_嵌入式系统设计_系列课程实践教学研究

文章编号：1672-5913(2008)18-0016-03

“嵌入式系统设计”系列课程实践教学研究

伍宗富，李 敏，李晓峰，杨如曙，陈日新，王建君，王南兰 (湖南文理学院 电气与信息工程学院，湖南 常德 415000 )

摘 要：本文针对“嵌入式系统设计”的教学实践，将“嵌入式系统设计”系列课程实践教学分为三个层面，对课程内容、实践教学方案和实践教学环节等进行探索，确保学生在掌握专业知识的同时，提高自主学习与自主创新的工程实践能力，真正做到学以致用。

关键词：嵌入式系统设计；实践教学；创新 中图分类号：G6420.0 文献标识码：A

嵌入式系统是相对于通用计算机系统提出的“嵌入式计算机系统”，它是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，被广泛应用于通信设备、信息家电、工业控制和交通等方面。作为“嵌入式系统设计”的教学应是以应用为中心，结合实践与应用的一系列课程教学，它是本科生在四年学习中进行创新性实践的有力保证。“嵌入式系统设计”需要设计者具有较强的综合理论知识和动手能力，是对设计者综合能力与创新能力的考查。因此，在以“应用型”人才培养为目标的理工科院校的实践教学中应特别重视学生嵌入式系统设计能力的培养，加强实践教学环节，提高学生实践能力、职业技能与就业能力。在此结合地方高校通信工程专业的特点对学生“嵌入式系统设计”能力培养的相关课程内容、实践教学方案和实践教学环节等进行探索，探讨地方高校理工科学生创新型人才培养体系，培养出理论与实践相结合的创新性人才。

方面以单片机芯片及其开发应用、DSP芯片及其开发应用和ARM微处理器及其开发应用展开教学，并在实践环节对学生动手制作自已所期望的单片机、DSP和ARM的应用系统进行作品展示，并将作品作为成绩考核的依据。

图1 嵌入式系统设计实践教学

1 嵌入式系统设计实践教学层面

嵌入式系统设计是复合型的新兴技术。基于嵌入式系统设计的课程既与计算机、电子、通信、自动控制技术相关的专业课程有关，又与具体的应用背景有关。理工科各专业需结合专业特点和嵌入式系统在专业中的应用进行嵌入式系统设计的研究与教学，根据专业特色开设先进的、具有深入内容的嵌入式系统设计课程，使学生具备创新能力和解决实际问题的能力，所以在进行嵌入式系统设计人才培养时必须重点把握实践和创新这两个方面，注意科学对技术所起的基础支持作用，要从嵌入式系统设计动态发展出发，开设具有嵌入式系统设计体系的课程，开设有关含有信息论、系统理论及控制理论等基本内容交叉融合的课程，拓宽学生在专业学习中视野与思维的深度和广度，这样才能培养出学生的创新能力。根据嵌入式系统设计的实践可以按照图1所示三个层面进行相关课程的配置。

层面一是培养学生具备能够针对某个具体嵌入式系统软、硬件平台进行二次开发的能力。要求学生掌握应用系统的设计和开发技能，属于嵌入式系统教学的最低层。集中在微处理器(如MCS51系列、TMS320系列、ARM系列)的体系结构及其语言、外围接口的工作原理；嵌入式应用系统开发工具、开发语言、交叉编译环境和调试工具的使用。在此

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层面二是培养学生具备能够进行嵌入式系统平台设计与开发的能力。不仅要求学生掌握硬件系统的设计与开发技能，还应该掌握软件系统的设计与开发技能。促使学生掌握嵌入式系统体系结构后，掌握嵌入式操作系统的原理及其在特定硬件平台上的移植。使学生具备特定硬件平台下的嵌入式系统裁剪、移植，板载资源的初始化与驱动及外设驱动程序的设计和嵌入式数据库系统开发技能，注重嵌入式系统图形界面和网络通信的设计与开发。在层面一的基础上进行嵌入式操作系统及应用软件开发的教学，并在实践环节对学生动手制作自已所期望的具有图形界面操作、外设驱动和数据信息管理等功能的单片机、DSP和ARM应用系统进行作品展示，并将作品作为成绩考核的依据。

层面三是培养学生具备能够进行基于SOPC嵌入式系统IP内核设计和开发的能力。要求学生在掌握前两层面的基础上，让学生能够进行基于FPGA的SOC系统的设计与开发训练，并结合嵌入式系统的发展进行有关计算机体系结构等理论研究。促使学生结合EDA设计、嵌入式系统优化、计算机体系结构理论、微电子等学科知识，将微处理器等以IP内核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可编程逻辑资源，按照系统功能需求来添加接口功能模块，既能实现目标系统功能，又能降低系统的成本和功耗。这样就使得FPGA灵活的硬件

基金项目：湖南省教育厅资助教改项目(JGZD0707)，湖南省教育厅资助科研项目(06C578)，湖南文理学院资助科研项目(JJYB0716)。

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设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，高效地实现SOPC嵌入式系统。实践环节以学生参加嵌入式系统设计竞赛、科研创新、发明制作等实践进行作品展示，并将作品作为创新学分修读的依据。

2 嵌入式系统设计实践教学方案

(1) 学生实践能力设计

“嵌入式系统设计”系列课程的教学内容应包括嵌入式系统硬件与软件的设计，在以电路与系统集成、计算机信息系统集成及计算机辅助设计与仿真为工程设计基础教学的同时，加强学生在工程设计能力方面的培养，提高学生的电路设计和软件开发能力。因而，通信工程本科专业的实践教学可在基于现代电子技术进行信息的采集、传输、处理、检测、控制和现代通信网工程应用的同时，以信息与通信工程技术为主线，融电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程技术于一体，构建通信与信息系统和信号与信息处理学科方向，使学生实践能力结构如图2所示。

图3 方案实施进度图

图2 学生实践能力结构图

(2) 实践教学方案

在教学中注重理论与实践课程相结合，加强实践与设计课程，设置完善的实践课程体系，强化学生的技能训练，开展工程设计。低年级课程要特别强调基础理论的学习，基本技能的训练；高年级逐步加强技术性，实用性课程，关注信息工业发展的需要。可结合本校学术研究、参与企事业科研及就业市场的方向，分设若干个课程组及专题设计，有利于学生专业化水平的提高，并缩小大学教育与企业要求之间的期望差距。其实践教学具体实施可参考图3进行。

第一学期培养学生认识、发现、探索实践的主动创新思维模式。如通过军事理论的学习，注重介绍通信技术在现代军事中的应用；通过工程制图的学习，以电子CAD为导引学习AutoCAD、Protel等绘图软件的应用；通过认识实习，下企业进行现代通信方式及通信器械的认识学习。

第二学期培养学生工程创新中结构设计及可视化界面编写能力。如在以国家级计算机等级考核展开教学的同时，注重学生计算机语言编程基础能力的培养，注重VB、VC、VF、Delphi、Java等编程的导向学习。

第三学期培养学生可视化界面及数据库管理信息系统的开发设计能力，进行有线与无线通信中电子测量仪器设备的使用。

第四学期培养学生基于单片机与EDA的嵌入式系统设计开发能力。在加强电子工艺实践的同时，以数字系统与逻辑设计教学为基础，加强硬件描述语言与电子技术系统级的融合，基本实现计算机软件到硬件的实践创新技能。

第五学期培养学生基于DSP的嵌入式系统设计开发能力，加强生产实践实习。在各专业课程学习的过程中，以计算机硬件与计算机软件设计来体现信息与通信工程学科下通信与信息系统和信号与信息处理学科方向共性的实践操作创新设计。

第六学期培养学生基于ARM的嵌入式系统设计开发能力。以通信与信息系统和信号与信息处理学科方向构建专业综合课程设计。

第七学期培养学生基于SOPC的嵌入式系统设计开发能力。在通信与信息系统学科方向以现代通信网络系统为导向，构建有线通信与无线通信的通信系统课程设计。在信号与信息处理学科方向以语音、图像等多媒体信号与信息为导向，构建语音与图像信号与信息工程应用的通信系统课程设计。

第八学期培养学生综合的嵌入式系统设计开发能力。通过专题进行企事业单位上岗实践，加强毕业设计的理论与实践相结合，为毕业后就能上岗打下基础。

在以上各环节中除了完成课程实践教学外，还要求学生在课外必须参与科技实践及各项竞赛活动或提供自已的创意作品以取得一定的创新学分。因此在“嵌入式系统设计”实践教学与创新型人才培养体系建设中，要综合考虑实验、实习、课程设计、毕业设计及课外科技实践活动等实践环节，统筹实践教学体系，使学生能从课内到课外，充分发挥课外科技活动提高自身工程素质。

3 嵌入式系统设计实践教学支持

以嵌入式系统设计为指引，将理论与实践进行有效合理的整合，应用现代教育技术，结合工程实践进行分解，变成可供实际推广操作的学习任务，辅以必要的教育技术支持手段(开发教材、课件、培训计划、教学设计、实验设计、必要的评估手段)强调学生自主学习，在实际工程环境中掌握和内化工程的理念。

(1) 开放实验室

在以“学生是主体，教师是主导” 的基础上，为了使学生在高等教育中获取更多的实用知识和创新技能，开辟与课程配套的网上资源系统，鼓励学生遇到问题后上网查找资料，

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采用基于Web的开放实践教学管理系统[3]。对实验室教学信息进行综合分析，建立开放式实践教学平台和开放式实践教学管理体系，通过Web页完成学生开放实验的各个环节管理，提高教学质量和办学效益。使学生由实验申请到实验结束完全网络化管理，有利于实验设备的充分利用，也有利于学生思维能力、设计能力、知识综合运用能力和创新能力的培养。

实验室开放的对象为所有在校学生，主要以设计性、综合性及研究创新性的实验项目开放为主，培养学生综合运用所学基础理论和专业知识解决复杂问题的能力。在实验室内部的各实验分室可根据自身特点和教学实际需要，采取定时开放与网上预约开放两种不同的模式向学生开放。

所谓定时开放是根据教学安排，在指定时间内向学生全面开放。理论课教师和实践课教师根据实验室仪器设备情况，结合课程内容，确定教学计划以外的自选实践项目。学生可以根据自己的兴趣爱好对实践项目进行创新设计组合成综合型、设计型实践课题，在课外独立完成自己的课题方案设计并经指导教师审核通过，在实践过程中学生必须独立完成实践并撰写上传实验报告。

所谓网上预约开放是学生提前申请拟做实践项目和所需仪器设备及元器件，由实验室根据学生人数、实践内容和网上预约时间安排实践设备、器材和指导教师。学生根据实验室的仪器设备的条件自行拟定科技活动课题并提供方案，在网上预约相应的实验室与指导教师，开展创新发明、科技制作、论文撰写等实践活动。在实践过程中学生都必须进行独立的思考，查阅相关文献资料，综合多方面的知识和技能，在实践设备和操作环节上不受任何限制的情况下自行分析、设计和调试实践系统，最终得出实践结果并撰写上传实践报告或论文。

(2) 实践教学组织

联系专业提供工程设计课题，结合前面所讲的教学层面与科研、科技竞赛工作开展学生设计性实践项目，激发学生的创新热情，如将行走机器人的制作分解为语音识别、图像识别、高精密电机进给控制等实践项目。强化实践过程，选

派具有实践经验的教师参与指导，有助于培养学生的创新能力，如通过提供的对比示例来启发学生，增强学生的自信心。在实验方法与实验措施上实现多元化，使学生在不断改进、反复锻炼中提高分析问题、解决问题的能力，在实践过程中真正做到举一反三。

学生须进行嵌入式系统的软硬件设计，为了使实践内容和教学内容联系得更紧密，可结合前面所讲的教学层面要求学生设计实践核心板与扩展板。核心板提供相对应微处理器的最小系统，包括了处理器、RAM、ROM、寄存器接口等；扩展板提供电源、LCD显示、串口、USB、以太网口等模块。

改革课程考核方式，加强学生动手能力的培养，单片机技术、DSP技术、EDA技术、嵌入式系统、可视化程序设计等技术课程的考核成绩全部采用实践环节，实验占总成绩的40%，课程设计(要求有硬件和软件制作)占总成绩的40%，创意制作占总成绩的20%。学生在完成实验基础上，完成选定题目的课程设计，实验与课程设计题目每年不断更新，学生可以根据自身掌握的程度选择不同难度的题目，分值依据题目难易程度而定。

这样将“嵌入式系统设计”系列课程实践教学融合到地方理工科院校的人才培养体系中。通过加强开放实验与科技制作及科技竞赛等创新学分的管理，改革相关课程考核方式，综合考虑知识、能力和素质三者的关系，统筹实践教学体系，提供丰富的工程设计课题，加强学生对“嵌入式系统设计”的工程训练，促进大学教育的创新性人才培养。

参 考 文 献

[1] 沈连丰,宋铁成,叶芝慧等. 嵌入式系统及其开发应用[M]. 北京：电子

工业出版社,2005.

[2] 沈文斌. 嵌入式硬件系统设计与开发实例详解[M]. 北京：电子工业出

版社,2005：8.

[3] 伍宗富，陈日新，王建君. 基于Web的开放实验教学管理系统[J]. 高

校实验室工作研究,2007,(2):78-80.

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以数据文件为共享平台，实现封闭式算法、开放式模块与Matlab等工具软件在数据上的通讯。学生可以可以采用VB，VC，Delphi，Borland C++ Builder，PowerBuilder等主流开发工具，调用我们提供的数据访问接口，实现自己的算法，体现自己的创造性思维。

通过以上两个环节的学习，学生不仅对ISM方法有了深刻理解，而且编程能力也有很大提高，在最后的课外多人合作项目(大作业)中，要求学生设计案例，用所学的ISM方法进行分析，更为重要的是，需要学生自己编程实现相应的算法。学生通过实践，选择不少具有新意的案例，如基于ISM方法的影响大学生就业要素的系统分析、大学生考试作弊现象分析、校园自行车乱停放现象系统分析、大学生考研热理性系统分析、素质教育制约因素系统分析、学生考试成绩制约因素研究、大学生学风建设模糊综合评价等。通过对这些案例的分析，学生真正掌握了系统工程的有关理论。这种教学模式不仅提高了学生的实践能力，同时也激发了他们的潜能与创新意识，培养了团队合作精神。

4 结束语

课程教学激励模式在“系统工程”课程教学中的应用结果显示，课程教学激励模式具有增强学生的实验-实践创新能力和计算机程序设计应用能力，激发学生的求知欲望和创新精神，培养学生的团队合作意识。值得指出的是本教学模式具有一定的普遍性。

参 考 文 献

[1] 大学计算机课程报告论坛组委会. 大学计算机课程报告论坛论文集[M].

北京:高等教育出版社,2007.

[2] 汪应洛. 系统工程理论、方法与应用(第二版)[M]. 北京:高等教育出版

社,2004.

[3] 吴京慧. 培养学生创新能力的实践教学方式的研究[J]. 计算机教育,

2007,(11).

[4] 吴清,唐幼纯等. 应用型课程考核方法的探讨[J]. 教育理论与实践,

2004,(24).

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