王 恒，桑元俊

(1、南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 211156;2、上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Operating System)按照美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)定義為:用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置。

嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或者作為設(shè)備或裝置的一部分。其軟硬件設(shè)計(jì)就是微處理器的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛深入，對(duì)掌握其技術(shù)設(shè)計(jì)的人才需求量日益旺盛。國(guó)內(nèi)外高校也紛紛開(kāi)設(shè)了相關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程體系，或者嵌入式方向的課程群，來(lái)培養(yǎng)各個(gè)層次的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才［1］。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，研究生、本科生、?？粕?，甚至中、小學(xué)生都在學(xué)習(xí)、研究與應(yīng)用。所以，嵌入式人才是分層次的。高校針對(duì)本科生、研究生的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的培養(yǎng)，則是瞄準(zhǔn)高級(jí)應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)人才層次。

高級(jí)嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)中“高級(jí)”的含義需要澄清:隨著嵌入式微處理器的發(fā)展，“高級(jí)”的含義也是一直在變化的。一般來(lái)說(shuō)，微處理器功能越復(fù)雜，其對(duì)設(shè)計(jì)人員的能力需求就越高級(jí)。目前，社會(huì)普遍認(rèn)為基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求較為復(fù)雜、高級(jí)，但是這不能保證后續(xù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究與人才培養(yǎng)還是要以發(fā)展的眼光來(lái)看待。基于上述關(guān)于現(xiàn)今嵌入式系統(tǒng)的社會(huì)需求與發(fā)展，各大院校在開(kāi)設(shè)單片機(jī)教學(xué)、DSP教學(xué)和FPGA教學(xué)外，也紛紛開(kāi)設(shè)了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)課程或課程群［2］。

我校作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的高校，嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和研究一直是我校的特色之一。早在2009年面向自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)及儀器等三個(gè)專業(yè)就開(kāi)設(shè)了“ARM控制器實(shí)用技術(shù)”課程。在基于ARM控制器的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，我們遇到了若干問(wèn)題。

1 存在的問(wèn)題

我校在基于ARM控制器的嵌入式教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題分為兩類。一類是和其他課程出現(xiàn)的問(wèn)題相同或者相似，稱之為共性問(wèn)題;另一類是ARM控制器教學(xué)特有的問(wèn)題，稱之為特性問(wèn)題。針對(duì)共性問(wèn)題，因?yàn)槭沁@些課程普遍存在的問(wèn)題，可以根據(jù)其他課程的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本課程來(lái)解決;針對(duì)特性問(wèn)題，因?yàn)槭茿RM教學(xué)特有的問(wèn)題，只能根據(jù)教學(xué)實(shí)踐探索其最優(yōu)的解決方案。

1.1 共性問(wèn)題

具有共性問(wèn)題的這類課程大部分教學(xué)均采用理論+實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，產(chǎn)生的問(wèn)題如下:

(1)理論教學(xué)內(nèi)容難度較大:概念較多且抽象;教材不足，各章內(nèi)容缺乏聯(lián)系。

(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置簡(jiǎn)單，導(dǎo)致創(chuàng)造性不足，實(shí)驗(yàn)條件不足(實(shí)驗(yàn)時(shí)間少，設(shè)備不足，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)程度不夠等)，學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不重視(學(xué)時(shí)少，工作量比重小)，教師自身工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足。

這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是，學(xué)生在理論掌握上不夠扎實(shí)，部分概念搞不清楚;在實(shí)踐操作上表現(xiàn)為依賴實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書，動(dòng)手能力與自主創(chuàng)造的能力欠佳，往往知其然而不知其所以然。這樣學(xué)生難以達(dá)到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的能力要求。

1.2 特性問(wèn)題

當(dāng)學(xué)生對(duì)ARM控制器學(xué)習(xí)達(dá)到初步的認(rèn)知后，能開(kāi)始動(dòng)手設(shè)計(jì)硬件電路、編制運(yùn)行程序，并調(diào)試實(shí)現(xiàn)后，便可認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)已經(jīng)達(dá)到基本入門要求。后續(xù)的實(shí)踐學(xué)習(xí)會(huì)突現(xiàn)該課程的特性問(wèn)題:

(1)實(shí)際工程項(xiàng)目的ARM芯片應(yīng)用涉及到大量硬件設(shè)計(jì)，且需在多層板上布線，線路信號(hào)多為高頻信號(hào)，抗干擾設(shè)計(jì)需要著重考慮。

(2)目前ARM的教材內(nèi)容一般為入門級(jí)的，而軟件設(shè)計(jì)需要Linux等操作系統(tǒng)支持，且實(shí)際工程項(xiàng)目軟件代碼量也很龐大。

這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是，學(xué)生在初步掌握某一款基于ARM的微處理器的設(shè)計(jì)后，還無(wú)法應(yīng)對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目，不管這個(gè)項(xiàng)目是人為設(shè)計(jì)出來(lái)的，還是實(shí)際客戶需求的。我校的培養(yǎng)目標(biāo)是能夠初步應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)化的實(shí)際工程項(xiàng)目，這是該課程教學(xué)的難點(diǎn)。

2 相應(yīng)對(duì)策

2.1 共性問(wèn)題的對(duì)策

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，在對(duì)待共性問(wèn)題上，可以借鑒其他類似的課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，比如單片機(jī)教學(xué)、PLC教學(xué)、甚至機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)等。

課程設(shè)置方面，我校在單片機(jī)教學(xué)上有很好的經(jīng)驗(yàn)，該課程除了理論教學(xué)+課程實(shí)驗(yàn)外，還增開(kāi)了“接口技術(shù)”課程設(shè)計(jì)，供學(xué)生選修。實(shí)踐證明，該課程設(shè)計(jì)的設(shè)置促進(jìn)學(xué)生對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)進(jìn)一步融會(huì)貫通，初步達(dá)到社會(huì)單位關(guān)于單片機(jī)的實(shí)用要求。在ARM的教學(xué)上，我們也采用了課程設(shè)計(jì)的方式，但不是單獨(dú)開(kāi)課，而是讓學(xué)生課后根據(jù)選題，3～5人一組，協(xié)作完成該課程設(shè)計(jì)。雖然增加了教師的工作，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)，但是這對(duì)學(xué)生掌握程度的提高幫助很大。

課程內(nèi)容教學(xué)方面，借鑒其它課程采用的項(xiàng)目化教學(xué)方法［4］。該方法把課程內(nèi)容設(shè)計(jì)為多個(gè)子項(xiàng)目，按照知識(shí)點(diǎn)對(duì)子項(xiàng)目進(jìn)行分解教學(xué)，最后形成幾個(gè)小型的完整項(xiàng)目。學(xué)生從這一學(xué)習(xí)過(guò)程中認(rèn)知到課程各知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)性并建立起項(xiàng)目或者系統(tǒng)的概念。我校的項(xiàng)目教學(xué)法，不僅僅局限在課程內(nèi)容的項(xiàng)目化設(shè)計(jì)上，還以實(shí)際的工程項(xiàng)目流程來(lái)管理項(xiàng)目進(jìn)展［2］。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目教學(xué)法和系統(tǒng)教學(xué)法對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力非常有效。學(xué)生不再認(rèn)為課程知識(shí)是孤立、不切實(shí)際的。學(xué)生認(rèn)識(shí)到該課程知識(shí)能解決實(shí)際工程問(wèn)題，這就會(huì)激發(fā)他們濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

課程實(shí)踐教學(xué)方面，采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)自制設(shè)備和企業(yè)贊助設(shè)備等方式來(lái)增加學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的時(shí)間、空間，最終提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。我校在2009年就開(kāi)放一間160m2實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，教師自制基于STM32的教學(xué)開(kāi)發(fā)設(shè)備，和基于S3C2410的教學(xué)開(kāi)發(fā)儀器，并在授課時(shí)給學(xué)生講解，從而激發(fā)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一套開(kāi)發(fā)套件或設(shè)備的興趣。

2.2 特性問(wèn)題的對(duì)策

基于ARM嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，由于其理論復(fù)雜性、強(qiáng)實(shí)踐性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他類似課程，因此需要采取如下多個(gè)措施。

(1)補(bǔ)充課程內(nèi)容:三星公司的S3C2410控制器在三星公司網(wǎng)站上有非常豐富的設(shè)計(jì)內(nèi)容，我們要求學(xué)生在下載閱讀芯片datasheets后，還必須閱讀User＇s Guide以及其他的設(shè)計(jì)文檔。雖然英文文檔對(duì)部分學(xué)生來(lái)說(shuō)存在閱讀困難，但是所獲得的信息是現(xiàn)有教材極為重要的補(bǔ)充。這也培養(yǎng)學(xué)生在沒(méi)有教材，或者沒(méi)有合適教科書的時(shí)候，如何得到學(xué)習(xí)嵌入式芯片設(shè)計(jì)的途徑。除此之外，也推薦學(xué)生參閱其它網(wǎng)絡(luò)資源，有些嵌入式設(shè)計(jì)論壇提供的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也非常有價(jià)值［5］。

(2)學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新活動(dòng)的參與:積極參與國(guó)家、企業(yè)發(fā)起的各種有關(guān)ARM的嵌入式競(jìng)賽、創(chuàng)新計(jì)劃，學(xué)校組織培訓(xùn)學(xué)生積極參與。我校自動(dòng)化系也自行組織了嵌入式競(jìng)賽，組織了多次校內(nèi)的基于ARM的嵌入式設(shè)計(jì)大賽，旨在促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)踐和理論學(xué)習(xí)的熱情。

(3)提高教師能力:教師的理論和工程能力對(duì)教學(xué)非常的重要，作為教學(xué)的補(bǔ)充，我報(bào)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外嵌入式設(shè)計(jì)專家來(lái)校作理論前沿講座;也邀請(qǐng)企業(yè)的專家來(lái)做實(shí)際工程應(yīng)用前沿報(bào)告。當(dāng)然，更重要的是，鼓勵(lì)教師積極參與企業(yè)的工程項(xiàng)目，成為雙師型人才。

我校的教學(xué)實(shí)踐表明，上述這些措施很大程度培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，尤其是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力［6］。

3 其他建議

目前各大高校都注意到校企合作的重要性［7］。我校在校企合作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)企業(yè)對(duì)嵌入式人才需求的崗位設(shè)置和學(xué)校教學(xué)存在矛盾。

(1)企業(yè)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)崗位分割很細(xì)，要求具體。但是割裂了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的概念，進(jìn)入企業(yè)，嵌入式高級(jí)應(yīng)用型人才或者復(fù)合型人才往往被分割成了螺絲釘式人才、專才。更嚴(yán)重的是，員工更換工作的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)他們只會(huì)就崗的一點(diǎn)知識(shí)，其他都不會(huì)。所以，學(xué)校就要強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的觀念，不能像對(duì)口公司一樣，簡(jiǎn)單培訓(xùn)就上崗，只會(huì)某個(gè)局域點(diǎn)。這與高校培養(yǎng)的高級(jí)應(yīng)用型人才的目標(biāo)不符合。

(2)高校教學(xué)還要重視理論基礎(chǔ)知識(shí)。公司培訓(xùn)注重實(shí)際能力，雖然表面上實(shí)際能力得到了熟練化，但是應(yīng)對(duì)復(fù)雜工程項(xiàng)目，員工沒(méi)有基礎(chǔ)知識(shí)的支撐，不能靈活應(yīng)對(duì)，知其然，不知其所以然。學(xué)校在培養(yǎng)人才時(shí)要注意理論基礎(chǔ)與實(shí)踐并重，希望學(xué)生不要做淺層次的應(yīng)用型人才，而要做高層次的應(yīng)用型人才。

(3)要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。許多教學(xué)方法的改革，并不能整體提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。比如慕課，對(duì)于學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的人或者有主動(dòng)學(xué)習(xí)能力的人，的確提供了更多的機(jī)會(huì)和選擇，然而對(duì)于本身缺乏學(xué)習(xí)能力和熱情的人，他們本身應(yīng)對(duì)變化的能力就差，在這種改變中就顯得更加措手不及。此外，在項(xiàng)目教學(xué)等起始階段，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣還是很高的，感覺(jué)挺新鮮的，但是持續(xù)性不強(qiáng)，這促使我們?nèi)ニ伎几嗟膯?wèn)題。那就是外在的這些課程改革的方法究竟能解決多少問(wèn)題，我們還需要進(jìn)行更多的嘗試。但是，我們認(rèn)識(shí)到，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是不能忽視的方面，這個(gè)能力不僅僅影響嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，在任何課程學(xué)習(xí)中均有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)任重而道遠(yuǎn)，需要不斷地進(jìn)行教學(xué)改革去完善。改革的終極目的不僅僅是讓這門課程內(nèi)容更加清晰明了、簡(jiǎn)單易懂，更重要的是，要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，讓他們自己能去主動(dòng)學(xué)習(xí)掌握嵌入式系統(tǒng)方面的知識(shí)。即使學(xué)生在走上社會(huì)崗位后，隨著新的嵌入式知識(shí)的更新，他們也能利用在學(xué)校時(shí)培養(yǎng)的能力，去比較輕松地應(yīng)對(duì)。這是我們課程教學(xué)改革的終極目的。

［1］王麗，張燕，王恒.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

［2］凌明，劉昊，時(shí)龍興.關(guān)于嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過(guò)程中幾個(gè)問(wèn)題的思考［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，S1):94-6+106.

［3］汪湛清，彭熙偉，郭玉潔，等.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的挑戰(zhàn)問(wèn)題［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，11):364-6+92.

［4］冀常鵬，馬飛，徐維.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，06):26-7+45.

［5］劉森，慕春棣.自動(dòng)化專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)探討［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，01):115-7.

［6］羅怡桂.基于問(wèn)題解決的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，10):377-9.

［7］周俊，雷家勇，顏為向.校企共建實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制研究與實(shí)踐［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，11):234-6+46.