计算机嵌入式系统教学设计

摘要：针对传统嵌入式系统教学的理论化、知识化传授方法中存在的问题，以模块化教学为导向，提出嵌入式课程教学分层次人才培养，设计了实验教学功能单元精细化、分模块化平台教学方案，优化了教学实践环节，提升了教学效果，提高了学生嵌入式系统综合应用能力。

关键词：嵌入式系统；教学模式；课程体系；人才培养

科学构建嵌入式人才培养体系，深刻理解嵌入式系统的特点，培养出一大批创新型高素质嵌入式系统人才是当前地方应用型本科院校开设该专业亟待研究的课题。嵌入式系统课程知识关联了电气工程自动化、电子技术、计算机应用、通信工程等多个专业的相关内容，涉及单片机技术、C语言程序设计、嵌入式操作系统、模拟电子技术、数字电子技术、汇编语言等多门课程，对培养学生的宽基础、宽专业有着较高要求。嵌入式系统课程培养规格决定了其实践性强，课程设置大量的实践环节，培养学生软硬件设计和驱动程序设计能力，教学中需要搭建硬件、软件开发环境[1]。当前嵌入式系统人才培养体系存在很多不足，如培养方案缺乏系统性，实践过程中缺乏足够的训练规模与难度，理论讲授与实验演练不能有机结合等。嵌入式系统课程较多是以传统的理论化、知识化的方法讲授，学生无法直接感性认识嵌入式系统的软硬件知识，不能做到“一堂化”学习中去。嵌入式系统教材大多是以知识点来组织相关的章节，缺乏实际案例引导学生理解教学内容，难以将抽象的知识和实践教学环节紧密结合。本文根据计算机专业嵌入式系统实践性、综合性强的特点，提出合适的模块化嵌入式系统课程教学方案。

1嵌入式系统模块化教学设计思路

计算机嵌入式系统教学模式改革涉及嵌入式课程体系的设置、理论教学和实验教学的开展、综合设计与学生工程实训等方面，教学体系设计以培养学生的系统分析、设计与验证能力为出发点，以培养学生的软硬件设计能力、驱动程序设计能力为导向，构建精讲多练的模块化课程体系和教学知识体系。1.1合理设置分层培养教学环节。嵌入式教学设计中体现分层次培养环节。在教学中可按照人才培养分类，分层次进行嵌入式人才培养：一是以面向应用为主，培养学生能够针对某个具体的嵌入式系统的软硬件平台进行应用开发的能力，这属于嵌入式系统教学的基本层次，培养嵌入式应用软件人才；二是培养的学生能够进行嵌入式系统的软硬件系统平台设计和开发，具有综合系统开发和应用能力，因此，在教学过程中注重培养学生软件、硬件设计开发能力[2]。1.2优化课程结构和创新教学内容。以人才培养与社会行业需求度为导向，以“创新创业能力培养”为目标，对嵌入式系统的课程结构、教学内容进行改革创新。做到课程结构“任务模块化”、课程模块“动态组合化”；使课程结构和教学内容不断更新。实际教学中采用灵活多样的教学方法体系，具体方法：(1)对于初级嵌入式系统各模块按统一模式讲解，有利于提高学生的学习效率，加深对嵌入式软硬件结合的理解；(2)通过函数封装等技术对外设、接口设置和操作进行模块化设计，如在以NXP单片机为核心的初级嵌入式系统上，进行硬件和软件模块化教学设计；(3)针对实践教学环节，保持课程实验课之外，进一步加强综合性的课程设计，加强独立开设综合性、设计性实验安排，锻炼学生的实际应用能力。对于部分章节采用讨论式教学，老师引出问题，学生进行讨论，共同设计。在不断讨论、解决问题的过程中，有利于学生独立思考能力的培养和灵活、综合运用基础知识能力的提高。结束时，老师对设计原理、方法和注意事项进行总结，在此基础上再进行较复杂的设计，这样可以激发同学的学习兴趣和学习热情。

2嵌入式系统模块化教学具体设计方案

嵌入式系统教学体系构建贯穿“以学生自主学习为中心”“实践教学”等教学理念，模块化教学设计具体如下。2.1精细划分实验课程功能单元。嵌入式系统课程因其自身特点，目前理论课按照不同的功能单元进行教学，相应地实验系统也按功能单元进行划分，但大多数实验系统是采用最小系统板加底板形式的实验箱，不易扩展和携带。笔者曾在教学过程中设计了嵌入式实验系统的“口袋化”方案，即把整个实验平台分为最小系统板、输入输出单元板和交互接口板三块，方便学生携带和课后学习演练。细化初级嵌入式课程的实验系统，尽可能划分成不可再分割的基本功能模块，如单片机与电脑的异步串行通信模块，制作以MAX232为核心的电路板，配有单片机和电脑数据接口以及电源接口；继电器模块，制作以继电器为核心的小电路板，配有单片机开关信号接口和继电器开合线路接口；最小系统板则根据所连的模块分别给出各模块的数据接口。按功能需求连接需要配置的模块，进行可裁剪式的硬件设计。对不同的功能模块在软件上按照模式设置、数据读写操作进行封装。教学上按照功能原理、操作接口和应用进行解析。课堂教学上，不同功能的模块可按原理、操作、应用这种模式讲解，便于学生归纳学习理解。理论课讲解之后可以随即分发最小系统板和相应的硬件模块，实现理论讲授、实验演练的“一堂化”，让学生能理论与操作相结合，当堂消化，提高学习和运用效率[3]。2.2设计嵌入式实验系统的模块化平台。嵌入式实验系统教学中努力做到硬件和软件的模块化设计，一方面便于后续系统的扩展与升级，另一方面方便与其他嵌入式实验系统相融合。模块化平台设计体现易扩展性和可裁剪性，一方面便于教师对学生进行统一培训，另一方面便于学生根据功能需求裁剪模块，直接进行插件式、积木式系统搭建与实现，便于学生进行创新创意类的竞赛或项目设计，有助于提高学生的系统搭建实现效率、培养创新兴趣和团队协作精神，具体步骤如下。（1）各硬件模块的调用与规范化接口设计。各规范化硬件模块接口设计包括：I/O接口模块中的拨码开关、小键盘、LED显示灯、液晶显示、蜂鸣器等各组件的模块化设计与实现；模拟电路预处理模块、片外A/D模块与D/A模块的设计与实现等；通信模块：SCI、I2C、SPI各通信接口电路的模块化设计与实现，以及常用无线通信模块的接口规范化设计；中转模块：各种电平转换接口模块、驱动隔离模块的设计与实现；存储模块：常用片外存储设备的接口设计等模块的设计与实现等[4]。（2）相应功能模块的运行模式初始化设置和读写操作函数化封装，并配以与该功能模块对应的各硬件模块的调用实例，如多路通用I/O口模块初始化函数、读写操作函数，与之对应的拨码开关、继电器、小键盘、LED显示等模块的调用实例等。（3）撰写硬件模块功能原理和接口操作手册。在进行各功能模块软件设计时，需详细撰写各模块功能原理、读写操作原理、函数封装说明、调用手册及对应各硬件模块的调用实例说明。以智能车模块化平台设计为例：首先设计硬件电路的各个功能模块，然后编写软件模块化功能代码，最后实现整个实验平台的开发与调试，起到学生理论实践“一堂化”的效果[5]，如图1所示。首先是驱动电路设计，智能驱动采用L298N芯片，通过I/O口与STM32嵌入式处理器相连接，采用TLP521光藕隔离器技术，防止电机运行对嵌入式处理器及其他功能模块产生电磁干扰；其次是硬件电路原理图绘制、电路板PCB图绘制、硬件电路元件的焊接、调试等；最后是软件代码编写，按照模块化设计，每个控制模块的软件代码设计成相互独立的头文件，主要包括LED流水灯、蜂鸣器、按键、A/D转换、串口通信、DS18B20、显示屏、智能小车、WiFi模块等单元的测试程序[6]。测试程序相互独立，既能够单独控制某个功能模块，也能相互融合实现复杂的功能控制。在设计过程中，教师积极引导，更多工作是让学生自己动手，“一堂化”教学有利于学生加深对嵌入式系统的理解，更重要的是提高了学生对嵌入式系统综合应用的能力。

3结束语

计算机嵌入式系统的人才培养要对学生开发设计和创新能力的培养给予重视。经过近几年实践探索，嵌入式系统模块化教学取得了良好的教学效果，学生的学习兴趣明显提高，学生的实践动手能力、系统综合能力、团队合作精神明显增强，学习效率有了很大的提高。模块化平台设计为创新创业大赛项目类的教学提供了很好的平台，在创新实践教学环节上的应用取得了显著成果，学生积极开展课程设计活动，创作了一批优秀的课程设计作品取得了不少成绩。近年来，计算机嵌入式专业学生获得了全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛国家三等奖、安徽省一等奖和二等奖，robgame比赛最佳技术奖，2016年获得安徽省首届自制教学仪器成果奖三等奖等好成绩。并培植了多项国家大学生创新实验项目。

参考文献：

[1]殷建军,张明武,尹令.嵌入式系统课程现状分析与对策研究[J].计算机教育,2010(14):114-117.

[2]蒋伟杰.计算机专业本科嵌入式系统方向课程建设研究[J].计算机教育,2011(10):61-64.

[3]王应军,高国红,赵晨萍.计算机专业《嵌入式入式系统》教学探索[J].计算机教育,2010(2):35-37.

[4]李风云.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(4):71-73.

[5]殷伟凤,方跃峰,孙德超,等.嵌入式系统课程体系的组织探索[J].高等理科教育,2010,94(6):81-84.

[6]王苏峰,宁洪,陆洪毅,等.嵌入式系统课程体系及其创新实践的探索[J].计算机教育,2010(7):45-48.

作者:钟锦 单位:合肥师范学院