校全面推广，然而针对嵌入式系统应用课程综合性和实践性的特点，如何有效开展嵌入式系统教学，培养合格的嵌入式技术人才，成为高校普遍关注的焦点。本文依据我校计算机科学与技术专业嵌入式系统方向人才培养目标的定位，结合实验室建设，阐述了嵌入式系统实践教学面临的问题，提出以实验室为平台，以科研项目为载体的多平台多层次的实践教学体系，努力培养基础扎实、工程实践能力强的创新型人才的实践教学新思路，以保证嵌入式系统实践教学能够满足学生学习掌握嵌入式技术的基本要求及配合教师科研需要。
[关键词]嵌入式系统课程 实验教学 教学实践 人才培养
[中图分类号]G642 [文献标识码]A
嵌入式技术是软硬件相结合、多个专业相融合的面向应用的综合学科，嵌入式系统课程具有综合性强、实践性强的特点，因此嵌入式系统实践教学对于提高学生创新能力和解决实际问题能力尤为重要。
一、嵌入式系统实践教学存在的问题
嵌入式系统是软件和硬件的综合结合，涉及计算机体系结构、操作系统、微机原理、接口技术、计算机编程等诸多内容，是一门综合性强和实践性强的课程。
在计算机专业还未真正进入单片机应用领域时，嵌入式系统设计以电子技术应用为主，电子信息工程背景的工程师从事单片机的应用开发。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统软、硬件技术的提升，为计算机专业人士从事嵌入式系统应用开辟了广阔天地。目前大多数计算机专业开设的嵌入式系统实践课程仍以讲授嵌入式硬件设计为主，这样不太适合计算机专业偏重软件的特点。因此，计算机专业应该建立与自己专业特点相适应的实践课程体系，着重基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。
对于嵌入式系统这一多学科交叉、软硬件集成、与业界需求密切相关的综合性系统来讲，建立完整科学系统的实践教学体系十分必要。归纳起来，目前的实践教学模式存在如下缺陷：
（1）实验课程学时有限。实验学时远少于理论课学时，传统的实验教学为课内实验，每门课程都分配了小部分实验学时，实验内容多为验证性实验，学生兴趣不大，实验效果差，培养动手能力效果不好，达不到提高学生综合素质的目的。
（2）重理论，轻实践。实验实践教学往往是配合理论教学的内容而展开，对部分模块进行实验实践，由于缺乏系统性，孤立地理解模块的使用方法及其功能，即使学生能利用实验平台进行各个模块的实验，最后学生未必能够建立完整的系统概念。
（3）现有嵌入式实验教学平台局限了学生的创新思维。实验实践课程一般要求学生在实验教学平台按照实验指导书上的步骤完成实验内容，限制了学生的创新思维和学习的主动性。另外，虽然实验提供了源码，但是学生往往都是照搬使用，事实上并不了解原理和代码含义。
二、计算机专业嵌入式系统实践教学体系的构建
2011年我们在计算机与科学技术专业本科生人才培养模式中，对嵌入式系统实践教学体系强调工程实践性达成一致。对农林院校本科层次学生来说，坚持循序渐进，合理选取实践内容，与工程实践紧密结合，才有助于对嵌入式技术相关内容的理解与掌握，因此，在嵌入式系统实践教学体系中采取分层教学。
（一）实验基础知识训练
该阶段教学任务是让学生掌握嵌入式系统开发的基本知识，熟悉嵌入式硬件结构和Linux操作系统。由教师指导，要求绝大部分学生熟悉嵌入式系统开发软硬件开发环境、掌握基本的嵌入式系统应用程序的开发流程与方法，熟悉嵌入式系统开发工具，掌握仪器、设备及工具的正确使用方法，安全操作规程和基本的嵌入式编程方法，在实验过程中逐渐熟练使用嵌入式系统C语言。
（二）专业基本技能训练
该阶段教学任务是让学生掌握基本的嵌入式系统程序的开发方法。学生提前预习，教师对所涉及内容详细讲解和演示，学生可以按照具有参考性质的实验指导书内容进行实验的调试与修改，在亲自动手调试的过程中，培养规范的开发习惯和分析解决问题的能力。
（三）具有农林特色的综合应用
该阶段教学任务通过综合应用工程项目的完成，从而达到培养学生动手能力和综合素质的目的。 该阶段采取集中训练，即整个教学计划中安排单独设课的综合实验教学内容，包括农业信息化平台开发、智能温室控制系统、特定果实的各项指标的检测等我校涉农特色类内容，给予充分的时间来保证开设设计性和综合性实验，对学生进行基本技能和分析问题解决问题能力训练。
三、嵌入式实验室建设
为了给各年级学生提供良好的实践学习条件，也为学生进行嵌入式系统开发、提高实践创新能力提供一个实验环境，学院于2010年建立了一个嵌入式系统实训实验室。嵌入式实训实验室设备以UP-Magic6410型嵌入式教学实验平台为主，包括UP-Magic6410型实验平台和配套开发环境及相关软件，基础实验开发板，多个应用模块及UP-SMARTHOME智能家居综合实训系统。
（一）UP-Magic2410型实验平台
嵌入式系统魔法师套件UP-Magic2410型,采用基于Samsung公司ARM9嵌入式微处理器。该实验平台主要用于ARM9体系结构与原理和Linux操作系统的学习和实践，ARM9实验平台上主要有ARM9核心模块和各种接口资源，集成了 USB、SD、LCD、Camera等常用设备接口，适用于各种手持设备、消费电子和工业控制设备等产品的开发。
（二）UP-Magic6410型实验平台
嵌入式系统魔法师套件UP-Magic2410型,采用基于Samsung公司最新的S3C6410X（ARM11）嵌入式微处理器。ARM11开发板主要用于学习Linux下的开发应用和完成毕业设计任务，学生参加嵌入式系统大赛以及进行嵌入式助理工程师认证的需要而选购。配套模块有：矩阵键盘模块、无线遥控接收模块模块、LED数码管模块、点阵LCD模块、继电器開关模块、直流电机模块、蜂鸣器LED灯模块、串口模块、CAN模块、红外通信模块、烟雾传感器模块、红外传感器模块、三轴加速度传感器模块、压力传感器模块、温湿度传感器模块、按键开关模块、麦克光感传感器模块、霍尔开关模块、红外对射开关模块、GPRS无线通信案例、网络视频监控实训案例、综合实训案例等二十多个模块。这些模块可以为学生毕业设计及进行具体应用项目的学习实践提供了方便。
（三）UP-SMARTHOME智能家居综合实训系统
随着智能家居计算机控制技术和电子信息通信技术的的发展，智能家居也得以加速发展。智能家居在中国应用前景广阔，我院还选购了智能家居平台，包括传感监测单元，门禁子系统，窗户子系统，模拟家电扩展单元等。系统实现了智能家居中常见的智能控制、远程控制、语音控制、家居安防等主要实训功能，同时可以扩展无线传感器网络、家庭智能网关等功能。智能家居综合实训系统，以工程项目入手，为学生提供了一整套嵌入式应用项目解决方案。在此过程中更强调实际应用，切合工程实训，充分弥补了目前嵌入式教学中重理论轻实践的缺憾，另外还可以进一步加强学生单片机应用能力和进行嵌入式技术的学习与综合应用能力。高年级学生既可以使用该系统进行科研应用，也适合毕业设计参考。
（四）其它实验平台
实验室还有数量较少的UP-CUP IOT-6410型物联网综合教学实验平台。UP-CUP IOT-6410系统是基于嵌入式系统和符合IEEE802.15.4标准无线传感器网络技术设计与研发教学的嵌入式网联网综合实验平台。该系统主要由基于ARM11系统的网关设备、ZIGBEE(CC2431)模块、外扩传感器模块三大部分硬件构成。对ZIGBEE(CC2431)模块和传感器模块两部分硬件相关操作及实验进行重点指导和描述，老师可以进行相关方面应用的科研与教研，有兴趣和能力的学生也可利用此设备开展课外科技活动或进行嵌入式大赛的训练准备。
实验室建设从嵌入式技术应用的广泛性和我院人才培养实际出发，配置多种实验教学平台类型，满足了学生教学的需要，又可以配合教师的科研需要，为学生应用理论知识解决实际问题和实践创新设计思想提供了良好的实践实验环境。
四、结束语
通过上述实践教学体系的调整，加大实验室的建设，加强学生工程概念的建立以及动手操作能力和综合实践能力，不仅使学生具备嵌入式系统的基本知识，从而为以后嵌入式系统设计奠定良好的专业基础，而且通过实验教学使学生具备嵌入式系统设计的良好的工程方法及基本的专业素养和综合能力，从根本上确保人才培养质量，为为高科技信息时代社会培养高质量的复合型、应用型计算机技术人才。
[参考文献]
[1]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J]．计算机教育，2005,5：56—59.62．
[2]李凤云.计算机本科专业嵌入式系统课程体系研究与实践[J] .高教论坛,2007,8:71-73,80.
[3]毕春越.计算机专业嵌入式系统教学模式探析[J]．教育与教学研究．2008(04)．
[4]刘立，等.基于立体模型的嵌入式系统实训改革尝试[J]．计算机教育，2010(6)：145--146．
[5]向阳,陈明义．嵌入式系统创新实验室建设[J]．实验室研究与探索，2005(5)：32—33．
[6]凌明,等.关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J]．电气电子教学学报,2007(1)：12-16
（作者单位：北京农学院 计算机与信息工程学院 北京）
[关键词]嵌入式系统课程 实验教学 教学实践 人才培养
[中图分类号]G642 [文献标识码]A
嵌入式技术是软硬件相结合、多个专业相融合的面向应用的综合学科，嵌入式系统课程具有综合性强、实践性强的特点，因此嵌入式系统实践教学对于提高学生创新能力和解决实际问题能力尤为重要。
一、嵌入式系统实践教学存在的问题
嵌入式系统是软件和硬件的综合结合，涉及计算机体系结构、操作系统、微机原理、接口技术、计算机编程等诸多内容，是一门综合性强和实践性强的课程。
在计算机专业还未真正进入单片机应用领域时，嵌入式系统设计以电子技术应用为主，电子信息工程背景的工程师从事单片机的应用开发。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统软、硬件技术的提升，为计算机专业人士从事嵌入式系统应用开辟了广阔天地。目前大多数计算机专业开设的嵌入式系统实践课程仍以讲授嵌入式硬件设计为主，这样不太适合计算机专业偏重软件的特点。因此，计算机专业应该建立与自己专业特点相适应的实践课程体系，着重基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。
对于嵌入式系统这一多学科交叉、软硬件集成、与业界需求密切相关的综合性系统来讲，建立完整科学系统的实践教学体系十分必要。归纳起来，目前的实践教学模式存在如下缺陷：
（1）实验课程学时有限。实验学时远少于理论课学时，传统的实验教学为课内实验，每门课程都分配了小部分实验学时，实验内容多为验证性实验，学生兴趣不大，实验效果差，培养动手能力效果不好，达不到提高学生综合素质的目的。
（2）重理论，轻实践。实验实践教学往往是配合理论教学的内容而展开，对部分模块进行实验实践，由于缺乏系统性，孤立地理解模块的使用方法及其功能，即使学生能利用实验平台进行各个模块的实验，最后学生未必能够建立完整的系统概念。
（3）现有嵌入式实验教学平台局限了学生的创新思维。实验实践课程一般要求学生在实验教学平台按照实验指导书上的步骤完成实验内容，限制了学生的创新思维和学习的主动性。另外，虽然实验提供了源码，但是学生往往都是照搬使用，事实上并不了解原理和代码含义。
二、计算机专业嵌入式系统实践教学体系的构建
2011年我们在计算机与科学技术专业本科生人才培养模式中，对嵌入式系统实践教学体系强调工程实践性达成一致。对农林院校本科层次学生来说，坚持循序渐进，合理选取实践内容，与工程实践紧密结合，才有助于对嵌入式技术相关内容的理解与掌握，因此，在嵌入式系统实践教学体系中采取分层教学。
（一）实验基础知识训练
该阶段教学任务是让学生掌握嵌入式系统开发的基本知识，熟悉嵌入式硬件结构和Linux操作系统。由教师指导，要求绝大部分学生熟悉嵌入式系统开发软硬件开发环境、掌握基本的嵌入式系统应用程序的开发流程与方法，熟悉嵌入式系统开发工具，掌握仪器、设备及工具的正确使用方法，安全操作规程和基本的嵌入式编程方法，在实验过程中逐渐熟练使用嵌入式系统C语言。
（二）专业基本技能训练
该阶段教学任务是让学生掌握基本的嵌入式系统程序的开发方法。学生提前预习，教师对所涉及内容详细讲解和演示，学生可以按照具有参考性质的实验指导书内容进行实验的调试与修改，在亲自动手调试的过程中，培养规范的开发习惯和分析解决问题的能力。
（三）具有农林特色的综合应用
该阶段教学任务通过综合应用工程项目的完成，从而达到培养学生动手能力和综合素质的目的。 该阶段采取集中训练，即整个教学计划中安排单独设课的综合实验教学内容，包括农业信息化平台开发、智能温室控制系统、特定果实的各项指标的检测等我校涉农特色类内容，给予充分的时间来保证开设设计性和综合性实验，对学生进行基本技能和分析问题解决问题能力训练。
三、嵌入式实验室建设
为了给各年级学生提供良好的实践学习条件，也为学生进行嵌入式系统开发、提高实践创新能力提供一个实验环境，学院于2010年建立了一个嵌入式系统实训实验室。嵌入式实训实验室设备以UP-Magic6410型嵌入式教学实验平台为主，包括UP-Magic6410型实验平台和配套开发环境及相关软件，基础实验开发板，多个应用模块及UP-SMARTHOME智能家居综合实训系统。
（一）UP-Magic2410型实验平台
嵌入式系统魔法师套件UP-Magic2410型,采用基于Samsung公司ARM9嵌入式微处理器。该实验平台主要用于ARM9体系结构与原理和Linux操作系统的学习和实践，ARM9实验平台上主要有ARM9核心模块和各种接口资源，集成了 USB、SD、LCD、Camera等常用设备接口，适用于各种手持设备、消费电子和工业控制设备等产品的开发。
（二）UP-Magic6410型实验平台
嵌入式系统魔法师套件UP-Magic2410型,采用基于Samsung公司最新的S3C6410X（ARM11）嵌入式微处理器。ARM11开发板主要用于学习Linux下的开发应用和完成毕业设计任务，学生参加嵌入式系统大赛以及进行嵌入式助理工程师认证的需要而选购。配套模块有：矩阵键盘模块、无线遥控接收模块模块、LED数码管模块、点阵LCD模块、继电器開关模块、直流电机模块、蜂鸣器LED灯模块、串口模块、CAN模块、红外通信模块、烟雾传感器模块、红外传感器模块、三轴加速度传感器模块、压力传感器模块、温湿度传感器模块、按键开关模块、麦克光感传感器模块、霍尔开关模块、红外对射开关模块、GPRS无线通信案例、网络视频监控实训案例、综合实训案例等二十多个模块。这些模块可以为学生毕业设计及进行具体应用项目的学习实践提供了方便。
（三）UP-SMARTHOME智能家居综合实训系统
随着智能家居计算机控制技术和电子信息通信技术的的发展，智能家居也得以加速发展。智能家居在中国应用前景广阔，我院还选购了智能家居平台，包括传感监测单元，门禁子系统，窗户子系统，模拟家电扩展单元等。系统实现了智能家居中常见的智能控制、远程控制、语音控制、家居安防等主要实训功能，同时可以扩展无线传感器网络、家庭智能网关等功能。智能家居综合实训系统，以工程项目入手，为学生提供了一整套嵌入式应用项目解决方案。在此过程中更强调实际应用，切合工程实训，充分弥补了目前嵌入式教学中重理论轻实践的缺憾，另外还可以进一步加强学生单片机应用能力和进行嵌入式技术的学习与综合应用能力。高年级学生既可以使用该系统进行科研应用，也适合毕业设计参考。
（四）其它实验平台
实验室还有数量较少的UP-CUP IOT-6410型物联网综合教学实验平台。UP-CUP IOT-6410系统是基于嵌入式系统和符合IEEE802.15.4标准无线传感器网络技术设计与研发教学的嵌入式网联网综合实验平台。该系统主要由基于ARM11系统的网关设备、ZIGBEE(CC2431)模块、外扩传感器模块三大部分硬件构成。对ZIGBEE(CC2431)模块和传感器模块两部分硬件相关操作及实验进行重点指导和描述，老师可以进行相关方面应用的科研与教研，有兴趣和能力的学生也可利用此设备开展课外科技活动或进行嵌入式大赛的训练准备。
实验室建设从嵌入式技术应用的广泛性和我院人才培养实际出发，配置多种实验教学平台类型，满足了学生教学的需要，又可以配合教师的科研需要，为学生应用理论知识解决实际问题和实践创新设计思想提供了良好的实践实验环境。
四、结束语
通过上述实践教学体系的调整，加大实验室的建设，加强学生工程概念的建立以及动手操作能力和综合实践能力，不仅使学生具备嵌入式系统的基本知识，从而为以后嵌入式系统设计奠定良好的专业基础，而且通过实验教学使学生具备嵌入式系统设计的良好的工程方法及基本的专业素养和综合能力，从根本上确保人才培养质量，为为高科技信息时代社会培养高质量的复合型、应用型计算机技术人才。
[参考文献]
[1]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J]．计算机教育，2005,5：56—59.62．
[2]李凤云.计算机本科专业嵌入式系统课程体系研究与实践[J] .高教论坛,2007,8:71-73,80.
[3]毕春越.计算机专业嵌入式系统教学模式探析[J]．教育与教学研究．2008(04)．
[4]刘立，等.基于立体模型的嵌入式系统实训改革尝试[J]．计算机教育，2010(6)：145--146．
[5]向阳,陈明义．嵌入式系统创新实验室建设[J]．实验室研究与探索，2005(5)：32—33．
[6]凌明,等.关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J]．电气电子教学学报,2007(1)：12-16
（作者单位：北京农学院 计算机与信息工程学院 北京）