機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學
機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學【1】
【摘 要】在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的引領(lǐng)下，國內(nèi)高校正逐步開始在機械類本科教學中開設嵌入式系統(tǒng)課程，而在針對機械類專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容選擇、教學方法和培養(yǎng)目標方面，仍處于探索過程中。
歸納了機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學的特點，并探討了面向機電專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容與方法。
通過突出重點，分解難點，并結(jié)合案例教學和啟發(fā)式教學，能夠使學生在已有先修課程的基礎上快速抓住要點，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理和應用方法。
【關(guān)鍵詞】卓越計劃;教學改革;嵌入式系統(tǒng);教學內(nèi)容0 引言
“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是為了培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(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(zhàn)略服務，促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國轉(zhuǎn)變的重大改革項目。
江南大學機械電子工程專業(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(tǒng)原理與應用專業(yè)選修課。
長期以來，嵌入式系統(tǒng)是高等學校電子與信息類專業(yè)的一門主干基礎課程[1]，強調(diào)跨學科、跨專業(yè)的理論、方法與技術(shù)的融合應用，是一門理論與實踐結(jié)合緊密、綜合性較強的課程[2]。
而對于機械類專業(yè)，在其課程體系設計中雖然包含了部分嵌入式系統(tǒng)先修課程內(nèi)容，但較少開設專門的嵌入式系統(tǒng)課程，也缺乏合適的供機械類專業(yè)本科生使用的嵌入式系統(tǒng)教材。
本文以近幾年的教學實踐經(jīng)驗為基礎，歸納了機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學特點，并探討了面向機電專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容與方法。
1 機電專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學的特點
在機電類專業(yè)開設嵌入式系統(tǒng)課程是大學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程中的一個自然而然的結(jié)果[3]。
嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛，對于機電專業(yè)本科生而言，因其在機電設備開發(fā)、控制于維護方面有著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(tǒng)課程較適合機電專業(yè)本科生的學習。
但同時，與電類專業(yè)不同，機械類專業(yè)電基礎較為薄弱，導致了機械電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學具有以下特點：
1.1 課程內(nèi)容綜合性強
嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件系統(tǒng)的綜合體[4]，在課程中要向?qū)W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(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、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(tǒng)、交叉編譯、設備驅(qū)動程序、多進程通信等。
1.2 課程的課時有限
作為一門專業(yè)選修課，嵌入式系統(tǒng)課程設置的教學時長為32學時，而電類專業(yè)該課程一般有48學時以上的課時，甚至達到72學時，在這其中，實驗課時又有8個。
由于課內(nèi)學時數(shù)偏少，較容易發(fā)生學生能夠聽懂某些細節(jié)但缺乏整體認識，或者能夠把握大框架但實際動手時一籌莫展的情況。
1.3 先修課程基礎薄弱
盡管機電專業(yè)本科生已經(jīng)有C程序語言設計、模擬/數(shù)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，但受到大學教學活動短學程化的影響，學生在背景知識的掌握上存在不夠全面或不夠深入的情況。
特別對于機械類學生而言，不僅計算機硬件基礎較為薄弱，軟件開發(fā)能力和經(jīng)驗欠缺，同時對操作系統(tǒng)方面的知識掌握基本空白，給嵌入式系統(tǒng)課程的教學帶來一定困難。
2 機電專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學內(nèi)容與方法
根據(jù)機械電子工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學現(xiàn)狀與特點，有針對性地確定了課程體系的設置，安排相應的教學內(nèi)容與教學方法。
2.1 教學內(nèi)容選擇
作為專業(yè)選修課，嵌入式系統(tǒng)課程的目標不是為了使學生深入掌握這一領(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，并對進一步探索該領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚的興趣。
根據(jù)這一思路，針對機械類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的教學特點，應特別注意突出重點，合理分解難點。
由于學生已有微機原理和單片機接口相關(guān)基礎，在教學中弱化了對ARM芯片作為高檔單片機使用的相關(guān)內(nèi)容。
在詳述處理器結(jié)構(gòu)、介紹基本指令的基礎上，僅對定時器、中斷、SDRAM、Nand Flash控制器和時鐘系統(tǒng)等資源加以介紹，并多采用C語言程序設計案例，避免學生在繁復的指令系統(tǒng)和寄存器設置體系中迷失方向。
由于機械類學生沒有操作系統(tǒng)相關(guān)背景知識，因此在嵌入式系統(tǒng)軟件學習中存在一定困難。
嵌入式Linux操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境是嵌入式軟件的基礎，學生需要掌握基本的Linux系統(tǒng)命令和交叉編譯方法，而對shell程序和Makefile文件則通過案例教學呈現(xiàn)。
Linux操作系統(tǒng)下設備驅(qū)動的基本思想、程序框架以及編寫步驟是課程的重點之一，體現(xiàn)了軟件與硬件的結(jié)合，因此針對這一部分，不僅安排了較多學時的課內(nèi)講解，也安排了實驗。
在Linux操作系統(tǒng)下的線程、進程和進程間通信部分，由于學時限制，弱化了實際編程操作，而主要以案例和演示實驗，使學生掌握基本思想和方法。
2.2 教學方法初探
嵌入式系統(tǒng)是一門應用課程[5]，對于機械電子工程專業(yè)的本科生而言，其意義在于更好地實現(xiàn)機電一體化應用。
為此，結(jié)合“卓越工程師”培養(yǎng)計劃的實施，在教學中加入了較多的應用案例，突出了學用結(jié)合的教學模式，重視對學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，建立面向工程的思維方式，掌握解決實際工程問題的科學方法。
在課堂教學中，變灌輸式教學為啟發(fā)式教學，特別注意引導學生聯(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(tǒng)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(tǒng)軟件部分的教學中，則以學生熟悉的Windows操作平臺為例，講解嵌入式Linux操作系統(tǒng)所要解決的問題和實現(xiàn)方法，促使學生破除對這一未知領(lǐng)域的神秘感，并激發(fā)其進一步深入學習的興趣。
3 結(jié)束語
針對機械電子工程專業(yè)本科三年級嵌入式系統(tǒng)原理與應用專業(yè)選修課的教學特點，設置并采用了合理的教學內(nèi)容和教學方法。
盡管課時數(shù)較少，在眾多知識點上無法深入講解和展開，但通過列舉實際案例，分解難點，在教學過程中能夠使學生保持濃厚的學習興趣，獲得良好的教學效果。
【參考文獻】
[1]潘登，陳啟軍.面向卓越人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學改革[J].計算機教育，2013(7)：1-5.
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[5]黃纓，劉卉.以就業(yè)為導向的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的教學體系研究[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2011(29)：52-53.
微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學新模式的研究和建設【2】
摘 要：建立微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)平臺，對嵌入式系統(tǒng)教學方法改革和嵌入式系統(tǒng)考核方法進行研究，以市場為導向、以企業(yè)為依托，為微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)合作探討新的教育模式。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 產(chǎn)學研 項目驅(qū)動 考核模式
隨著物聯(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。
主要問題是畢業(yè)生不能滿足市場對人才的要求，校企合作不夠緊密。
這種現(xiàn)象不僅存在于本科畢業(yè)生中。
隨著研究生的擴招，提高研究生就業(yè)率也提上了議事日程。
學校不能向?qū)W生提供足夠的實踐機會，有些教學只有理論講解，沒有實踐操作，或者學生做實驗僅僅是基于實驗箱的步驟完成實驗，不能提高學生的動手能力和實際工程項目研發(fā)能力，故不能滿足嵌入式研發(fā)企業(yè)對于人才的要求。
對于微電子專業(yè)而言，芯片設計更新?lián)Q代很快，系統(tǒng)集成、片上系統(tǒng)甚至片上可編程系統(tǒng)需求大批既懂芯片設計又懂嵌入式系統(tǒng)的復合人才，這方面與國際同行業(yè)先進企業(yè)對人才的要求還有很大的差距。
因此，如何破解這些問題，形成適應市場對嵌入式系統(tǒng)人才需求培養(yǎng)的新模式，是微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學面臨的一個重要課題。
國內(nèi)外很多高校和實驗室都對嵌入式系統(tǒng)課程進行了教學改革和嘗試，如英國雷丁大學、德國波恩-萊茵-錫格大學、新加坡南洋理工大學和加拿大卡爾頓大學等;國內(nèi)有清華大學、哈爾濱工程大學、江西理工大學和華中理工科技大學等。
上述研究往往涉及計算機專業(yè)或電子工程專業(yè)較多，但是對微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程的教學改革研究報道較少，并且大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)教學改革主要是實驗部分的改革。
為了貫徹落實《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》的精神，不斷深化本科生、研究生教學改革，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業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)教育新模式，走出一條將實際科研項目、教學環(huán)節(jié)和企業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合的特色之路。
以市場甚至國際市場為導向、以企業(yè)甚至跨國公司為依托、學研產(chǎn)相結(jié)合的新模式，把微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)科學研究、企業(yè)技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)緊密結(jié)合起來。
尤其是對微電子專業(yè)研究生的教育，與企業(yè)甚至跨國公司合作進行技術(shù)研發(fā)，提高人才的創(chuàng)新能力、解決工程實際問題的能力和專業(yè)工程素養(yǎng)，培養(yǎng)出基礎較扎實、實踐能力強、專業(yè)工程素養(yǎng)較高和企業(yè)歡迎的微電子專業(yè)畢業(yè)生。
為破解高校學生就業(yè)難、企業(yè)選人難的問題;為縮小我國與先進國家微電子專業(yè)復合人才的差距，具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的社會意義。
1 建立微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)平臺
嵌入式系統(tǒng)是微電子專業(yè)研究生和本科生的一門專業(yè)選修課。
微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的特點是緊跟芯片和軟件前沿發(fā)展動向、涉及學科多、國際性器件多且更新?lián)Q代快。
該課程要求理論與實踐緊密結(jié)合，企業(yè)需求解決工程實際問題的嵌入式人才，這些都促進了微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)教育新模式的開展，提高學生理論聯(lián)系實際和工程項目研發(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，本研究室在科學研究中已初步建立了小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、光柵測量系統(tǒng)、火炮發(fā)射計數(shù)系統(tǒng)、煙霧報警系統(tǒng)和完成芯片設計并成功流片的項目等，這些為該課程學研產(chǎn)新模式的探索和研究搭建了很好的基礎和平臺。
部分學生在華芯微特公司運用所學的ARM匯編語言進行指令集的測試設計和應用設計。
部分學生運用所學軟硬件系統(tǒng)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)。
微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)新模式的建立，很重要的一項內(nèi)容就是教學方法和考試方法改革。
以實際工程項目驅(qū)動為主要形式，以實際課題研究、技術(shù)開發(fā)為主要內(nèi)容，整合校企優(yōu)質(zhì)資源，優(yōu)化微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學與考試方法，提高學生的知識水平、學習、動手和實際工程實踐項目的研發(fā)能力，實現(xiàn)與企業(yè)的緊密合作，為學生成功走向市場，進入企業(yè)增加一份較強勁的推動力。
2 實際項目驅(qū)動教學方法改革
基于嵌入式系統(tǒng)學研產(chǎn)平臺，緊跟嵌入式學術(shù)前沿的發(fā)展動向，不斷改進企業(yè)所需的產(chǎn)品功能，并將實際的研發(fā)項目和研發(fā)過程引入到嵌入式系統(tǒng)課堂，采用課內(nèi)外學習、作業(yè)和實驗相結(jié)合的方法，使學生能完成嵌入式系統(tǒng)的實際硬件電路設計、程序編制、調(diào)試環(huán)境搭建、板級調(diào)試、網(wǎng)絡通訊、系統(tǒng)集成和文檔編寫等環(huán)節(jié)，提高學生的工程項目研發(fā)和實際動手能力。
將企業(yè)一線專家請到校內(nèi)，使學生近距離聆聽企業(yè)嵌入式專家的報告和指導，提高學生工程項目經(jīng)驗、創(chuàng)新能力、實踐能力，豐富學生的專業(yè)素養(yǎng)，也可以提高學生的就業(yè)率。
同時也為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供人才保障。
另外，也使學生和教師及時了解企業(yè)對畢業(yè)生的要求、對課程內(nèi)容的建議和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的需求等，緊跟嵌入式市場的發(fā)展需求，及時調(diào)整教學內(nèi)容和規(guī)劃，培養(yǎng)符合市場及企業(yè)一線需求的微電子嵌入式人才。
切實建立以國際市場為導向，以國內(nèi)企業(yè)和國際企業(yè)為依托、學研產(chǎn)緊密結(jié)合的微電子專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教育新模式。
同時進一步加深與企業(yè)之間長期緊密的學研產(chǎn)用合作關(guān)系，使平臺成為企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和我校微電子專業(yè)嵌入式人才培養(yǎng)的重要基地。
3 結(jié)合市場和微電子專業(yè)特點細分方向
基于微電子專業(yè)的特點，一部分學生今后主要從事嵌入式系統(tǒng)設計和研發(fā)工作。
從事嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的學生，重點學習硬件電路設計和軟件編程，通過需求分析、方案論證、資料搜集、系統(tǒng)設計、電路調(diào)試、軟件編程、系統(tǒng)測試、文檔寫作等全過程，完成一個標準工程項目的嵌入式系統(tǒng)研發(fā)。
另一部分學生今后主要從事器件或芯片的設計研發(fā)工作。
隨著芯片集成度的不斷提高，電子元器件朝著深亞微米方向發(fā)展，芯片設計朝著系統(tǒng)集成的方向發(fā)展，即SoC片上系統(tǒng)甚至片上可編程系統(tǒng)(SoPC)設計。
這部分學生需要學習和掌握嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、處理器的架構(gòu)體系、內(nèi)部器件和單元模塊的工作原理等。
如ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)和外圍接口的總線設計以及 ARM的匯編語言等。
在芯片設計中，匯編語言被大量應用于芯片測試中，如指令集的測試，通過匯編語言完成指令的操作，進而轉(zhuǎn)換成機器碼，通過查看寄存器來驗證流水線的設計是否正確;另外，匯編語言也被應用于芯片設計，運用匯編語言可以完成ARM source的準備等。
學生掌握了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理有利于進行系統(tǒng)集成的設計和應用。
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