喻劍

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，上海 201804）

0 引言

2018年10月教育部、業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》[1]，意見(jiàn)要求高等學(xué)校面向工業(yè)界、面向世界、面向未來(lái)，加快培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才。要求培養(yǎng)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品和系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和服務(wù)能力。嵌入式系統(tǒng)是信息、控制學(xué)科大學(xué)生培養(yǎng)的一門(mén)重要課程，也是教學(xué)改革的重要實(shí)踐課程之一。從《意見(jiàn)》所提出的要求來(lái)看，現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在著一些問(wèn)題。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 對(duì)實(shí)驗(yàn)重視程度不夠，考核方式單一

雖然教育部號(hào)召國(guó)內(nèi)高校加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理，但實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃、資源配置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革等工作相對(duì)滯后，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍處于理論教學(xué)的附屬地位。同時(shí)由于學(xué)分的限制，長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)被設(shè)為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)而不是單獨(dú)的一門(mén)課程。從理論課中分出一些課時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，造成實(shí)驗(yàn)課時(shí)很少，內(nèi)容又多是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間很緊，沒(méi)有太多的時(shí)間進(jìn)行思考。而對(duì)于嵌入式課程來(lái)說(shuō)，重視課外實(shí)踐活動(dòng)及動(dòng)手能力的培養(yǎng)尤為重要[2]。

實(shí)驗(yàn)考核方法單一也影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)分低且沒(méi)有獨(dú)立的考核體系，一般只能通過(guò)平時(shí)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)評(píng)定學(xué)生的成績(jī)。這種考核無(wú)法客觀全面地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)情況，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)也無(wú)法發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性。以上的因素在客觀上造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)不重視，也影響了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性、主動(dòng)性。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式固化，學(xué)生參與度不高

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)占了大部分內(nèi)容。教師事先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，調(diào)試好硬件與代碼，在上課的時(shí)候先講解實(shí)驗(yàn)的原理、代碼結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)操作步驟，甚至進(jìn)行相關(guān)演示，然后學(xué)生逐步還原老師的實(shí)驗(yàn)步驟[3-4]。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于這種驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程一般比較順利，很容易完成，因此也造成部分學(xué)生不重視動(dòng)手參與。

1.3 教學(xué)設(shè)備專(zhuān)用，利用率低

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般使用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)Ｓ瞄_(kāi)發(fā)板。一方面實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格比較貴，因此更新周期長(zhǎng)[5-6]，有的甚至一套實(shí)驗(yàn)箱使用10多年。而嵌入式系統(tǒng)的軟硬件更新非常迅速，新的芯片、新的系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn)，客觀上造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容陳舊且與工程應(yīng)用相脫節(jié)。學(xué)生學(xué)完嵌入式系統(tǒng)后，參加實(shí)際工作還需要較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)。另一方面，專(zhuān)用的實(shí)驗(yàn)箱在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)以后就只能放在架子上，設(shè)備利用率低。而大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、各種比賽等需要嵌入式系統(tǒng)的場(chǎng)合，卻需要重新購(gòu)買(mǎi)類(lèi)似的設(shè)備，造成資源浪費(fèi)。

2 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教改探索

2.1 增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)比重，改進(jìn)考核方式

嵌入式系統(tǒng)是一門(mén)與實(shí)踐聯(lián)系非常緊密的課程，許多內(nèi)容只有通過(guò)實(shí)踐才能有深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)生認(rèn)真做好一個(gè)實(shí)驗(yàn)所能學(xué)到的東西甚至多于理論的教學(xué)。為此，將嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立出來(lái)，成立一門(mén)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課。一方面將課時(shí)數(shù)從課內(nèi)12學(xué)時(shí)調(diào)整為單獨(dú)17學(xué)時(shí)，另一方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上不再束縛于理論課的內(nèi)容，不再只是對(duì)理論內(nèi)容的簡(jiǎn)單驗(yàn)證。

在評(píng)價(jià)方式方面，我們實(shí)行了更加靈活、全面的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系。由于在部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容里增加了設(shè)計(jì)的要求，因此需要學(xué)生在課前進(jìn)行預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)代碼準(zhǔn)備，如果沒(méi)有進(jìn)行預(yù)先準(zhǔn)備那么實(shí)驗(yàn)就很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。新的考核方式不只是考核學(xué)生的出勤、課堂上聽(tīng)課的表現(xiàn)，還融入了課前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容，因此評(píng)價(jià)更全面。

2.2 分階段安排不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生參與度

按照培養(yǎng)卓越工程科技人才的要求，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，同時(shí)加強(qiáng)創(chuàng)新能力。為此，以17個(gè)學(xué)時(shí)（Arm Cortex M3）嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，將整個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程分為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。從易到難形成逐層遞進(jìn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境，學(xué)習(xí)軟硬件使用方法，了解基本的編程與調(diào)試過(guò)程。學(xué)生要求掌處理器芯片的基本特點(diǎn)、最小電路結(jié)構(gòu)、了解硬件環(huán)境的連接。掌握開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境的配置、工程的創(chuàng)建、項(xiàng)目文檔管理、程序的調(diào)試方法（斷點(diǎn)、存儲(chǔ)器察看、變量的跟蹤、程序全速運(yùn)行、跟蹤運(yùn)行、單步運(yùn)行、片內(nèi)外設(shè)的觀察與修改等）。

模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生將一兩個(gè)外部設(shè)備結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)稍復(fù)雜功能的能力。這些實(shí)驗(yàn)一方面要求學(xué)生掌握單個(gè)外部設(shè)備的使用方法。比如利用定時(shí)器輸出PWM實(shí)現(xiàn)功率控制、通過(guò)ADC獲取外部設(shè)備狀態(tài)、使用SPI實(shí)現(xiàn)用無(wú)線射頻模塊通信、通過(guò)Uart連接上位機(jī)，利用Labview實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的控制等。另一方面還要求學(xué)生能將多個(gè)外設(shè)模塊結(jié)合起來(lái)完成一個(gè)完整的功能。比如通過(guò)ADC獲取可調(diào)電阻的阻值，根據(jù)電阻值相應(yīng)的調(diào)整WM模塊輸出占空比達(dá)到調(diào)光的效果；或者使用外部中斷獲取用戶按鍵信息，根據(jù)按鍵的不同特征通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)射不同的數(shù)值，模擬發(fā)報(bào)機(jī)等功能。在這些實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要思考將多個(gè)功能結(jié)合起來(lái)的辦法，涉及參數(shù)傳遞，數(shù)值計(jì)算等內(nèi)容。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成一個(gè)復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)，所考驗(yàn)的除了各模塊的使用以外，還需要考慮各功能模塊之間搭接的時(shí)序關(guān)系，各線程之間的消息傳遞、數(shù)據(jù)交換、線程間的同步等。通過(guò)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于嵌入式系統(tǒng)將會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

2.3 開(kāi)發(fā)可靈活配置的模塊化教具，搭建開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、提高設(shè)備利用率

針對(duì)實(shí)驗(yàn)使用的開(kāi)發(fā)箱利用率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了模塊化的教具。在硬件平臺(tái)上不再采用一塊開(kāi)發(fā)板的形式，對(duì)板上的各功能模塊采取“模塊化分立，按需連接”的原則，一個(gè)模塊就是一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)接口的小板子，在使用的時(shí)候根據(jù)需要選擇不同的模塊，連接成一個(gè)完整的應(yīng)用硬件。為了充分考慮擴(kuò)展與連接的便捷性，各模塊使用通用板間連接端子進(jìn)行連接，學(xué)生可按需進(jìn)行拼裝并且功能管腳可選。為保證各模塊與主控芯片間在長(zhǎng)時(shí)間使用后還可以保證可靠連接，各模塊與主控板連接使用標(biāo)準(zhǔn)排線代替杜邦線，在外圍模塊上，根據(jù)模塊的連線特點(diǎn)，將接口定義為電源與信號(hào)兩類(lèi)，電源統(tǒng)一使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，信號(hào)接口也標(biāo)準(zhǔn)化為2P、4P、6P等幾個(gè)有限規(guī)格。為方便模塊的固定，防止一堆模塊雜亂擺放引起故障，所有模塊使用磁柱夾住固定在底板上。這樣既保證了擴(kuò)展的靈活性，也保證了實(shí)驗(yàn)的便捷性。硬件的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)使得教具不但能支持嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)也能支持創(chuàng)新項(xiàng)目等應(yīng)用，只要配置不同的模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不用應(yīng)用的支持。搭建開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使模塊化的教具既可以用于教學(xué)也可以用于其它項(xiàng)目，提高了設(shè)備的利用率。同時(shí)由于模塊的價(jià)格便宜，易于更新。更換一個(gè)新的處理器系列，只需要更新處理器模塊就可以完成，因此可以很容易與業(yè)界的發(fā)展保持同步。

3 教改實(shí)踐

從 2019年起在本校的電科專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了試點(diǎn)性實(shí)驗(yàn)教改，從教改的效果上來(lái)看比較明顯。首先優(yōu)化和整合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，形成了從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)到綜合性設(shè)計(jì)逐步深入的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在各個(gè)不同的層次，關(guān)注的重點(diǎn)有所不同。教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，進(jìn)一步明確了學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，也極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。從學(xué)生的出勤率和實(shí)驗(yàn)的參與程度來(lái)看，經(jīng)過(guò)教學(xué)改革，學(xué)生對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)課程的重視程度有了很顯著的提升，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生了較濃厚的興趣，設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能、創(chuàng)新能力都得到了提高。另一方面，所開(kāi)發(fā)的模塊化教具，在嵌入式系統(tǒng)、模塊化電子設(shè)計(jì)等課程中可以打通使用，同時(shí)也支持了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，極大的提高了設(shè)備的利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的迫切需要。通過(guò)教學(xué)改革，理清了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展思路；增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比重，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，形成多層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)踐證明，提高了嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。另外通過(guò)自研模塊化教學(xué)用具，提高了教具的利用率，同時(shí)使教具更新更容易，以跟上技術(shù)的快速發(fā)展，更符合新的學(xué)生培養(yǎng)要求。