機械電子工程專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)
機械電子工程專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)【1】
【摘 要】在“卓越工程師教育培養計劃”的引領(lǐng)下，國內高校正逐步開(kāi)始在機械類(lèi)本科教學(xué)中開(kāi)設嵌入式系統課程，而在針對機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統教學(xué)內容選擇、教學(xué)方法和培養目標方面，仍處于探索過(guò)程中。
歸納了機械電子工程專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)的特點(diǎn)，并探討了面向機電專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統教學(xué)內容與方法。
通過(guò)突出重點(diǎn)，分解難點(diǎn)，并結合案例教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)，能夠使學(xué)生在已有先修課程的基礎上快速抓住要點(diǎn)，掌握嵌入式系統的基本原理和應用方法。
【關(guān)鍵詞】卓越計劃;教學(xué)改革;嵌入式系統;教學(xué)內容0 引言
“卓越工程師教育培養計劃”是為了培養造就一批創(chuàng )新能力強、適應經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需要的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng )新型國家和人才強國戰略服務(wù)，促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強國轉變的重大改革項目。
江南大學(xué)機械電子工程專(zhuān)業(yè)自入選首批“卓越計劃”后，在機械電子工程本科三年級課程體系中設置了以ARM微處理器S3C2440為對象的嵌入式系統原理與應用專(zhuān)業(yè)選修課。
長(cháng)期以來(lái)，嵌入式系統是高等學(xué)校電子與信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干基礎課程[1]，強調跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的理論、方法與技術(shù)的融合應用，是一門(mén)理論與實(shí)踐結合緊密、綜合性較強的課程[2]。
而對于機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)，在其課程體系設計中雖然包含了部分嵌入式系統先修課程內容，但較少開(kāi)設專(zhuān)門(mén)的嵌入式系統課程，也缺乏合適的供機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生使用的嵌入式系統教材。
本文以近幾年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗為基礎，歸納了機械電子工程專(zhuān)業(yè)嵌入式系統的教學(xué)特點(diǎn)，并探討了面向機電專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統教學(xué)內容與方法。
1 機電專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)的特點(diǎn)
在機電類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設嵌入式系統課程是大學(xué)本科課程自我更新的一種新的路徑，也是計算機技術(shù)發(fā)展而導致的本科課程體系更新過(guò)程中的一個(gè)自然而然的結果[3]。
嵌入式系統在工業(yè)現場(chǎng)應用廣泛，對于機電專(zhuān)業(yè)本科生而言，因其在機電設備開(kāi)發(fā)、控制于維護方面有著(zhù)較強的應用背景知識，且具有一定的先修課程基礎，因此嵌入式系統課程較適合機電專(zhuān)業(yè)本科生的學(xué)習。
但同時(shí)，與電類(lèi)專(zhuān)業(yè)不同，機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)電基礎較為薄弱，導致了機械電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)具有以下特點(diǎn)：
1.1 課程內容綜合性強
嵌入式系統是一個(gè)軟硬件系統的綜合體[4]，在課程中要向學(xué)生講解嵌入式微處理器的基礎知識以及其他相關(guān)硬件知識，包括處理器結構、指令系統、寄存器設置等，又要講解嵌入式軟件方面的知識，包括Linux系統、交叉編譯、設備驅動(dòng)程序、多進(jìn)程通信等。
1.2 課程的課時(shí)有限
作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，嵌入式系統課程設置的教學(xué)時(shí)長(cháng)為32學(xué)時(shí)，而電類(lèi)專(zhuān)業(yè)該課程一般有48學(xué)時(shí)以上的課時(shí)，甚至達到72學(xué)時(shí)，在這其中，實(shí)驗課時(shí)又有8個(gè)。
由于課內學(xué)時(shí)數偏少，較容易發(fā)生學(xué)生能夠聽(tīng)懂某些細節但缺乏整體認識，或者能夠把握大框架但實(shí)際動(dòng)手時(shí)一籌莫展的情況。
1.3 先修課程基礎薄弱
盡管機電專(zhuān)業(yè)本科生已經(jīng)有C程序語(yǔ)言設計、模擬/數字電子技術(shù)、微機原理、單片機接口技術(shù)、電子CAD等先修課程基礎，但受到大學(xué)教學(xué)活動(dòng)短學(xué)程化的影響，學(xué)生在背景知識的掌握上存在不夠全面或不夠深入的情況。
特別對于機械類(lèi)學(xué)生而言，不僅計算機硬件基礎較為薄弱，軟件開(kāi)發(fā)能力和經(jīng)驗欠缺，同時(shí)對操作系統方面的知識掌握基本空白，給嵌入式系統課程的教學(xué)帶來(lái)一定困難。
2 機電專(zhuān)業(yè)嵌入式系統的教學(xué)內容與方法
根據機械電子工程專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)現狀與特點(diǎn)，有針對性地確定了課程體系的設置，安排相應的教學(xué)內容與教學(xué)方法。
2.1 教學(xué)內容選擇
作為專(zhuān)業(yè)選修課，嵌入式系統課程的目標不是為了使學(xué)生深入掌握這一領(lǐng)域全面的并得到良好鞏固的知識，而是為了使學(xué)生在已有基礎上步入這一新的領(lǐng)域中，概括性的掌握其基本原理與基本方法，并對進(jìn)一步探索該領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚的興趣。
根據這一思路，針對機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)嵌入式系統的教學(xué)特點(diǎn)，應特別注意突出重點(diǎn)，合理分解難點(diǎn)。
由于學(xué)生已有微機原理和單片機接口相關(guān)基礎，在教學(xué)中弱化了對ARM芯片作為高檔單片機使用的相關(guān)內容。
在詳述處理器結構、介紹基本指令的基礎上，僅對定時(shí)器、中斷、SDRAM、Nand Flash控制器和時(shí)鐘系統等資源加以介紹，并多采用C語(yǔ)言程序設計案例，避免學(xué)生在繁復的指令系統和寄存器設置體系中迷失方向。
由于機械類(lèi)學(xué)生沒(méi)有操作系統相關(guān)背景知識，因此在嵌入式系統軟件學(xué)習中存在一定困難。
嵌入式Linux操作系統及其開(kāi)發(fā)環(huán)境是嵌入式軟件的基礎，學(xué)生需要掌握基本的Linux系統命令和交叉編譯方法，而對shell程序和Makefile文件則通過(guò)案例教學(xué)呈現。
Linux操作系統下設備驅動(dòng)的基本思想、程序框架以及編寫(xiě)步驟是課程的重點(diǎn)之一，體現了軟件與硬件的結合，因此針對這一部分，不僅安排了較多學(xué)時(shí)的課內講解，也安排了實(shí)驗。
在Linux操作系統下的線(xiàn)程、進(jìn)程和進(jìn)程間通信部分，由于學(xué)時(shí)限制，弱化了實(shí)際編程操作，而主要以案例和演示實(shí)驗，使學(xué)生掌握基本思想和方法。
2.2 教學(xué)方法初探
嵌入式系統是一門(mén)應用課程[5]，對于機械電子工程專(zhuān)業(yè)的本科生而言，其意義在于更好地實(shí)現機電一體化應用。
為此，結合“卓越工程師”培養計劃的實(shí)施，在教學(xué)中加入了較多的應用案例，突出了學(xué)用結合的教學(xué)模式，重視對學(xué)生工程素養的培養，建立面向工程的思維方式，掌握解決實(shí)際工程問(wèn)題的科學(xué)方法。
在課堂教學(xué)中，變灌輸式教學(xué)為啟發(fā)式教學(xué)，特別注意引導學(xué)生聯(lián)系以往在微機原理和單片機接口技術(shù)課程中接觸到的8051單片機的相關(guān)概念與方法，使之對嵌入式系統硬件部分產(chǎn)生邏輯上的繼承和聯(lián)想，有效理解硬件的工作原理。
在嵌入式系統軟件部分的教學(xué)中，則以學(xué)生熟悉的Windows操作平臺為例，講解嵌入式Linux操作系統所要解決的問(wèn)題和實(shí)現方法，促使學(xué)生破除對這一未知領(lǐng)域的神秘感，并激發(fā)其進(jìn)一步深入學(xué)習的興趣。
3 結束語(yǔ)
針對機械電子工程專(zhuān)業(yè)本科三年級嵌入式系統原理與應用專(zhuān)業(yè)選修課的教學(xué)特點(diǎn)，設置并采用了合理的教學(xué)內容和教學(xué)方法。
盡管課時(shí)數較少，在眾多知識點(diǎn)上無(wú)法深入講解和展開(kāi)，但通過(guò)列舉實(shí)際案例，分解難點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中能夠使學(xué)生保持濃厚的學(xué)習興趣，獲得良好的教學(xué)效果。
【參考文獻】
[1]潘登，陳啟軍.面向卓越人才培養的嵌入式系統教學(xué)改革[J].計算機教育，2013(7)：1-5.
[2]丁珠玉，張濟龍，吳永烽，等.嵌入式系統課程實(shí)踐教學(xué)模式的研究與探索[J]. 西南農業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會(huì )科學(xué)版，2009，7(6)：181-182.
[3]黃曉玲，段鳳云，趙建科.嵌入式系統實(shí)驗教學(xué)體系的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2006，23(4)：85-87.
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微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)新模式的研究和建設【2】
摘 要：建立微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)平臺，對嵌入式系統教學(xué)方法改革和嵌入式系統考核方法進(jìn)行研究，以市場(chǎng)為導向、以企業(yè)為依托，為微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)合作探討新的教育模式。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統 產(chǎn)學(xué)研 項目驅動(dòng) 考核模式
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品在全球各行業(yè)得到廣泛應用。
但我國嵌入式人才一方面市場(chǎng)供不應求、企業(yè)選人難;一方面高校畢業(yè)生就業(yè)難。
主要問(wèn)題是畢業(yè)生不能滿(mǎn)足市場(chǎng)對人才的要求，校企合作不夠緊密。
這種現象不僅存在于本科畢業(yè)生中。
隨著(zhù)研究生的擴招，提高研究生就業(yè)率也提上了議事日程。
學(xué)校不能向學(xué)生提供足夠的實(shí)踐機會(huì )，有些教學(xué)只有理論講解，沒(méi)有實(shí)踐操作，或者學(xué)生做實(shí)驗僅僅是基于實(shí)驗箱的步驟完成實(shí)驗，不能提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際工程項目研發(fā)能力，故不能滿(mǎn)足嵌入式研發(fā)企業(yè)對于人才的要求。
對于微電子專(zhuān)業(yè)而言，芯片設計更新?lián)Q代很快，系統集成、片上系統甚至片上可編程系統需求大批既懂芯片設計又懂嵌入式系統的復合人才，這方面與國際同行業(yè)先進(jìn)企業(yè)對人才的要求還有很大的差距。
因此，如何破解這些問(wèn)題，形成適應市場(chǎng)對嵌入式系統人才需求培養的新模式，是微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)面臨的一個(gè)重要課題。
國內外很多高校和實(shí)驗室都對嵌入式系統課程進(jìn)行了教學(xué)改革和嘗試，如英國雷丁大學(xué)、德國波恩-萊茵-錫格大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)和加拿大卡爾頓大學(xué)等;國內有清華大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、江西理工大學(xué)和華中理工科技大學(xué)等。
上述研究往往涉及計算機專(zhuān)業(yè)或電子工程專(zhuān)業(yè)較多，但是對微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統課程的教學(xué)改革研究報道較少，并且大多數嵌入式系統教學(xué)改革主要是實(shí)驗部分的改革。
為了貫徹落實(shí)《國家中長(cháng)期教育改革與發(fā)展規劃綱要(2010-2020年)》的精神，不斷深化本科生、研究生教學(xué)改革，提高本科生、研究生教育質(zhì)量和就業(yè)率。
旨在探索研究微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)教育新模式，走出一條將實(shí)際科研項目、教學(xué)環(huán)節和企業(yè)生產(chǎn)緊密結合的特色之路。
以市場(chǎng)甚至國際市場(chǎng)為導向、以企業(yè)甚至跨國公司為依托、學(xué)研產(chǎn)相結合的新模式，把微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統科學(xué)研究、企業(yè)技術(shù)研發(fā)和人才培養緊密結合起來(lái)。
尤其是對微電子專(zhuān)業(yè)研究生的教育，與企業(yè)甚至跨國公司合作進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，提高人才的創(chuàng )新能力、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和專(zhuān)業(yè)工程素養，培養出基礎較扎實(shí)、實(shí)踐能力強、專(zhuān)業(yè)工程素養較高和企業(yè)歡迎的微電子專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生。
為破解高校學(xué)生就業(yè)難、企業(yè)選人難的問(wèn)題;為縮小我國與先進(jìn)國家微電子專(zhuān)業(yè)復合人才的差距，具有重要的現實(shí)意義和長(cháng)遠的社會(huì )意義。
1 建立微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)平臺
嵌入式系統是微電子專(zhuān)業(yè)研究生和本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課。
微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統的特點(diǎn)是緊跟芯片和軟件前沿發(fā)展動(dòng)向、涉及學(xué)科多、國際性器件多且更新?lián)Q代快。
該課程要求理論與實(shí)踐緊密結合，企業(yè)需求解決工程實(shí)際問(wèn)題的嵌入式人才，這些都促進(jìn)了微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)教育新模式的開(kāi)展，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和工程項目研發(fā)能力。
我校已與北京華芯微特科技有限公司、深圳仙苗科技有限公司和北京飛漫軟件有限公司等單位合作，建立了嵌入式聯(lián)合實(shí)驗室，正在與跨國公司相關(guān)人士洽談;另外，本研究室在科學(xué)研究中已初步建立了小型物聯(lián)網(wǎng)系統、RFID系統、光柵測量系統、火炮發(fā)射計數系統、煙霧報警系統和完成芯片設計并成功流片的項目等，這些為該課程學(xué)研產(chǎn)新模式的探索和研究搭建了很好的基礎和平臺。
部分學(xué)生在華芯微特公司運用所學(xué)的ARM匯編語(yǔ)言進(jìn)行指令集的測試設計和應用設計。
部分學(xué)生運用所學(xué)軟硬件系統設計方法，設計和制作出電子產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已應用于企業(yè)。
微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)新模式的建立，很重要的一項內容就是教學(xué)方法和考試方法改革。
以實(shí)際工程項目驅動(dòng)為主要形式，以實(shí)際課題研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)為主要內容，整合校企優(yōu)質(zhì)資源，優(yōu)化微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教學(xué)與考試方法，提高學(xué)生的知識水平、學(xué)習、動(dòng)手和實(shí)際工程實(shí)踐項目的研發(fā)能力，實(shí)現與企業(yè)的緊密合作，為學(xué)生成功走向市場(chǎng)，進(jìn)入企業(yè)增加一份較強勁的推動(dòng)力。
2 實(shí)際項目驅動(dòng)教學(xué)方法改革
基于嵌入式系統學(xué)研產(chǎn)平臺，緊跟嵌入式學(xué)術(shù)前沿的發(fā)展動(dòng)向，不斷改進(jìn)企業(yè)所需的產(chǎn)品功能，并將實(shí)際的研發(fā)項目和研發(fā)過(guò)程引入到嵌入式系統課堂，采用課內外學(xué)習、作業(yè)和實(shí)驗相結合的方法，使學(xué)生能完成嵌入式系統的實(shí)際硬件電路設計、程序編制、調試環(huán)境搭建、板級調試、網(wǎng)絡(luò )通訊、系統集成和文檔編寫(xiě)等環(huán)節，提高學(xué)生的工程項目研發(fā)和實(shí)際動(dòng)手能力。
將企業(yè)一線(xiàn)專(zhuān)家請到校內，使學(xué)生近距離聆聽(tīng)企業(yè)嵌入式專(zhuān)家的報告和指導，提高學(xué)生工程項目經(jīng)驗、創(chuàng )新能力、實(shí)踐能力，豐富學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養，也可以提高學(xué)生的就業(yè)率。
同時(shí)也為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供人才保障。
另外，也使學(xué)生和教師及時(shí)了解企業(yè)對畢業(yè)生的要求、對課程內容的建議和企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新的需求等，緊跟嵌入式市場(chǎng)的發(fā)展需求，及時(shí)調整教學(xué)內容和規劃，培養符合市場(chǎng)及企業(yè)一線(xiàn)需求的微電子嵌入式人才。
切實(shí)建立以國際市場(chǎng)為導向，以國內企業(yè)和國際企業(yè)為依托、學(xué)研產(chǎn)緊密結合的微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式系統教育新模式。
同時(shí)進(jìn)一步加深與企業(yè)之間長(cháng)期緊密的學(xué)研產(chǎn)用合作關(guān)系，使平臺成為企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新和我校微電子專(zhuān)業(yè)嵌入式人才培養的重要基地。
3 結合市場(chǎng)和微電子專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)細分方向
基于微電子專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，一部分學(xué)生今后主要從事嵌入式系統設計和研發(fā)工作。
從事嵌入式系統研發(fā)的學(xué)生，重點(diǎn)學(xué)習硬件電路設計和軟件編程，通過(guò)需求分析、方案論證、資料搜集、系統設計、電路調試、軟件編程、系統測試、文檔寫(xiě)作等全過(guò)程，完成一個(gè)標準工程項目的嵌入式系統研發(fā)。
另一部分學(xué)生今后主要從事器件或芯片的設計研發(fā)工作。
隨著(zhù)芯片集成度的不斷提高，電子元器件朝著(zhù)深亞微米方向發(fā)展，芯片設計朝著(zhù)系統集成的方向發(fā)展，即SoC片上系統甚至片上可編程系統(SoPC)設計。
這部分學(xué)生需要學(xué)習和掌握嵌入式系統的體系結構、處理器的架構體系、內部器件和單元模塊的工作原理等。
如ARM處理器的體系結構和外圍接口的總線(xiàn)設計以及 ARM的匯編語(yǔ)言等。
在芯片設計中，匯編語(yǔ)言被大量應用于芯片測試中，如指令集的測試，通過(guò)匯編語(yǔ)言完成指令的操作，進(jìn)而轉換成機器碼，通過(guò)查看寄存器來(lái)驗證流水線(xiàn)的設計是否正確;另外，匯編語(yǔ)言也被應用于芯片設計，運用匯編語(yǔ)言可以完成ARM source的準備等。
學(xué)生掌握了系統的結構和工作原理有利于進(jìn)行系統集成的設計和應用。
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