嵌入式系统基础课程教学改革探讨

廖逢钗

(三明学院 信息工程学院，福建 三明365004)

嵌入式系统的发展已经有20余年的历史.它融合了计算机软件技术、硬件技术、通信技术、半导体微电子技术和自动控制技术等.三明学院的计算机科学与技术专业(嵌入式方向)开设了嵌入式系统基础课程，目的是通过该课程的学习，有效提高学生相关软件开发和应用嵌入式微处理器解决实际工程问题的能力.本文在多年教学的基础上，分析了该课程在教学过程中存在的主要问题，并针对这些问题，尝试了几个方面的教学改革.

1 教学现状与存在的问题

目前，三明学院嵌入式系统基础课程教学主要存在以下问题.

(1)学生的学习兴趣和积极性不高.首先，嵌入式系统基础涉及的知识基础较多，包括高级语言程序设计、数据结构、接口技术、计算机组成原理等多种不同门类的计算机专业知识，还要学习各种开发工具.另外，嵌入式系统根据应用场合的不同，外围电路和控制原理差异较大，需要学生综合运用相关先修课程的知识来解决实际问题.因此，学生总体上感觉学习难度较大，产生畏难情绪.其次，很多学生在认识方面还存在着重软轻硬的倾向.认为硬件课程只是学习计算机的内部工作原理，在计算机应用中无关紧要，认识不到硬件技术在嵌入式系统应用方面的重要性.上述原因使学生感觉课程学习枯燥乏味，课程知识难以掌握，时间久了，学生学习嵌入式系统基础的积极性和兴趣会受到严重打击.

(2)实践教学以验证式实验为主，缺乏创新能力的培养.以往的嵌入式系统实践教学很大程度上不是由应用来驱动的，而是跟着实验箱厂家提供的实验项目来规划实践教学内容，大多安排做些验证性实验，学生面对实际系统时的创新能力与二次开发能力较低.

(3)新技术和新器件应用能力不高.在课外兴趣小组活动、课程设计和毕业设计中，有些功能模块若能采用新技术、新器件，可以使设计简单化，但学生这方面的能力较差.

(4)教学方法手段单一.理论教学就是黑板加幻灯片，课件简单不适用.

(5)考试方式多以理论记忆为主，不能考查学生实际应用知识和动手实践的能力.这种考核不利于学生发散性思维、创造性思维的培养，严重影响学生学习嵌入式系统基础的积极性.

2 对策与改革措施

针对上述存在的问题，在课程教学过程中采取以下对策与改革措施.

2.1 努力培养学生的学习兴趣

兴趣是学习的动力，它不仅使学生渴望获得知识，而且使学生在学习过程中伴随着愉快的心情，有利于产生进一步学习的需要[1].我们从以下几方面着手提高学生的学习兴趣.

(1)上好开学第一堂课.首先，专门给同学们介绍开设本课程的重要性和必要性以及对将来就业的影响等，使学生从思想上重视该课程的学习；其次，介绍一些有趣的应用实例，使学生产生跃跃欲试的冲动.如介绍类似手机的基本结构与原理等内容，这些会立刻吸引学生们的兴趣；然后，把往届学生的优秀毕业设计作品进行视频展示，让同学们对嵌入式系统的硬件设计与软件编程的学习成果有一个真切感受和认识，增强学好本课程的愿望和信心.只要有了兴趣，知识的学习就是顺理成章的事了.

(2)邀请在嵌入式方面有突出研究成果的学者来学校举办嵌入式系统技术讲座.使学生能接触到最新的知识和实用技术，了解社会对嵌入式系统人才的具体需求.通过对新技术和新知识的了解，开阔学生的视野，激发学生学习嵌入式系统课程的兴趣.

(3)在教学过程中，要保证学生听得懂、跟得上、学得进.为此，在授课中，一定要对学生说清楚哪些是重点、哪些是难点，每一部分内容的要求是熟练掌握、一般掌握还是了解就行，避免学生在一些难以理解而又不是重点内容的问题上纠缠过多，影响学习兴趣.对重点内容绝不能让学生含糊不清.

例如，在讲解时钟管理程序时，用以下语句把CK_TIM设置为30MHz

MRCC_CKTIMConfig(MRCC_HCLK_Div2);

教学中我们发现，在学生刚开始接触嵌入式系统的编程阶段，教师如果只是简单用一两句话描述其功能，许多学生不容易理解，这就造成学生在自己编程时，很难编出正确的程序，久而久之，这类疑难问题越积越多，最终影响学生的学习兴趣.为了让学生能够看得懂、学得进，教师讲解时必须教学生掌握读懂这类程序的方法，然后再进行模仿编程.

针对上述例子，讲解关键就是要看懂函数MRCC_CKTIMConfig的编程原理，明确时钟控制寄存器各位的定义，弄清楚符号常量MRCC_HCLK_Div2设置依据.可作如下讲解：

通过查相关代码文件，可以知道MRCC_HCLK_Div2的值是0x00000001，函数MRCC_CKTIMConfig执行过程是：时钟控制寄存器CLKCTL的原来的值先后与0xFFFFFFFC、0x00000001进行与运算和或运算，然后送回CLKCTL寄存器，亦即把时钟控制寄存器的最低两位置成01，其他位为不变.CLKCTL寄存器的最低两位的功能是：在HCLK和CK_TIM之间选择预分频系数，01对应的分频系数是2.所以CK_TIM=HCLK/2，HCLK为60MHz时，CK_TIM设为30MHz.

通过以上教学分析，学生不仅看懂了程序，还掌握了分析程序的方法.在嵌入式系统中，与以上编程原理类似的程序段很多，详细讲解一两个例子后，逐渐由学生自己分析，做到举一反三.

(4)创造各种实践机会，加强动手能力训练，使学生学有所用，能看到应用成果.学生感觉所学课程知识离自己很近，对课程的兴趣也会越来越浓.为此，教师应根据课程的特点，在正常的实验课外安排各种实践环节.如安排一些学生利用嵌入式技术设计，各种电机的测速与调速控制，并给他们提供所需的硬件材料.

(5)成立兴趣小组，以点带面.如成立课外机器人兴趣小组，以嵌入式技术为研究主体，定期开展活动，通过各种途径为学生提供学习、实践、交流等机会，形成较好的学习氛围，同时也影响和感染其他学生.

2.2 改革实验教学

实践教学是学生加深对知识理解、培养实践能力的关键环节.本课程实验教学采取课内课外实践活动有机结合的办法.课内实践指每个学生必须完成的本课程开设的实验课，课外实践包括大学生创新课题、课外科技兴趣小组活动等.课内实践是专业能力培养的基础，而课外实践是学生把专业知识应用于具体的应用场合，更能体现学生创新能力和实践动手能力的水平.课外实践是在创新实验室完成，为了方便学生做实验，这些实验室由指定的学生自主管理.

2.3 充分利用专业技术资料培养学生自主学习的能力

针对新技术新器件应用能力不高的问题，我们要求学生“三个看懂”，即看懂有关原文手册、电路原理图、别人编好的程序.

看手册的目的是为了看懂原理图和程序.要看懂一个嵌入式系统的原理图和程序，可能要查阅大量的芯片技术资料.嵌入式系统的很多新概念、新技术等，都可以在网络上找到，鼓励学生遇到问题，到图书馆或上网查找资料，不断提高自主学习的能力.同时，要有意识地引导学生去查阅一些未用过的芯片资料，并应用于系统设计.

学生在学习嵌入式系统基础的过程中，多看他人编写的好的代码十分重要.而在看代码时，选择一个合适的软件来帮助阅读程序则可以有效提高阅读效率.

例如，SourceInsight是一个功能非常强大的软件开发工具，它提供变量、函数搜索，使用不同的颜色、字体区别类型名、函数名、全局变量、局部变量、宏、注释、关键字，等等，选择这一软件来帮助阅读程序，程序就一目了然，能大大地提高学生的学习效率.

2.4 引入先进的教学方法与手段

2.4.1 充分利用多媒体教学

多媒体技术具有许多传统教学方法无可比拟的优越性，它信息量大、将复杂问题简单化、可以表现抽象的不可见的概念和知识、变抽象为形象[2].例如在讲解ARM寻址方式的时候，可用动画清晰、直观地向学生呈现各种寻址方式的寻址过程，弥补了以前单纯粉笔教学的不足.

把多媒体技术应用于嵌入式系统基础教学要注意以下问题：

(1)避免多媒体课件精彩有余，实用不足，好看不中用，甚至课件制作时画蛇添足.

(2)教学内容不宜太多太杂.在课件制作过程中，老师不要将自己能够找到的资料内容一股脑地塞到课件中.教学过程中要直达主题，旁枝末节的问题不要过多纠缠.在课件制作上，要有层次感，不能太乱.

(3)教师上课过程中，不能把注意力全部集中在多媒体课件操作上，忽视了师生互动.在实际教学时，教师可以先提出问题，让学生带着问题去看、去听，然后结合幻灯片内容进行思考、讨论.在学生讨论的过程中，教师及时进行点拨、引导、鼓励.这样视听、思考、反馈、评价贯穿于课堂教学始终，使学生的主体作用和教师的主导作用都得到充分发挥.

2.4.2 分层教学

在嵌入式系统基础教学中采用分层次[3]教学是必要、可行的.分层次教学有利于因材施教.这种教学模式能够避免专业基础差异大的学生在同一个课堂内学习时，出现“吃不饱”和“消化不良”的情况.对基础差的学生，按照教学计划，按部就班地进行教学，使他们较快地掌握嵌入式系统最基本的知识、常用工具和必备的技能.对基础好的学生，通过成立兴趣小组，引导他们参与教师科研项目.

对实验教学而言，可将嵌入式技术基础实验分为基础实验、设计性实验、创新性实验三个层次.其中，基础实验主要完成验证性实验，为嵌入式系统课程教学服务；设计性实验主要用于完成嵌入式应用实验；而创新性实验主要由学生自主设立实验内容，例如设计一个电子系统.用小设计、小制作、小创新的方式，提高学生对该门课程的感性认识和应用能力，充分发挥学生的主观能动性.

通过分层次教学，使基础不同的学生各有所获，达到因材施教、个性化培养的目标，因而取得较好的教学效果.

2.4.3 项目驱动教学法

项目驱动教学法[4]已应用于许多课程的教学，并获得良好的教学效果.使用该教学方法，设计一个难易程度适中、实际可以操作的项目是关键.例如：要求学生用基于ARM核的微控制器STR750设计一个数字温度计.可以把该项目分解为以下一些任务：

(1)电源、复位、时钟管理单元.要求熟练配置不同的时钟.

(2)对通用输入输出(GPIO)端口编程，控制LED灯、数码管.

(3)用中断控制器实现对GPIO的控制.

(4)对模数转换器(ADC)进行编程，实现数据采集.

(5)设计数字电压表.

(6)设计数字温度计.

这些任务，从简单到复杂，将理论教学与项目教学融为一体.例如第二个任务，让学生用不同的程序实现LED按不同规律发光，从而熟悉大部分指令和三种程序结构(顺序程序、分支程序和循环程序).这些项目实施过程中，学生在教师的引导下，先动手操作，再动脑编程.学生对嵌入式系统基础的结构、编程技巧等有了感性认识，表现出极大的热情，知识点记得牢，编程语句在运用中不知不觉运用自如.

2.5 考核方式改革

本课程的考试采取理论考核与实践考核相结合的办法，总成绩计算方法如下：

总成绩=平时成绩×15%+实验×15%+期末考×70%.

每项考核办法如下：

(1)期末考试，从试卷库中抽取考试试题，其中一题是上机实验编程(30分).

(2)平时成绩评定包括作业和出勤两个方面.给每次作业评定等级(分A、B、C、D四个等级)，按各次作业的等级折算成百分制成绩后作为平时作业的成绩.

(3)实验的评分依据有两个部分：课内实验检查和实验报告.课内检查主要看学生是否完成本次实验内容、实验是否成功，并要求做简单的答辩.实验报告也类似作业评定四个等级.以上两个部分的成绩各占50%构成实验成绩.

3 结束语

为了使学生掌握嵌入式系统基础的基本原理和编程技术，从培养学生的学习兴趣、提高自主学习能力，改革实验教学、考核方式，引进先进的教学方法与手段等方面着手，进行教学改革的尝试.教学实践表明，上述教学改革有效激发了学生的学习兴趣，提高了学生把理论知识应用于实践的能力，改善了课程的教学效果，促进了教学质量的提高.

参考文献:

[1]冷剑.计算机基础教学方法问题浅析[J].科教文汇,2009,36:88.

[2]杜波,王瑾.《单片机应用技术》课程体系改革的研究与思考[J].才智,2009(6):121-122.

[3]刘德山,刘小丹.应用型人才培养中的分层次教学[J].计算机教育,2012(1):14-17.

[4]李雪峰.教学工厂理念在单片机项目教学中的应用[J].电子世界,2013(1):159-161.