徐 偉

（青海師范大學，西寧 810001）

從上世紀90年代開始到現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)廣泛應用在航空航天、車載電子、科研教學、交通管理、環(huán)境工程與工業(yè)控制等領域。2018年國家重大科技專項中提到“攻克智能終端嵌入式CPU 和操作系統(tǒng)的高性能低功耗等核心關鍵技術”的發(fā)展規(guī)劃，深度地推進嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結構戰(zhàn)略性調(diào)整和優(yōu)化升級，推進行業(yè)技術創(chuàng)新和技術進步，促進嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的重大發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)行業(yè)重大發(fā)展背后是行業(yè)的相關企業(yè)對人才巨大的需求。因此高校對嵌入式系統(tǒng)應用型人才的培養(yǎng)也日益重視，許多院校紛紛開設了嵌入式系統(tǒng)課程。但是目前高校輸送的人才與企業(yè)需要的人才相差甚遠，甚至相當數(shù)目的相關專業(yè)畢業(yè)生連嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境都難以順利搭建。因此我們急需在嵌入式系統(tǒng)的課程設計上做出修改，夯實學生基礎知識，提高學生的工程能力和創(chuàng)新能力，使畢業(yè)生能夠滿足行業(yè)企業(yè)技術發(fā)展需求。

1 現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)教學存在的主要問題

（1）學生在理論方面學習困難。由于該課程涉及的知識點較多，許多概念抽象，學生學習難度大。教學中存在理論環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)脫節(jié)，達不到的理論與實踐相輔相成的教學效果。比如一些學校在此課程教學中使用的理論教材幾乎每章節(jié)都是針對ARM 芯片開展的，但是學生的動手實驗卻幾乎只針對的操作系統(tǒng)層面以及應用程序方面，顯出嚴重的脫節(jié)。在學習中，學生難以將理論和實踐聯(lián)系起來，而且在教學中等于變相增加學習難度，學習興趣也被打擊。

（2）雖然許多高校的實驗設備配置較高，但實驗課程的設計主要是驗證性實驗，缺乏自主動手設計性實驗，綜合性開發(fā)實驗則更少。學生在實驗課上難以自己動手設計和制作實驗項目，缺乏主動參與的環(huán)節(jié)，無法調(diào)動其積極性，難以真正熟悉和掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程[1、2]。

（3）雖然實驗教學涉及面較廣，但單個實驗內(nèi)容的設計卻彼此孤立，實驗項目單一，沒有系統(tǒng)性地設計出一套實驗教學課程，來幫助學生逐步深入地進行實驗。

（4）多數(shù)高校本課程開設時間不長，課程建設不完善，多數(shù)教師無項目經(jīng)驗，教師的項目培訓機會也很少。目前僅有的培訓幾乎都來自實驗設備廠家的短期培訓，并且培訓內(nèi)容也只針對學校已購買設備的使用而不是項目開發(fā)。教師自己動手開發(fā)項目經(jīng)驗主要依賴教師自己摸索實踐[3]。

（5）在結束實驗教學環(huán)節(jié)后，教師通過對學生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學生在實驗過程中僅驗證實驗指導書上的步驟以及代碼，并沒有深入理解底層硬件（包括外圍設備）、驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和軟件編程之間的關聯(lián)性，沒有真正掌握嵌入式系統(tǒng)的設計方法，甚至整個教學結束后也無法進行軟硬件結合的嵌入式系統(tǒng)完整開發(fā)[4]。學生也不能明白企業(yè)項目開發(fā)原則和方法。有相當數(shù)量的學生經(jīng)過一學期的嵌入式系統(tǒng)課程學習后，既不能清楚地說出實驗環(huán)境的主要軟硬件設備和工具，也不能獨立搭建一個完整的開發(fā)環(huán)境。

因此目前多數(shù)高校的嵌入式系統(tǒng)在實驗教學中未能取得明顯的教學效果。

2 改進的措施

2.1 理論教學課程設計

本教學方案是以實驗教學為主，理論教學是實驗教學的基礎。理論課程設計與實驗教學課程設計相配合，并為實驗教學服務。到本課程開課時，學生已完成一系列軟硬件課程的學習。本課程需要的許多理論知識早已在前期課程中有不同程度的學習。因此理論教學環(huán)節(jié)中，教師針對學生的基礎以及此課程所需要的深度合理分配課時。筆者按照我校的教學安排（整個嵌入式系統(tǒng)的教學共計72學時），以24課時講授嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、交叉編譯工具、BootLoader 以及內(nèi)核移植、編程語言（我們使用C 語言）驅(qū)動開發(fā)、以及Android 圖形設計簡介理論知識環(huán)節(jié)，剩下48課時集中于實驗教學。許多理論知識對于學生來說需要在實驗課上將其深入吸收。

2.2 實驗教學課程設計

實驗教學是嵌入式系統(tǒng)教學的重點。實驗教學的目的不是停留在驗證性實驗上，而是學生能夠自己設計并完成一些創(chuàng)新性實驗。實驗教學的平臺是億創(chuàng)宏達公司的Cortex-A9綜合實驗實訓系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性較高的課程，它涉及的知識較廣。若學生在本門課程學習結束后能夠達到上述的教學目的，那么學生不但借助本門課程將本專業(yè)的基礎知識深入地復習和深刻地領會，增強了本專業(yè)的學習興趣，而且提升了個人的工程項目開發(fā)能力和綜合“實戰(zhàn)”能力。

實驗教學分為三部分，第一部分是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建和驗證性實驗教學部分。此實驗教學部分共計26課時，重視理論和實踐的結合。第二部分是教師進行案例實驗教學，共12課時。教師通過一個綜合案例進行教學演示，學生跟著教師一步一步動手學習。第三部分是綜合設計性實驗教學，此部分共計10課時，由學生自主完成，教師對其指導。

（1）在驗證性的實驗教學中，每兩個學生為一組共同完成。教師指導學生在Cortex-A9綜合實驗實訓系統(tǒng)上快速搭建并熟悉嵌入式開發(fā)環(huán)境，此后進入具體的驗證性實驗項目。此部分的驗證性實驗能夠綜合認識嵌入式系統(tǒng)，產(chǎn)生學習興趣。驗證性實驗在已有的實驗框架下幫助學生掌握實驗原理和操作要領，讓學生學習實驗操作中的一些基本技能和實驗步驟，為后續(xù)的設計性實驗奠定基礎。教師針對每個驗證性實驗的關鍵點突出講解，引導學生掌握實驗的重難點。本階段實驗教學的考核方式是教師根據(jù)每組實驗結果和回答老師提出的針對性問題進行評判，以檢驗學生對實驗的掌握程度[2]。表1羅列了具體驗證性實驗和每個實驗的教學課時安排。

表1 驗證性實驗表

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（2）案例教學。案例教學是以實際案例代替純理論講解，是引導學生對特定工程背景的教學內(nèi)容進行分析、討論并找出問題解決途徑的一種教學方式，它是培養(yǎng)學生獨立分析及處理問題的一種有效手段[5]。

在案例教學中，筆者使用一個自己設計的溫度和距離檢測系統(tǒng)來進行教學。此案例分為Android Studio 開發(fā)的顯示與控制APP 客戶端軟件，以及由溫度檢測模塊、Wi-Fi 通信模塊、超聲波測距模塊以及蜂鳴器模塊組成的嵌入式系統(tǒng)服務器?？蛻舳塑浖到y(tǒng)與服務器通過Wi-Fi 模塊連接通信。服務器上的溫度檢測模塊與測距模塊只要有數(shù)據(jù)變動，在手機上的客戶端軟件上立即有數(shù)據(jù)顯示出來，這樣可以做到實時監(jiān)控。如果溫度檢測或者距離檢測超出設定的范圍，客戶端立即會有提示，觀測人員可以通過客戶端報警按鍵給服務發(fā)送報警信號，嵌入式服務器的蜂鳴器模塊將立即報警。圖1是案例教學的功能示意圖。

圖1 溫度距離檢測系統(tǒng)功能示意圖

此部分教學中客戶端APP 軟件的開發(fā)是重點也是難點，筆者使用7個課時來完成Android studio 軟件環(huán)境的搭建，客戶端界面的設計，以及界面底層程序的開發(fā)和調(diào)試。界面一（圖2）為實時顯示和控制。界面二（圖3）為后臺連接，設置服務器的ip 地址和端口號。客戶端使需要創(chuàng)建Socket 套接字，使用多線程來讀取服務器端的TCP 通信數(shù)據(jù)，使用handler 機制對讀取到的溫度和距離數(shù)據(jù)做處理。

圖2 軟件顯示控制界面

圖3 后臺連接界面

服務器端的教學使用5課時來完成。服務器的四個模塊在驗證性實驗中已經(jīng)讓學生掌握了，因此本部分教學重點不再是各模塊的原理和基本步驟，而是各模塊與手機客戶端的通信。筆者使用TcpReceiveCmd（）來實現(xiàn)監(jiān)控解析APP 端發(fā)出的請求溫度值或測距值；使用TCP 服務器發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)TcpSendData（）實現(xiàn)打包上傳溫度值和距離值；使用getUltrasonicDistance（）實現(xiàn)對超聲波數(shù)據(jù)計算；使用get18B20Temperature（）獲取DS18B20溫度傳感器的溫度值。服務器底層程序中的設計關鍵點有：創(chuàng)建socket 套接字，組裝數(shù)據(jù)包，發(fā)送請求幀，接受客戶端TCP 數(shù)據(jù)請求并解析以及處理數(shù)據(jù)并處理客戶端的界面顯示。以上部分都是在教學中的關鍵點。圖4是實驗箱在案例教學中的展示，圖5顯示教學中使用的超聲波測距模塊和溫度模塊。

（3）綜合設計性實驗是在已有的驗證性實驗和實驗案例教學的基礎上，結合學生以前所學的理論知識和實驗經(jīng)驗進行拓展。此部分實驗中規(guī)定3-5學生為一組，每組單獨完成一個實驗項目。學生們在各個小組自己動手設計實驗中，獨立設計系統(tǒng)方案，編程程序，集成調(diào)試，并編寫文檔[2、6、7]。表2是教學中給每個小組可參考的動手實現(xiàn)項目。

圖4 實驗箱

圖5 超聲波模塊和溫度模塊

表2 綜合設計性實驗列表

綜合設計性實驗的設計導向是工程實踐。在教學中，教師對每個實驗小組的項目及時指導，鼓勵各小組使用課程中沒有講解過的軟硬件模塊。

此部分實驗的考核也是重點?？己私Y果根據(jù)基本設計要求、實驗結果以及各個拓展部分來進行評判。考核中鼓勵學生實現(xiàn)多線程功能、開發(fā)手機端App 或者QT 圖形界面、集成更多的功能模塊等等。每個實驗小組的考核分數(shù)由指導老師和其他各組同學打分組成，比例各占50%。每個小組錄制一段演示視頻，說明自己項目的功能和特點作為考核的材料[6]。

完成自主設計實驗是學生學習此門課程教學的目的。自主設計實驗能夠?qū)⑺鶎W到的理論知識、基礎實驗知識綜合應用。自主設計實驗不但是教學內(nèi)容，其結果也作為學生此課程學籍成績的一部分，如此更加調(diào)動學生的積極性。

學生進行自主設計實驗可以體現(xiàn)其創(chuàng)新能力和實踐能力。鼓勵優(yōu)秀的設計性實驗項目小組繼續(xù)完善，積極申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，參加各級別的嵌入式設計大賽，甚至可以朝畢業(yè)設計的方向去開發(fā)。借助各種項目和比賽的拉動作用，學生的嵌入式動手設計能力能夠得到持續(xù)的提高[2]。筆者在教學中動員一些學生積極參加“博創(chuàng)杯”等嵌入式設計大賽，得到很好的鍛煉。

3 結束語

注重實驗教學，帶領學生完成綜合性設計實驗項目為目標的教學，有助于提升嵌入式系統(tǒng)教學的效果。注重設計性實驗的教學對于教師的教以及學生的學都有明顯的幫助，讓教師的教不再是課堂呆板的“滿堂灌”，學生被動聽；也改變了學生雖然在上機做實驗但仍然懵懵懂懂的教學效果。學生不但將本課程的理論知識熟練掌握，而且能借助此門課程完成本專業(yè)一系列知識集中復習和實踐，培養(yǎng)項目開發(fā)的能力。