论文部分内容阅读
【摘要】 嵌入式系统课程已经在各个高校开设，由于嵌入式课程教参差不齐，种类繁多，选择什么样的内容进行讲授和怎样进行嵌入式课程教学，一直是嵌入式教学中最重要的问题。本文针对这些问题联系自动化相关专业的实际情况，分析了该专业对嵌入式系统课程的要求，提出了一种适合一般本科院校自动化相关专业的嵌入式教学的内容和授课方法。
【关键词】 嵌入式；自动化；教学改革；教学方法
The Teaching Reform in Embeded System Course about Automation Majors
JIANG Jianchun1 ZENG Suhua2 CEN Ming1
【Abstract】Embeded system course has been set up in every university. The books about embeded system are different in content and variety, so it is difficult to select what to teach and how to teach. This paper analyzes the requirement of automation and other correlative majors about embeded system course, and put forwords one kind of content and way about teaching, which adapt to automation and other correlative majors.
【Keywords】Embeded;Automation;Teaching reform;Teaching way
【中图分类号】：G623.58【文献标识码】：A 【文章编号】：1009-9646(2008)04-0173-02
嵌入式系统是以嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成的一门新兴课程，它与单片机密切相关，是微机原理、数字
电路、操作系统等课程的后续课程，是软件和硬件设计的结合。随着嵌入式技术的发展和推广，嵌入式技术人才的需求也在迅速增加。嵌入式系统相关教学也已经在各个高校广泛的开展，得到了各个高校的高度重视，同时，嵌入式课程也是企业选拔人才的一个重要参考。但是，嵌入式系统教学既不同于单片机教学，也不同于一般的软件课程，它对软件和硬件的基础要求较高。要在极短的课时内将所有的嵌入式相关知识让学生掌握绝非易事。当前嵌入式相关教材教材种类繁多、参差不齐，从内容分布和难度上很难寻找到一本适合的教材，一般采取选择一本教参，再结合实际添加部分内容。因此在授课内容上各个学校各不相同。并且许多学校在嵌入式教学上用一些传统的教学方法进行讲授，学生接受起来比较困难，从而不愿学习，教学效果较差。因此怎样进行嵌入式课程教学和选择什么样的内容进行讲授，一直是嵌入式教学中最重要的问题。本文根据嵌入式课程的教学，联系自动化相关专业的实际情况，对嵌入式系统授课内容、授课方法、理论教学和实践教学等方面进行分析，提出了一种适合一般本科院校自动化相关专业的嵌入式教学内容和方法。
1 嵌入式教学内容的选择
嵌入式知识综合性较强，需要学生具备一些基本知识，因此在嵌入式课程的授课时间的安排上，必须安排在微机原理或单片机、接口技术、C语言编程、数字电路设计、操作系统等课程之后，一般安排在大三下学期较适宜。
在考虑怎样选择教学内容的时候，应先根据专业的特点制定嵌入式教学目标和教学大纲，也就是培养学生应具备怎样的能力，根据这个目标选择授课内容。根据自动化相关专业的特点，主要面向检测、控制、通信等领域的应用，因此在选择内容上以测控等相关的知识点为重点，如嵌入式硬件设计、嵌入式处理器接口、底层软件、操作系统、控制软件设计等。
1.1 嵌入式硬件。嵌入式课程主要包括两部分内容，软件和硬件。其知识结构图如图所示，硬件部分主要包括处理器知识和硬件设计。处理器知识一般包括处理器的结构、处理器的指令系统、处理其自带的外设种类及应用等内容，这部分内容是软件设计的基础。硬件设计一般包括最小系统设计、输入输出模块设计、人机交互模块设计（如键盘、显示器等）等内容。最小系统是嵌入式设备运行的基本条件，输入输出模块式嵌入式设备实现具体功能的通道，人机交互模块是外部操作和显示的接口。这些内容是一个嵌入式设备应基本具备的功能，如果掌握了这些硬件知识，学生可以独自进行一些简单的嵌入式硬件设计。
但是硬件知识都是以具体的处理器或者某一款开发平台为对象，通过对具体处理器的分析、相关的软硬件设计将嵌入式知识融入其中。因此，必须选择一款合适的CPU作为本课程的主线，然后展开教学。到底选择哪一种芯片才合适呢，现在流行的处理器非常多，应根据本专业的就业和社会需求来进行选择。比如自动化相关专业就业领域主要有控制、仪器仪表、通信产品设计等，针对这些情况选择一种在这些行业用得最多的处理器，目前用得最多的就是ARM系列芯片，有人把它比喻成32位中的C51，因此，可以选择用得最广泛和比较通用的ARM7或ARM9作为本课程的硬件主讲内容。但是要将整个处理器的内容都进行讲解，在授课时间上是不允许的，因此需要对处理器相关的内容进行筛选，每一类型的内容可以选择一种模块作讲解，特别是比较常用的模块，给学生一个引导，以达到触类旁通，培养其自己學习和解决类似问题的能力。
1.2 嵌入式软件。软件部分主要包括底层软件、操作系统、应用软件、图形界面等几方面。底层软件主要包括启动代码、底层驱动，是系统正常运行的最底层代码；操作系统是应用层软件和底层软件交互的中间层；应用软件主要是针对具体应用系统的功能性软件，如电机控制软件；图形界面是直接面向用户的最高层。这些内容囊括了嵌入式软件的各个层次，这样安排可以让学生对软件的结构和嵌入式软件的各个部分实现都有所了解，培养学生各层软件的编写和软件总体设计能力。
在操作系统的选择上，一般以简单易懂为原则，在有限的课时内掌握某种操作系统的应用，了解其内核结构。嵌入式操作系统种类也较多，常见的有WinCE、Linux、Vxworks、QNX、uC/OS等，其中适于学习的源代码开放的操作系统有Linux、uC/OS。Linux操作系统有层次结构且内核完全开发、网络功能强大、开发工具完整、有广泛的硬件支持等优势，但内核较复杂，代码量多，在极短的时间不易掌握和理解，可以单独开设一门课程进行讲授。而uC/OS操作系统源代码公开、内核结构简单易懂、易学、易用。因此，可以选择uC/OS作为这门课程的操作系统进行讲授。
2 嵌入式教学方法探讨
在确定了教学内容后，怎样将这些知识送到学生的大脑，达到教学的预期目的，在教学过程中就需要考虑教学方法。针对不同层次的学生，教学内容不同教学方法也应随之改变。从总体情况来看，大多数学生对嵌入式系统课程非常感兴趣，也想学好，想了解他们周围这些嵌入式设备到底是怎样设计的，怎样工作的。但他们在学习过程中遇到很多困难，包括教学内容的实际意义、教学的系统性、学习的目的等方面。有时他们对学习的内容和实际应用联系不起来，也就是学习内容和生活工作的内容脱节。有时他们在接触该课程时不知如何下手，该掌握哪些知识点，对社会需求也不熟悉。这不仅要求我们在进行嵌入式教学时，不仅要考虑嵌入式教学内容，还必须在教学方法方面进行探索。
人在认识事物的时候，往往是先从总体认识到细节认识，从外部深入内部。知道整个实现的功能后，就想要知道是怎样设计的，分成了哪些模块，每个模块的功能有哪些，内部是怎样工作的，工作原理又是怎样的，这些工作原理又涉及哪些知识。知道了这些知识后，是否又在想，要实现这些功能，还有没有其他的方法和设计呢？这和人在路途上行走一样，首先要确定行程的目的地，然后选择行程方式，是走路去还是其他交通工具，选择不同的交通工具是可能行径就不一样。同一种工具，根据成本要求还有不同的路径等。因此，我们在嵌入式教学时，是否可以首先给学生展示一些嵌入式应用的实例设备，让学生了解嵌入式系统的组成，可以实现的功能，让学生对嵌入式系统建立起感性认识。然后启发学生要实现这些功能需要哪些硬件，包括处理器的选择、外设的组成、接口知识，怎样去设计；要使这些硬件协调的工作起来，需要哪些软件，如系统启动、底层驱动程序、操作系统、图形界面接口、文件系统等，又怎样去实现这些软件。这样让学生对整个嵌入式设计的过程内容有一个整体认识，同时给他们提出了该门课程需要掌握哪些知识的要求。这样，由表及里、由粗到细使学生对嵌入式系统产生兴趣，然后进行各个部分的教学。
3 嵌入式理论教学和实践教学的分配
嵌入式系統不仅是一门综合性非常强的课程，而且实践性要求非常高。光有理论教学没有实践就像纸上谈兵，内
容抽象，学生掌握不深刻，很快就忘掉。因此理论教学必须配合以实验教学。但是怎样来安排理论教学和实践教学的关系以及所占学时比例一直是该门课程存在的问题。嵌入式课程按照一般的理论教学内容来看，一般包括软硬件基础、嵌入式系统总体设计、硬件设计、软件设计、底层软件编程、操作系统等内容，如果将这些内容都要详细讲解，至少需32学时。实践教学可以根据实验内容灵活安排，但是，嵌入式系统教学的实验不应重复单片机实验的内容，应具有综合性和创新性，并适当加入操作系统内容，让学生通过实验完成一个从开发环境、系统启动、底层编程、操作系统应用编程、图形界面等方面的系统完整的内容，估计16学时。
在实践教学的内容整体安排上，布置整个实验的系统要求，要在整个实验课程内在实验设备上完成一个实际的控制系统。然后再根据这个控制系统需要完成的实验内容进行安排实验。如完成一个带操作系统通过触摸屏菜单控制的电机自适应控制系统，那么可以将这个系统分成电机控制实验、触摸屏驱动编程实验、操作系统应用程序开发实验、传感器检测实验（包括A/D）和图形界面实验等内容，最后完成整个实验内容。同时，可以把学生分成几个不同控制系统的小组，小组成员可以相互讨论，共同完成。并且进行不同小组的结果评比，增强学生的好胜心和成就感，提高学生的兴趣。
4 结束语
嵌入式系统课程综合性和实践性都很强，不仅要求教师在授课内容要进行精心选择，还要在授课方法上进行探讨，以达到最好的教学效果。同时，嵌入式课程是一个系列课程，并不是一门嵌入式课程就可以完全解决所有嵌入式方面的问题，还必须从专业的整个课程建设进行规划。在嵌入式系统课程开始以前，应该开设单片机、接口技术、数字电路设计、软件工程、C语言程序设计、操作系统等课程，使嵌入式系统教学行程一个完整的系列。只有这样，嵌入式系统教学才能在有限的时间里达到预期的教学效果。
参考文献
[1] 李丽宏.《单片机原理及应用》课程教学改革尝试[J].太原理工大学学报,2001（2）：45-46．
[2] 周金和.电子信息工程专业嵌入式教学改革尝试[J].计算机教育,2007(12):43-45.
收稿日期：2008-3-24
【关键词】 嵌入式；自动化；教学改革；教学方法
The Teaching Reform in Embeded System Course about Automation Majors
JIANG Jianchun1 ZENG Suhua2 CEN Ming1
【Abstract】Embeded system course has been set up in every university. The books about embeded system are different in content and variety, so it is difficult to select what to teach and how to teach. This paper analyzes the requirement of automation and other correlative majors about embeded system course, and put forwords one kind of content and way about teaching, which adapt to automation and other correlative majors.
【Keywords】Embeded;Automation;Teaching reform;Teaching way
【中图分类号】：G623.58【文献标识码】：A 【文章编号】：1009-9646(2008)04-0173-02
嵌入式系统是以嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成的一门新兴课程，它与单片机密切相关，是微机原理、数字
电路、操作系统等课程的后续课程，是软件和硬件设计的结合。随着嵌入式技术的发展和推广，嵌入式技术人才的需求也在迅速增加。嵌入式系统相关教学也已经在各个高校广泛的开展，得到了各个高校的高度重视，同时，嵌入式课程也是企业选拔人才的一个重要参考。但是，嵌入式系统教学既不同于单片机教学，也不同于一般的软件课程，它对软件和硬件的基础要求较高。要在极短的课时内将所有的嵌入式相关知识让学生掌握绝非易事。当前嵌入式相关教材教材种类繁多、参差不齐，从内容分布和难度上很难寻找到一本适合的教材，一般采取选择一本教参，再结合实际添加部分内容。因此在授课内容上各个学校各不相同。并且许多学校在嵌入式教学上用一些传统的教学方法进行讲授，学生接受起来比较困难，从而不愿学习，教学效果较差。因此怎样进行嵌入式课程教学和选择什么样的内容进行讲授，一直是嵌入式教学中最重要的问题。本文根据嵌入式课程的教学，联系自动化相关专业的实际情况，对嵌入式系统授课内容、授课方法、理论教学和实践教学等方面进行分析，提出了一种适合一般本科院校自动化相关专业的嵌入式教学内容和方法。
1 嵌入式教学内容的选择
嵌入式知识综合性较强，需要学生具备一些基本知识，因此在嵌入式课程的授课时间的安排上，必须安排在微机原理或单片机、接口技术、C语言编程、数字电路设计、操作系统等课程之后，一般安排在大三下学期较适宜。
在考虑怎样选择教学内容的时候，应先根据专业的特点制定嵌入式教学目标和教学大纲，也就是培养学生应具备怎样的能力，根据这个目标选择授课内容。根据自动化相关专业的特点，主要面向检测、控制、通信等领域的应用，因此在选择内容上以测控等相关的知识点为重点，如嵌入式硬件设计、嵌入式处理器接口、底层软件、操作系统、控制软件设计等。
1.1 嵌入式硬件。嵌入式课程主要包括两部分内容，软件和硬件。其知识结构图如图所示，硬件部分主要包括处理器知识和硬件设计。处理器知识一般包括处理器的结构、处理器的指令系统、处理其自带的外设种类及应用等内容，这部分内容是软件设计的基础。硬件设计一般包括最小系统设计、输入输出模块设计、人机交互模块设计（如键盘、显示器等）等内容。最小系统是嵌入式设备运行的基本条件，输入输出模块式嵌入式设备实现具体功能的通道，人机交互模块是外部操作和显示的接口。这些内容是一个嵌入式设备应基本具备的功能，如果掌握了这些硬件知识，学生可以独自进行一些简单的嵌入式硬件设计。
但是硬件知识都是以具体的处理器或者某一款开发平台为对象，通过对具体处理器的分析、相关的软硬件设计将嵌入式知识融入其中。因此，必须选择一款合适的CPU作为本课程的主线，然后展开教学。到底选择哪一种芯片才合适呢，现在流行的处理器非常多，应根据本专业的就业和社会需求来进行选择。比如自动化相关专业就业领域主要有控制、仪器仪表、通信产品设计等，针对这些情况选择一种在这些行业用得最多的处理器，目前用得最多的就是ARM系列芯片，有人把它比喻成32位中的C51，因此，可以选择用得最广泛和比较通用的ARM7或ARM9作为本课程的硬件主讲内容。但是要将整个处理器的内容都进行讲解，在授课时间上是不允许的，因此需要对处理器相关的内容进行筛选，每一类型的内容可以选择一种模块作讲解，特别是比较常用的模块，给学生一个引导，以达到触类旁通，培养其自己學习和解决类似问题的能力。
1.2 嵌入式软件。软件部分主要包括底层软件、操作系统、应用软件、图形界面等几方面。底层软件主要包括启动代码、底层驱动，是系统正常运行的最底层代码；操作系统是应用层软件和底层软件交互的中间层；应用软件主要是针对具体应用系统的功能性软件，如电机控制软件；图形界面是直接面向用户的最高层。这些内容囊括了嵌入式软件的各个层次，这样安排可以让学生对软件的结构和嵌入式软件的各个部分实现都有所了解，培养学生各层软件的编写和软件总体设计能力。
在操作系统的选择上，一般以简单易懂为原则，在有限的课时内掌握某种操作系统的应用，了解其内核结构。嵌入式操作系统种类也较多，常见的有WinCE、Linux、Vxworks、QNX、uC/OS等，其中适于学习的源代码开放的操作系统有Linux、uC/OS。Linux操作系统有层次结构且内核完全开发、网络功能强大、开发工具完整、有广泛的硬件支持等优势，但内核较复杂，代码量多，在极短的时间不易掌握和理解，可以单独开设一门课程进行讲授。而uC/OS操作系统源代码公开、内核结构简单易懂、易学、易用。因此，可以选择uC/OS作为这门课程的操作系统进行讲授。
2 嵌入式教学方法探讨
在确定了教学内容后，怎样将这些知识送到学生的大脑，达到教学的预期目的，在教学过程中就需要考虑教学方法。针对不同层次的学生，教学内容不同教学方法也应随之改变。从总体情况来看，大多数学生对嵌入式系统课程非常感兴趣，也想学好，想了解他们周围这些嵌入式设备到底是怎样设计的，怎样工作的。但他们在学习过程中遇到很多困难，包括教学内容的实际意义、教学的系统性、学习的目的等方面。有时他们对学习的内容和实际应用联系不起来，也就是学习内容和生活工作的内容脱节。有时他们在接触该课程时不知如何下手，该掌握哪些知识点，对社会需求也不熟悉。这不仅要求我们在进行嵌入式教学时，不仅要考虑嵌入式教学内容，还必须在教学方法方面进行探索。
人在认识事物的时候，往往是先从总体认识到细节认识，从外部深入内部。知道整个实现的功能后，就想要知道是怎样设计的，分成了哪些模块，每个模块的功能有哪些，内部是怎样工作的，工作原理又是怎样的，这些工作原理又涉及哪些知识。知道了这些知识后，是否又在想，要实现这些功能，还有没有其他的方法和设计呢？这和人在路途上行走一样，首先要确定行程的目的地，然后选择行程方式，是走路去还是其他交通工具，选择不同的交通工具是可能行径就不一样。同一种工具，根据成本要求还有不同的路径等。因此，我们在嵌入式教学时，是否可以首先给学生展示一些嵌入式应用的实例设备，让学生了解嵌入式系统的组成，可以实现的功能，让学生对嵌入式系统建立起感性认识。然后启发学生要实现这些功能需要哪些硬件，包括处理器的选择、外设的组成、接口知识，怎样去设计；要使这些硬件协调的工作起来，需要哪些软件，如系统启动、底层驱动程序、操作系统、图形界面接口、文件系统等，又怎样去实现这些软件。这样让学生对整个嵌入式设计的过程内容有一个整体认识，同时给他们提出了该门课程需要掌握哪些知识的要求。这样，由表及里、由粗到细使学生对嵌入式系统产生兴趣，然后进行各个部分的教学。
3 嵌入式理论教学和实践教学的分配
嵌入式系統不仅是一门综合性非常强的课程，而且实践性要求非常高。光有理论教学没有实践就像纸上谈兵，内
容抽象，学生掌握不深刻，很快就忘掉。因此理论教学必须配合以实验教学。但是怎样来安排理论教学和实践教学的关系以及所占学时比例一直是该门课程存在的问题。嵌入式课程按照一般的理论教学内容来看，一般包括软硬件基础、嵌入式系统总体设计、硬件设计、软件设计、底层软件编程、操作系统等内容，如果将这些内容都要详细讲解，至少需32学时。实践教学可以根据实验内容灵活安排，但是，嵌入式系统教学的实验不应重复单片机实验的内容，应具有综合性和创新性，并适当加入操作系统内容，让学生通过实验完成一个从开发环境、系统启动、底层编程、操作系统应用编程、图形界面等方面的系统完整的内容，估计16学时。
在实践教学的内容整体安排上，布置整个实验的系统要求，要在整个实验课程内在实验设备上完成一个实际的控制系统。然后再根据这个控制系统需要完成的实验内容进行安排实验。如完成一个带操作系统通过触摸屏菜单控制的电机自适应控制系统，那么可以将这个系统分成电机控制实验、触摸屏驱动编程实验、操作系统应用程序开发实验、传感器检测实验（包括A/D）和图形界面实验等内容，最后完成整个实验内容。同时，可以把学生分成几个不同控制系统的小组，小组成员可以相互讨论，共同完成。并且进行不同小组的结果评比，增强学生的好胜心和成就感，提高学生的兴趣。
4 结束语
嵌入式系统课程综合性和实践性都很强，不仅要求教师在授课内容要进行精心选择，还要在授课方法上进行探讨，以达到最好的教学效果。同时，嵌入式课程是一个系列课程，并不是一门嵌入式课程就可以完全解决所有嵌入式方面的问题，还必须从专业的整个课程建设进行规划。在嵌入式系统课程开始以前，应该开设单片机、接口技术、数字电路设计、软件工程、C语言程序设计、操作系统等课程，使嵌入式系统教学行程一个完整的系列。只有这样，嵌入式系统教学才能在有限的时间里达到预期的教学效果。
参考文献
[1] 李丽宏.《单片机原理及应用》课程教学改革尝试[J].太原理工大学学报,2001（2）：45-46．
[2] 周金和.电子信息工程专业嵌入式教学改革尝试[J].计算机教育,2007(12):43-45.
收稿日期：2008-3-24