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    嵌入式系统实验教学的探讨

    2007-04-27 单片机及嵌入式系统应用

        目前,嵌入式技术和嵌入式产品已经渗透到工业控制系统、信息家电、通信设备、仪器仪表、军事技术以及人们日常生活的各个领域。由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求,使得嵌入式软硬件工程师成为未来几年内最为热门的职业之一。因此,作为对新技术研究和探索最活跃的群体一高等院校,如何接受嵌人式技术带来的挑战,尽快开设嵌入式系统的相关理论与实验课程,并通过对其研究、探讨与实践,逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。

        为了使我校培养的学生适应社会需要,掌握最新的知识结构,我校于2004年新增设了嵌入式系统理论与实验课程。两年来,通过对这门课程的探讨与实践,取得了良好的教学效果。

    1 嵌入式系统教学的特点
       
    本校开设的嵌入式系统教学课程主要是针对目前流行的基于ARM架构的嵌入式微处理器与源码公开的实时操作系统,选择μC/OS~II进行详细剖析,并结合具体的嵌入式系统开发实验,使学生能够熟练掌握嵌入式系统的设计与开发方法。在教学过程中,强调以学生为认知的主体,通过学生的“感受”产生问题,在教师的引导下“理解”产生问题的本质,学生在实践过程中学习理论知识、掌握操作技能,并将理论和实践结合在一起,从而大大激发学生学习的兴趣,增加了学生的创新意识。嵌入式系统教学主要体现以下3个特点:

        ①基础性。嵌入式系统技术涉及多个专业。如计算机工程、软件工程、工业自动控制、机电工程、精密仪器和电子工程等,嵌入式技术与各个专业相互渗透融合,将逐渐形成新的学科研究方向,因此,嵌入式系统可作为上述各专业的基础平台课,以强化专业基础知识。

        ②综合性。嵌入式系统是软件和硬件设计的完美结合。它涉及电子信息、计算机、自动控制等诸多专业相关课程的内容,如C语言、微机原理、单片机设计和操作系统等课程,有很强的综合性,因此,可以有效地对学生进行综合能力的培养。

        ③实践性。嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。实验是嵌入式系统课程的重要组成部分,缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵,因此,学生必须通过大量的实验和实践环节,来加深对嵌入式系统理论知识的理解。

    2 实验教学体系的建立
       
    为培养学生的实际应用能力与刨新能力,以达到“学习嵌入式,使用嵌入式”的实验教学目的和作用,我校建立了“基础型一综合设计型一研究型”三层次的嵌入式系统实验教学体系,并根据课程的特点,采取开放式实验教学的思路和方法。

    (1)第一层次基础型实验

        这部分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。

    (2)第二层次综合设计型实验

        这部分实验是在基础型、验证型实验的基础上,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人式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验。

    (3)第三层次研究型实验

        这部分实验是提供给基础较好的学生深入学习的,目的是使他们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。

    3 实验教学内容的设置与实践
    3.1 实验内容的设置
       
    嵌入式系统的实验教学内容的设置旨在使学生通过实际操作掌握嵌入式系统基本、实用的设计与开发技能。实验中心于2003年建立了嵌入式系统实验室,并配置了ARM嵌入式实验教学平台、PC机、ARM JTAG实时仿真器等。实验教学平台分为两部分:一部分为核心板,它提供了MC9328MXl系统的最小系统、音频接口及扩展连接线等模块;另一部分为扩展板,它提供了用来完成各项不同实验的功能模块。实验教学系统主要目的是为32位CPU及嵌入式操作系统的使用者提供一个强大的硬件功能平台,并且移植目前最为流行的实时、开放源码的μC/OS-II操作系统。实验教学内容及学时分配如表1所列。

    3.2 实验教学体系的实践
       
    在实际教学中,我校的做法是理论教学方面侧重于嵌入式操作系统原理的学习和嵌入式应用软件的开发方法;实验教学方面基于上述三层实验教学体系。
        ①基础型实验采用理论授课与动手实验验证相结合的方式,要求学生独立完成基础知识和基本技能实验。指导教师在每次实验结束后或在整个实验过程中检查实验的结果。检查结果及实验报告的考核成绩占整个课程成绩的10%。
        ②综合型实验由指导教师指定几个设计课题或让学生自由选择自己感兴趣的课题进行设计,教师在这个过程中仅起指导作用。学生每人一题,自行设计实验方案、编写实验程序、选择硬件接口及调试。实验结束后,提交书面报告并由教师对实验中技术点进行提问,其考核成绩占整个课程成绩的90%(其中,完成质量占30%、难度占30%、创新占20%、书面报告占10%)。
        ③研究型实验是作为学生的毕业设计课题进行的,研究课题和内容来自教师的科研课题,或是与企业相结合的科研项目。学生不仅要进行软件的设计和编制,而且还要进行一部分硬件电路的设计和制作,以及软硬件的联合调试,这样使学生建立了不同课程之间知识的有机联系,培养了学生综合运用各学科知识的能力。研究型实验也可作为学生课外科技活动的组成部分,学生2~3人自发组成嵌人式系统兴趣小组,利用现有的实验设备和条件进行课题研究,教师在一定阶段给予必要的指导。去年已有两组学生的课题设计在全国大学生嵌入式系统大赛中获奖,今年又有部分学生参加了国际跨国公司组织的嵌入式系统设计大赛。该层次的实验充分发挥了学生的创造性,使学生尽早进入了科学研究领域,为创新型人才的培养奠定了基础。


    结语
        三层次实验教学体系较好地培养了学生分析问题、解决问题以及综合应用知识的能力,受到了学生的热烈欢迎,提高了教学效果。总之,理论教学与实验教学只有不断改革、创新和实践,才能共同提高嵌入式系统教学的水平。




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