嵌入式系统教学中的若干问题与对策分析

王 恒，桑元俊

(1、南京航空航天大学金城学院，江苏南京 211156;2、上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

嵌入式系统(Embedded Operating System)按照美国电气和电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)定义为:用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。

嵌入式系统作为一种专用的计算机系统，或者作为设备或装置的一部分。其软硬件设计就是微处理器的应用设计。

随着嵌入式系统应用的广泛深入，对掌握其技术设计的人才需求量日益旺盛。国内外高校也纷纷开设了相关嵌入式系统设计的课程体系，或者嵌入式方向的课程群，来培养各个层次的嵌入式系统设计人才［1］。

对于嵌入式系统，研究生、本科生、专科生，甚至中、小学生都在学习、研究与应用。所以，嵌入式人才是分层次的。高校针对本科生、研究生的嵌入式系统设计的培养，则是瞄准高级应用型嵌入式系统人才层次。

高级嵌入式系统的人才培养中“高级”的含义需要澄清:随着嵌入式微处理器的发展，“高级”的含义也是一直在变化的。一般来说，微处理器功能越复杂，其对设计人员的能力需求就越高级。目前，社会普遍认为基于ARM微处理器的嵌入式系统设计需求较为复杂、高级，但是这不能保证后续的发展，嵌入式系统的研究与人才培养还是要以发展的眼光来看待。基于上述关于现今嵌入式系统的社会需求与发展，各大院校在开设单片机教学、DSP教学和FPGA教学外，也纷纷开设了基于ARM的嵌入式系统设计的相关课程或课程群［2］。

我校作为培养应用型人才的高校，嵌入式系统的教学和研究一直是我校的特色之一。早在2009年面向自动化、测控技术及仪器等三个专业就开设了“ARM控制器实用技术”课程。在基于ARM控制器的嵌入式系统教学中，我们遇到了若干问题。

1 存在的问题

我校在基于ARM控制器的嵌入式教学实践中出现的问题分为两类。一类是和其他课程出现的问题相同或者相似，称之为共性问题;另一类是ARM控制器教学特有的问题，称之为特性问题。针对共性问题，因为是这些课程普遍存在的问题，可以根据其他课程的教学实践经验结合本课程来解决;针对特性问题，因为是ARM教学特有的问题，只能根据教学实践探索其最优的解决方案。

1.1 共性问题

具有共性问题的这类课程大部分教学均采用理论+实验的教学模式，产生的问题如下:

(1)理论教学内容难度较大:概念较多且抽象;教材不足，各章内容缺乏联系。

(2)实验内容设置简单，导致创造性不足，实验条件不足(实验时间少，设备不足，实验室开发程度不够等)，学校对实验教学不重视(学时少，工作量比重小)，教师自身工程实践经验不足。

这样导致的结果就是，学生在理论掌握上不够扎实，部分概念搞不清楚;在实践操作上表现为依赖实验说明书，动手能力与自主创造的能力欠佳，往往知其然而不知其所以然。这样学生难以达到系统级设计开发的能力要求。

1.2 特性问题

当学生对ARM控制器学习达到初步的认知后，能开始动手设计硬件电路、编制运行程序，并调试实现后，便可认为学生学习已经达到基本入门要求。后续的实践学习会突现该课程的特性问题:

(1)实际工程项目的ARM芯片应用涉及到大量硬件设计，且需在多层板上布线，线路信号多为高频信号，抗干扰设计需要着重考虑。

(2)目前ARM的教材内容一般为入门级的，而软件设计需要Linux等操作系统支持，且实际工程项目软件代码量也很庞大。

这样导致的结果就是，学生在初步掌握某一款基于ARM的微处理器的设计后，还无法应对实际工程项目，不管这个项目是人为设计出来的，还是实际客户需求的。我校的培养目标是能够初步应对简化的实际工程项目，这是该课程教学的难点。

2 相应对策

2.1 共性问题的对策

基于ARM的嵌入式系统的教学，在对待共性问题上，可以借鉴其他类似的课程的教学经验，比如单片机教学、PLC教学、甚至机械设计教学等。

课程设置方面，我校在单片机教学上有很好的经验，该课程除了理论教学+课程实验外，还增开了“接口技术”课程设计，供学生选修。实践证明，该课程设计的设置促进学生对单片机学习进一步融会贯通，初步达到社会单位关于单片机的实用要求。在ARM的教学上，我们也采用了课程设计的方式，但不是单独开课，而是让学生课后根据选题，3～5人一组，协作完成该课程设计。虽然增加了教师的工作，增加了学生的学习任务，但是这对学生掌握程度的提高帮助很大。

课程内容教学方面，借鉴其它课程采用的项目化教学方法［4］。该方法把课程内容设计为多个子项目，按照知识点对子项目进行分解教学，最后形成几个小型的完整项目。学生从这一学习过程中认知到课程各知识点的相关性并建立起项目或者系统的概念。我校的项目教学法，不仅仅局限在课程内容的项目化设计上，还以实际的工程项目流程来管理项目进展［2］。在教学中发现，项目教学法和系统教学法对培养学生理论联系实际的能力非常有效。学生不再认为课程知识是孤立、不切实际的。学生认识到该课程知识能解决实际工程问题，这就会激发他们浓厚的学习兴趣。

课程实践教学方面，采用开放实验室，通过自制设备和企业赞助设备等方式来增加学生实际动手的时间、空间，最终提高学生的实践动手能力。我校在2009年就开放一间160m2实验室作为学生创新实验室，教师自制基于STM32的教学开发设备，和基于S3C2410的教学开发仪器，并在授课时给学生讲解，从而激发学生自己设计一套开发套件或设备的兴趣。

2.2 特性问题的对策

基于ARM嵌入式系统的教学，由于其理论复杂性、强实践性都远远超过其他类似课程，因此需要采取如下多个措施。

(1)补充课程内容:三星公司的S3C2410控制器在三星公司网站上有非常丰富的设计内容，我们要求学生在下载阅读芯片datasheets后，还必须阅读User＇s Guide以及其他的设计文档。虽然英文文档对部分学生来说存在阅读困难，但是所获得的信息是现有教材极为重要的补充。这也培养学生在没有教材，或者没有合适教科书的时候，如何得到学习嵌入式芯片设计的途径。除此之外，也推荐学生参阅其它网络资源，有些嵌入式设计论坛提供的实践经验，也非常有价值［5］。

(2)学科竞赛、创新活动的参与:积极参与国家、企业发起的各种有关ARM的嵌入式竞赛、创新计划，学校组织培训学生积极参与。我校自动化系也自行组织了嵌入式竞赛，组织了多次校内的基于ARM的嵌入式设计大赛，旨在促进学生对实践和理论学习的热情。

(3)提高教师能力:教师的理论和工程能力对教学非常的重要，作为教学的补充，我报邀请国内外嵌入式设计专家来校作理论前沿讲座;也邀请企业的专家来做实际工程应用前沿报告。当然，更重要的是，鼓励教师积极参与企业的工程项目，成为双师型人才。

我校的教学实践表明，上述这些措施很大程度培养了学生自主学习能力，尤其是发现问题、解决问题的能力［6］。

3 其他建议

目前各大高校都注意到校企合作的重要性［7］。我校在校企合作过程中，发现企业对嵌入式人才需求的岗位设置和学校教学存在矛盾。

(1)企业实际系统设计岗位分割很细，要求具体。但是割裂了嵌入式系统设计中系统的概念，进入企业，嵌入式高级应用型人才或者复合型人才往往被分割成了螺丝钉式人才、专才。更严重的是，员工更换工作的时候，就发现他们只会就岗的一点知识，其他都不会。所以，学校就要强调培养学生系统的观念，不能像对口公司一样，简单培训就上岗，只会某个局域点。这与高校培养的高级应用型人才的目标不符合。

(2)高校教学还要重视理论基础知识。公司培训注重实际能力，虽然表面上实际能力得到了熟练化，但是应对复杂工程项目，员工没有基础知识的支撑，不能灵活应对，知其然，不知其所以然。学校在培养人才时要注意理论基础与实践并重，希望学生不要做浅层次的应用型人才，而要做高层次的应用型人才。

(3)要培养学生独立学习的能力。许多教学方法的改革，并不能整体提高学生的学习效果。比如慕课，对于学习能力强的人或者有主动学习能力的人，的确提供了更多的机会和选择，然而对于本身缺乏学习能力和热情的人，他们本身应对变化的能力就差，在这种改变中就显得更加措手不及。此外，在项目教学等起始阶段，学生学习兴趣还是很高的，感觉挺新鲜的，但是持续性不强，这促使我们去思考更多的问题。那就是外在的这些课程改革的方法究竟能解决多少问题，我们还需要进行更多的尝试。但是，我们认识到，学生的自主学习能力是不能忽视的方面，这个能力不仅仅影响嵌入式系统的学习，在任何课程学习中均有重要意义。

4 结语

基于ARM的嵌入式系统的教学任重而道远，需要不断地进行教学改革去完善。改革的终极目的不仅仅是让这门课程内容更加清晰明了、简单易懂，更重要的是，要培养学生自主学习的习惯和能力，让他们自己能去主动学习掌握嵌入式系统方面的知识。即使学生在走上社会岗位后，随着新的嵌入式知识的更新，他们也能利用在学校时培养的能力，去比较轻松地应对。这是我们课程教学改革的终极目的。

［1］王丽，张燕，王恒.单片机原理及应用［M］.北京:国防工业出版社，2014.

［2］凌明，刘昊，时龙兴.关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考［J］.南京:电气电子教学学报，2007，S1):94-6+106.

［3］汪湛清，彭熙伟，郭玉洁，等.嵌入式系统实验教学中的挑战问题［J］.上海:实验室研究与探索，2013，11):364-6+92.

［4］冀常鹏，马飞，徐维.项目驱动的嵌入式系统教学改革［J］.南京:电气电子教学学报，2011，06):26-7+45.

［5］刘森，慕春棣.自动化专业的嵌入式系统教学探讨［J］.北京:实验技术与管理，2007，01):115-7.

［6］罗怡桂.基于问题解决的嵌入式系统实验教学实践［J］.上海:实验室研究与探索，2012，10):377-9.

［7］周俊，雷家勇，颜为向.校企共建实验室运行机制研究与实践［J］.北京:实验技术与管理，2013，11):234-6+46.