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应用型本科计算机专业嵌入式系统课程教学改革方案研究

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俞翔杨庆曹欲晓钱瑛

摘要根据应用型本科院校产教融合的教育方针和计算机专业人才培养的特点，从理论教学和实践教学两方面探讨嵌入式系统课程教学改革方案。本方案主张理论推动实践，实践检验理论，通过优化教学内容、改进教学方法将实际项目的开发经验融入课堂，调动学生学习嵌入式系统的兴趣，鼓励学生参与各层次嵌入式系统设计竞赛，培养学生的工程综合实践能力，实现应用型本科人才的培养目标。

关键词计算机专业；嵌入式系统；教学改革；实践教学

中图分类号：G642.0文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0090-03

1引言

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能可靠性成本体积和功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。随着半导体技术和計算机技术的高速发展，嵌入式系统已经在军事领域、工业自动化、医疗仪器、智能家电、通信和消费类电子产品中有了非常广泛的应用。可以预见的是，不远的将来，嵌入式系统技术还将在人工智能和机器人领域大放异彩。受行业需求的带动，优秀的嵌入式系统软、硬件研发人才是目前社会较为紧缺的资源。因此，“嵌入式”培养方向正成为国内高校电子信息工程、自动化控制、计算机科学等专业的关注热点。

不同高校和专业对“嵌入式”培养方案的侧重点不尽相同。南京工程学院立足于学以致用，该院计算机工程系自2013年面向本科阶段，在多个计算机类专业中设立“嵌入式”培养方向，在嵌入式系统的教学与研究方面进行较为深入的实践与探索，获得一些有益经验。但嵌入式系统技术发展日新月异，教学实践中除了要引导学生掌握嵌入式系统的基础理论知识和系统开发的基本方法，更重要的是要让学生掌握嵌入式系统设计的思路和相关知识技术的迭代途径[2]。

本文将从教学内容、教学方式和实践教学环节三个角度，分析和讨论嵌入式系统课程的教学改进方案，提出以真实的企业项目为驱动的课程设计方法，从实际出发，让学生学以致用，激发学生的学习积极性，提高授课效率。

2教学内容设计

嵌入式系统的教学内容主要可以包含硬件设计和软件设计，选取的教学内容应该符合本科阶段的学习难度、课程学时以及可操作性。下面将分硬件和软件两部分讨论嵌入式系统教学内容的编排。

嵌入式系统硬件教学内容的设计系统硬件主要包括微处理器和外设等基本系统构架，这部分内容也正是这门课的起点。注重入门引导的作用，可以激发学生的学习兴趣和积极性。基于此，笔者会在这门课的开端给学生展示一些自制系统的硬件，再分块结合嵌入式系统的硬件构架一一讲解，如图1所示。结合实物分析理论，大多数学生能够较快进入创设的课堂情境中。微处理器是硬件部分的核心，其构架较为复杂和抽象。在讲述这部分内容的时候，笔者注意与学生已建立的知识体系（即51单片机和计算机组成原理）相结合，通过比较嵌入式微处理器与它们的共通之处，帮助学生理清学习思路，同时也体现出嵌入式微处理器架构的特点，强调处理器在各应用领域的应用中没有“最好”，只有“最合适”。这里还可以根据学生的兴趣穿插一些处理器选型的教学内容，增强学生处理实际工程问题的能力。

嵌入式系统的外设和外围电路，主要包括存储器、时钟、电路数据端口、复位电路和电源等，重点介绍能够支撑系统启动和运行的最小系统概念。除了告诉学生最小系统的组成单元，还可以从人的生理角度解释为什么嵌入式最小系统需要由这几个单元组成。比如一个系统要想正常运行，除了要有微处理器（大脑），还必须具备时钟电路（心跳）和电源电路（血压）等。外围电路的教学内容方面，重点放在电源、存储器、GPIO和串行通信接口等部分。

在分模块介绍硬件之初，就要通过一些案例向学生强调电源电路在系统中的重要性——好的电源电路就是好系统的一半。通过讲解电源的性能指标和典型电源模块，让学生明白如何根据需求设计电源电路；通过分析不同类型存储器的特点，告诉学生在项目中如何配置和扩展存储资源；通过讲解GPIO的复用功能，让学生直接体会“软件”到“硬件”的距离，消除计算机类专业学生对硬件的排斥，也为后续软件驱动的教学打下基础；串行通信接口的内容，通过对UART、IIC、SPI这三种较为经典和常用的串行总线电气规范及协议的讲解，让学生对设备通信的硬件基础有较透彻的了解。针对计算机专业学生硬件基础较为薄弱的特点，在介绍外围电路的理论基础上，还要补充嵌入式系统实际工程中经常遇到的电路问题，并让学生用理论知识判断问题的成因。

嵌入式课程软件设计教学内容的选取在修嵌入式系统课程之前，计算机相关专业的学生已经建立了较好的软件开发基础，具备了C、C++和Java等高级语言的编程基础。因此，嵌入式课程软件设计教学内容应该把重