田 浩
(1.湖北經(jīng)濟學院法商學院,湖北 武漢430205;2.湖北經(jīng)濟學院 電子工程系,湖北 武漢430205)
嵌入式實驗教學體系研究
田 浩1,2
(1.湖北經(jīng)濟學院法商學院,湖北 武漢430205;2.湖北經(jīng)濟學院 電子工程系,湖北 武漢430205)
實驗教學是嵌入式教學體系中的重要組成部分,為達到良好的教學效果,需要建立合理的嵌入式實驗教學體系。分析了嵌入式實驗教學的特點,從嵌入式實驗中課程的銜接關系、嵌入式實驗環(huán)境的設計、嵌入式系實驗內(nèi)容的設置等方面提出了建立嵌入式實驗教學體系的思路與方法。
嵌入式技術;實驗教學;特點;實驗內(nèi)容;方法
隨著嵌入式技術在各個領域來越廣泛的應用,嵌入式系統(tǒng)的市場快速增長,嵌入式人才需求正逐漸在增大,越來越多的高校開始專門培養(yǎng)嵌入式技術人才。對這些高校來說,如何接受嵌入式技術帶來的挑戰(zhàn),盡快合理開設嵌入式系統(tǒng)的相關理論與實驗課程,并通過對其研究、探討與實踐,逐漸形成較規(guī)范的教學體系已成為一個重要的研究課題。
實驗教學在整個嵌入式系統(tǒng)教學中占據(jù)重要的地位,是學生掌握嵌入式系統(tǒng)設計技術的關鍵,相比傳統(tǒng)的專業(yè)教學,嵌入式教學中的實驗教學比重更大。但由于實驗教學課時數(shù)有限,如何在這短短的實驗學時內(nèi)讓學生能夠全面理解嵌入式相關技術,對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程有一個系統(tǒng)的認識,掌握基本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法和工具,建立規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)思維,是嵌入式實驗教學成敗的關鍵。要達到這些目標,就必須先熟悉嵌入式實驗教學的特點。總的來說,嵌入式實驗教學的特點可以概括為以下兩點:
(一)實驗涉及的知識面廣,內(nèi)容多
按照普遍被認同的定義,嵌入式系統(tǒng)是一個以應用為中心,以計算技術為基礎,軟硬件可剪裁的,對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格綜合性要求的專用計算機系統(tǒng)。從其中可以看出,嵌入式技術涵蓋了計算機、電子、自動控制等多個學科專業(yè)的知識,具有很強的應用性和創(chuàng)新性。嵌入式技術開發(fā)是軟件、硬件的結合,其實驗內(nèi)容既有硬件電路與系統(tǒng)設計,也包含應用軟件的開發(fā)。
(二)實驗針對性強,更新快
嵌入式技術的應用面廣,更新速度快,新技術推出周期短,這就需要教師在日常教學中緊密關注嵌入式技術的發(fā)展動態(tài),把握嵌入式技術的發(fā)展趨勢,熟悉嵌入式新技術,并且能將新的嵌入式應用技術引入到日常教學活動中,及時調(diào)整實驗教學計劃,推陳出新,根據(jù)市場主流技術設計出新的實驗項目。此外,嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要屬于定制開發(fā),所開發(fā)的內(nèi)容往往取決于用戶的需求,針對性強。這就要求嵌入式開發(fā)人員對計算機、電子、軟件等技術的掌握更加完整。如果不通過實際動手開發(fā)一個簡單的應用系統(tǒng),將會很難了解嵌入式開發(fā)的基本過程和基本特點。所以說,實驗是掌握嵌入式技術最直接有效的辦法。
從以上描述可以看出,嵌入式教學除了要重視理論教學外,更加要注重實踐環(huán)節(jié),特別要強化實驗過程。在實際的實驗教學中,教師應以市場需求為導向,注重培養(yǎng)學生的實踐動手能力,所設計的實驗內(nèi)容應緊抓住以上兩個特點,要為學生日后從事嵌入式系統(tǒng)的研究和設計工作打下堅實的基礎。
嵌入式實驗會涉及到多門課程的知識,在這些課程中學生會使用多種工具,接觸到不同的軟硬件系統(tǒng),進行不同層次的軟硬件開發(fā)和設計。處理好這些課程之間的銜接關系,合理確定課程實驗的開設計劃是建立嵌入式實驗教學體系首要考慮的問題。正如在前期研究工作中提出的,嵌入式實驗教學應該堅持“熟悉、嘗試、開發(fā)”的實驗教學層次[1]?!笆煜ぁ彪A段的目的是使學生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程,掌握實驗開發(fā)工具的使用方法,熟悉產(chǎn)品的特點,從而激發(fā)學生的學習興趣;“嘗試”階段的目的是使學生掌握軟、硬件平臺的設計方法,鍛煉他們的實踐能力,從而達到“軟硬兼施”的教學目的;“開發(fā)”階段的目的是使學生能夠綜合運用所學課程知識進行初步的系統(tǒng)級設計,從而培養(yǎng)學生獨立思考與設計的創(chuàng)新能力和相互協(xié)作的團隊精神。按照這個思路,嵌入式實驗中的課程可以按照“由淺到深”的銜接關系分為以下三個部分:
(一)含基礎實驗的課程
這個部分的課程在嵌入式教學體系中應該屬于學科基礎知識,學生主要學習與本學科相關的電學、計算機等基礎課程,如嵌入式程序設計、電路分析基礎、普通物理、模擬電子技術、數(shù)字電子技術和工程制圖等,學習這些課程的目的是為后續(xù)專業(yè)知識的學習打下基礎。這個部分的實驗也由這些課程的常規(guī)實驗組成,如C語言程序設計實驗、簡單電子系統(tǒng)設計實驗等。電學和計算機的實驗課程可以平行開設,但電學中的實驗需要注意電路分析基礎與電子技術等的先后關系。
(二)含專業(yè)實驗的課程
此部分的課程學習目的是使學生掌握嵌入式系統(tǒng)設計的基本理論、基本工具和基本方法。這個階段的課程可分為三個類別,即工具類,包括EDA技術等;信號與通信類,包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和通信原理等;計算機類,包括嵌入式操作系統(tǒng)、計算機組成與結構、單片機原理與應用和嵌入式微處理器等。這些課程的實驗按照由先到后的次序依次開設為:信號與系統(tǒng)→數(shù)字信號處理→通信原理;計算機組成與結構→單片機原理與應用→嵌入式微處理器→嵌入式操作系統(tǒng)。
(三)含綜合實驗的課程
對于嵌入式教學來說,這個部分的課程應該有較強的應用性、綜合性和設計性,主要包括嵌入式系統(tǒng)設計、嵌入式應用軟件開發(fā)、嵌入式中間件開發(fā)等。由于這些課程基本上都是建立在前階段課程的基礎上,彼此之間約束性不強,因此對于這些課程的實驗來說可以平行開設。
嵌入式實驗體系應該按照從底層到高層,從硬件到軟件,從平臺到應用[2]的思路來建設。因此在設計嵌入式實驗環(huán)境時應該考慮嵌入式實驗教學硬件平臺的選擇、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇以及嵌入式應用平臺的選擇等多個方面的內(nèi)容。
(一)嵌入式實驗教學硬件平臺的選擇
嵌入式技術的應用性強,其發(fā)展與市場需求聯(lián)系緊密,嵌入式微處理器往往很大程度上決定了整個嵌入式系統(tǒng)的性能。因此,選擇嵌入式實驗教學硬件平臺的首要原則是“選用主流的微處理器”。目前市場常見的微處理器很多,比如ARM、Rambus、MIPS等。其中以ARM為代表的32位處理器功能強大,應用靈活,是嵌入式技術發(fā)展的主流,目前ARM的市場占有率居第一位,被廣泛應用于智能家電、手機、汽車電子、機頂盒等方面。市場上以ARM芯片為核心的實驗設備很多,不僅價格上可以滿足學校的要求,還可以得到廠商較好的技術支持,所以當前選擇嵌入式實驗教學硬件平臺應以ARM微處理器為主,輔以其他芯片。其次,由于嵌入式系統(tǒng)的應用領域廣,選擇一款合適的實驗平臺,除了看其所使用的微處理器外,重要的就是該平臺所支持的功能模塊多少以及它的可擴展性。為了讓學生能接觸更多的嵌入式應用場合,所選擇的實驗平臺要能夠提供盡可能多的硬件資源[3]。
(二)嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂,它決定了嵌入式產(chǎn)品的生命周期與特點。常用的嵌入式操作系統(tǒng)有μC/OSII、WinCE、Linux和VxWorks等,其中μC/OS-II、Linux屬于開放源代碼的操作系統(tǒng),應用較廣;而VxWorks、WinCE則是商業(yè)性的嵌入式操作系統(tǒng)。由于其開源性,目前許多高校的嵌入式理論教學中講授內(nèi)容以Linux為主,對應地,也都選擇Linux作為實驗對象,設計了比較典型的Linux環(huán)境下實驗項目。為拓寬學生的知識面,也可以配套選擇μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II同樣也是一個開放源代碼的實時操作系統(tǒng),它采用C語言和匯編語言編寫而成,結構簡潔,適合實驗教學。兩者相互配合構成的實驗軟件平臺可以完成大部分日常教學實驗,能使學生了解操作系統(tǒng)的基本結構和基本概念,掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的技巧和方法。
(三)嵌入式應用平臺的選擇
“應用”是嵌入式系統(tǒng)的最終目標,因此在嵌入式實驗環(huán)境的設計中應該考慮嵌入式應用平臺的選擇。就目前的嵌入式實驗教學實際情況而言,最好的應用平臺應該是各種大型的嵌入式學科競賽活動。學生可以在這些大賽中鍛煉實際應用能力,拓寬專業(yè)視野,發(fā)現(xiàn)不足。同時這些嵌入式大賽還可以讓高校學生了解和掌握市場的最新技術,為他們走入社會做好準備[4]。
嵌入式教學中應該科學設置實驗和項目內(nèi)容。實驗內(nèi)容的選擇應該由淺入深,首先應該安排基本技能訓練實驗。目的是鍛煉學生的基本技能、基本設計思路,使他們掌握系統(tǒng)設計與測試的基本方法,熟悉基本設備和軟件的使用方法,為后續(xù)實驗和設計打下基礎。特別要注意的是,這一階段的實驗內(nèi)容設定應該遵循由淺入深的原則,先給學生安排一些任務較小,實驗原理不太復雜,實驗過程比較直觀,同時又比較容易實現(xiàn)的實驗,這樣做的目的是為了激發(fā)學生學習的興趣,避免在整個嵌入式實驗初期使學生產(chǎn)生畏難心理和抵觸心理。這個階段比較典型的實驗主要包括典型的電子技術實驗、常見C語言實驗、常用命令實驗、嵌入式操作系統(tǒng)下編程環(huán)境實驗、進程通信實驗、ARM指令實驗等。這些實驗相對簡單,屬于驗證性實驗,比較容易實現(xiàn)。在這些實驗過程中,應該對學生嚴格要求,使他們養(yǎng)成良好的實驗習慣,為后續(xù)實驗打下基礎。
其次應該安排設計性的內(nèi)容和項目,給學生發(fā)揮的空間,鍛煉學生獨立思考,獨立解決問題的能力。該階段的實驗知識點涵蓋所學多門課程的綜合知識,涉及到的知識面比較廣,主要有:Linux下驅(qū)動程序開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)下利用多線程實驗、CAN總線實現(xiàn)多點通信實驗、socket實現(xiàn)網(wǎng)絡間主機通信實驗、根文件系統(tǒng)的制作實驗、無線局域網(wǎng)通信實驗、嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪移植、交叉編譯環(huán)境的建立、嵌入式Linux下程序開發(fā)和編譯技術以及嵌入式Linux下基本驅(qū)動原理及其實現(xiàn)等[5]。相比前一階段的實驗而言,這些實驗難度有所加大,要求學生對清楚掌握所學的原理和方法,能綜合運用這些知識解決問題,特別要求學生鍛煉其在多個環(huán)境下多門語言的編程能力。這階段的實驗主要鍛煉學生的獨立思考和獨立完整完成簡單系統(tǒng)的能力。
再次,隨著專業(yè)知識內(nèi)容的深入,實驗內(nèi)容應該以綜合性、系統(tǒng)級的為主,目的是鍛煉學生綜合運用知識的能力、團隊協(xié)作精神。在這個階段,應該在工程和實際應用層面來要求學生,要引入和強調(diào)設計說明書、設計流程圖、開發(fā)進度表、軟件工程控制文檔、電路結構圖和測試報告等概念。在設置這個階段的實驗和項目內(nèi)容過程中,應該牢記嵌入式技術“以應用為中心”的特點,要以市場主流需求為導向,項目的選取要貼近市場實際。如果條件允許,要盡可能地選擇校企合作項目,或者聘請企業(yè)工程師來指導學生進行項目設計。
為了突出專業(yè)特點,鼓勵學生的專業(yè)特長培養(yǎng),在以上三個階段的實驗之外,還可以開設開放性、創(chuàng)新性嵌入式實驗,這部分實驗主要是針對那些學有余力并對嵌入式開發(fā)感興趣的學生。此類實驗支持學生自選制作題目、自擬方案、獨立自主的完成實驗項目的設計、組裝與調(diào)試,主要由學生在課外自己完成,實驗內(nèi)容可以是學生根據(jù)自己的興趣來設置,也可以由實驗老師來指定??沙闪iT的教師指導小組來負責審核學生設計方案的可行性、實用性,并在實驗過程中采取靈活方式對學生進行必要的指導。學生完成的實驗項目由指導小組進行評定。按創(chuàng)學分管理的有關規(guī)定,確定學生的成績。
嵌入式技術中的軟件與硬件結合緊密,實踐性強,其知識體系涉及到多個學科多門課程的內(nèi)容。嵌入式實驗教學中知識點覆蓋面廣,只有建立合理發(fā)嵌入式實驗教學體系,精心設計實驗教學環(huán)境,認真組織實驗教學內(nèi)容,才能取得良好的教學效果,培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)嵌入式應用型人才。
(注:本文系湖北經(jīng)濟學院法商學院教育教學研究項目研究成果,項目批準號:201101)
[1]田浩.嵌入式專業(yè)方向的教學特點與方法研究[J].湖北經(jīng)濟學院學報(人文社科版),2010,(10):163-164.
[2]聶曉文,肖堃,陸慶.嵌入式課程實驗體系教學改革探討[J].實驗科學與技術,2010,(4):78-80.
[3]張其亮,韓斌.“嵌入式系統(tǒng)”課程的實驗教學研究[J].實驗室研究與探索,2009,(28):132-133.
[4]游驊、顏歷、沈海,等.十年共同實踐 創(chuàng)新樹立產(chǎn)學研結合典范[J].計算機教育,2010,(9):156-158.
[5]俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實驗教學[J].實驗室研究與探索,2006,(7):741-745.