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淺談通信專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實驗教學設(shè)計
論文關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 實驗教學 教學設(shè)計
論文摘 要：針對專業(yè)嵌入式實驗教學中存在的專業(yè)針對性差、設(shè)備缺乏和課程層次性不足等問題，文章利用本研究所自主研發(fā)的嵌入式實驗教學平臺，探討了以基礎(chǔ)型實驗、綜合型實驗，創(chuàng)新型實驗和課外實踐為基礎(chǔ)的分層次實驗課程教學方式。這種方式在教學實踐中取得較好的成效。
嵌入式系統(tǒng)是技術(shù)、通信技術(shù)、微技術(shù)等先進技術(shù)和具體應用對象相結(jié)合的更新?lián)Q代產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)面向具體的應用領(lǐng)域，隨著產(chǎn)品智能化、小型化的普遍需求，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透至各個行業(yè)，具有廣闊的前景[1]。近年來，各高校信息自動化計算機類專業(yè)逐漸將嵌入式系統(tǒng)納入重要專業(yè)課程范圍，尤其在嵌入式實踐教學體系方面進行了深入的探討[2-4]。
考慮到通信類學生的培養(yǎng)與實際就業(yè)情況的需求，在嵌入式教學中，除了使學生掌握基本的通信技術(shù)原理和嵌入式軟件設(shè)計的一般方法和流程外，還應注重培養(yǎng)學生的實際應用開發(fā)能力。因此，嵌入式教學應該傾向于實踐而不是僅僅局限于只是傳授理論知識。本文針對本專業(yè)嵌入式實驗教學中普遍存在的專業(yè)針對性弱、設(shè)備缺乏、課程系統(tǒng)性和層次性的不足等問題，利用研究所自主研發(fā)的嵌入式實驗教學平臺，設(shè)計了具體的實驗教學方案。
1 嵌入式實驗教學中存在的問題
嵌入式系統(tǒng)課程的實踐性非常強，為了加強學生對嵌入式系統(tǒng)理論知識的認知，提高學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，實驗教學在嵌入式課程教學中有著至關(guān)重要的作用。到目前為止，在嵌入式實驗實際教學中發(fā)現(xiàn)了以下問題。
缺乏針對性強的實驗平臺。嵌入式課程教學和人才培養(yǎng)具有高度的實踐性，通常情況下，教學所用的實驗平臺(實驗箱)是委托科教儀器公司開發(fā)的。由于教學投入不足，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備板子燒毀，講義資料不全，實驗箱不完善導致能開設(shè)的實驗不多，由于部分源代碼不開源等現(xiàn)象，所以相關(guān)實驗基本上都是演示性的實驗，或者與其他學科共同使用一套實驗設(shè)備，沒有本學科專業(yè)特色，很難實現(xiàn)視頻采集、音視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ�。這些因素皆不利于通信專業(yè)學生實踐能力的培養(yǎng)。其次，缺乏靈活的實驗設(shè)計及講義。在嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)中的軟件開發(fā)困難，既要考慮不同平臺的差異，又要具備一定的穩(wěn)定及易行性條件。以往這些類型的軟件開發(fā)都是由硬件廠商包辦，且提供的嵌入式系統(tǒng)軟件解決方案五花八門。而實驗設(shè)計應側(cè)重于主流操作系統(tǒng)下軟件的實踐和創(chuàng)新。此外，大多生照著詳細的實驗書按部就班，缺乏自主創(chuàng)新的意識，甚至不深入思考實驗現(xiàn)象背后的理論知識。這顯然與培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維和能力的目的背道而馳。而實驗課時少也是實踐教學中亟待解決的一個問題。嵌入式系統(tǒng)課程對學生的專業(yè)知識要求較高，學生先要學習單片機原理及應用、C/C++程序設(shè)計、DSP原理及應用等嵌入式
相關(guān)課程，等到具備了一定的實驗操作和編程能力之后，在大三下半學期或大四上半學期開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。理論性教學和實驗教學交叉進行，再加上總課時的限制，使得學生自主實驗時間大大減少。雖然已從原有實驗課時占較少課時的狀態(tài)，調(diào)整到實驗課時占總課時一半的狀態(tài)，課內(nèi)實驗還是遠不能滿足對學生的培養(yǎng)需求。
2 實驗教學配套設(shè)施
本研究所自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺是一套功能完善的實驗箱，選用ARM處理器+Linux操作系統(tǒng)的主流配置。實驗箱上提供有教學系統(tǒng)采用的各種測試點(包括圖像視頻采集輸入、I/O輸出等)，方便教學中使用示波器等測試儀器；多路數(shù)字信號源(包括四路視頻輸入功能)；ARM開發(fā)系統(tǒng)功能等眾多功能。此套基于雙核處理器架構(gòu)(雙核處理器架構(gòu)，是指采用一個ARM核及一個SoC圖像處理核的架構(gòu)芯片)的四路DVR教學實驗箱，可以實現(xiàn)視頻采集，H.264壓縮，音頻壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)等功能，主要為高等院校通信工程類專業(yè)、電子信息類專業(yè)等高年級學生的通信專業(yè)課程設(shè)計、通信專業(yè)大型實驗、畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計競賽以及研究生的數(shù)字通信實驗而設(shè)計，也可供相關(guān)專業(yè)的本�？飘厴I(yè)班學生使用以及自學使用。此外，還配有教學資料光盤，以及分層次、系統(tǒng)的實驗指導書。實驗系統(tǒng)構(gòu)架。
由于嵌入式系統(tǒng)涉及的知識廣、綜合性強和應用性強，且軟硬件技術(shù)不斷革新，這就需要授課老師具有一定的項目開發(fā)經(jīng)驗。而本套實驗箱正是由授課老師參與研發(fā)，對于一些新進的通信類教師也開放學習與研究。在對嵌入式實驗平臺有個系統(tǒng)的認識之后，遇到突發(fā)問題也可以及時解決，這大大降低了教師的授課難度，提高了實驗課效率。
3 實驗教學設(shè)計
結(jié)合理論教學，嵌入式系統(tǒng)實驗的重點放在軟件的開發(fā)上。充分考慮到嵌入式軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、開發(fā)內(nèi)容和方式的特殊性，從而設(shè)置多種配置方案、多層次實驗項目的實驗教學內(nèi)容。學生邊學習理論知識，邊進行實驗操作，設(shè)置一些基礎(chǔ)型和模塊化的實驗使其對原理有更透徹的認知。當學生理論知識積累到一定的程度，可通過設(shè)置綜合型的實驗使學生進行系統(tǒng)學習與提高。此外，為了達到學生自主創(chuàng)新能力提高的目的，創(chuàng)新型實驗的設(shè)置也必不可少。減少基礎(chǔ)型實驗，同時增大綜合型和創(chuàng)新型實驗的比例，并加入可選項，學生可根據(jù)自己的能力興趣，自主制定實驗內(nèi)容。另外，為了適應本專業(yè)學生的培養(yǎng)，除了需要掌握嵌入式系統(tǒng)基本的方式方法之外，還在綜合型實驗中設(shè)置了較多通信類實驗課程。
這樣，學生在實驗過程中，由淺到深、由基礎(chǔ)到綜合地進行實踐操作，符合漸進性的教學規(guī)律。為了解決課時少的問題，設(shè)置了一部分課外可操作的實驗，使一部分有興趣而不滿足于課內(nèi)學習設(shè)計的學生有更廣闊的學習時間與空間。
3.1 基礎(chǔ)型實驗
基礎(chǔ)型實驗多為驗證型實驗，其目的是為了讓學生掌握基本的理論知識以及嵌入式軟件的一般開發(fā)流程，熟悉開發(fā)工具與開發(fā)，為之后的綜合型實驗和自主創(chuàng)新型實驗做好準備。這部分實驗指導書較詳細，學生能夠扎實地掌握嵌入式系統(tǒng)的基本軟件開發(fā)知識�；诒緦嶒炏到y(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)實驗主要如下。
ADS環(huán)境下的匯編指令實驗。本實驗介紹了ADS環(huán)境下用匯編進行編程和調(diào)試的一般流程，以及使用匯編語言實現(xiàn)對GM8180開發(fā)板進行初始化的方法。目的是為了讓學生熟悉和掌握ADS開發(fā)環(huán)境。
建立Linux虛擬機及熟悉常用命令實驗。通過本實驗，學生需要掌握如何在Windows系統(tǒng)下面搭建Linux服務(wù)器，并學會基本的Linux命令和操作。
Linux交叉編譯平臺實驗。通過在Linux下建立交叉編譯平臺和使用交叉編譯平臺編譯源代碼的方法，使學生熟悉和理解交叉編譯的原理和概念，學會建立Linux交叉編譯平臺。
程序下載燒寫實驗。本實驗介紹了配置和編譯BootLoader(ARMBOOT)和Linux內(nèi)核的方法，從而學生可以掌握下載編譯好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux內(nèi)核的方法以及建立NFS文件系統(tǒng)的方法。
Mount掛載(nfs/usb/sd)實驗。通過本實驗，學生能掌握配置linux下nfs服務(wù)的方法和mount掛載usb/sd的方法。
3.2 綜合型實驗
綜合性實驗旨在培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計能力。根據(jù)之前的理論教學與基礎(chǔ)性實驗的練習，綜合所學知識，具備基本的軟件開發(fā)能力。這部分教學實踐實行“教師逐步放手，學生動手去做”的原則，故實驗書編寫得簡明扼要。為了達到綜合培養(yǎng)的目的，既要包括多方面的知識與設(shè)計要求，又要有空間讓學生自己發(fā)揮。
ADS下混合編程。本實驗讓學生熟悉和掌握在ADS下C和匯編語言的混合編程和調(diào)試，鞏固使用AXD和Mulit-ICE調(diào)試的方法。
C語言程序設(shè)計與串口實驗。通過本實驗，學生可以掌握在ADS環(huán)境下的操作和JTAG的下載和調(diào)試，掌握使用C語言對GPIO端口控制。
GPIO驅(qū)動實驗、I2C驅(qū)動實驗。在理解Linux驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)、原理和I2C協(xié)議的原理，掌握Linux驅(qū)動程序的編程的基礎(chǔ)上，學生能夠掌握Linux動態(tài)加載驅(qū)動程序模塊的方法。
圖像合成實驗。本實驗要求學生具有圖像合成的知識，熟練進行實驗設(shè)備的連接和調(diào)試、寄存器的設(shè)置，能夠修改配置文件，深入理解圖像合成的原理。
MMC/SD驅(qū)動實驗。在學生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驅(qū)動的結(jié)構(gòu)以及SD卡的掛載的方法和測試方法后，能夠配置、編譯Linux內(nèi)核，在實驗箱上燒寫Linux內(nèi)核，建立NFS文件系統(tǒng)，并運行測試程序進行SD卡的讀寫。
視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗。學生在了解了視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議工作過程及原理之后，學會在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)視頻傳輸?shù)姆椒ā?
Web服務(wù)器實驗、單Server多Client實驗。在本實驗之前，學生已經(jīng)熟悉了Web服務(wù)器原理及工作過程，通過路由器將實驗箱和PC機連接，編寫簡單的服務(wù)器代碼，在PC機上運行IE瀏覽器，能夠查看網(wǎng)頁服務(wù)器是否運行；以及熟練開啟Linux，能向多個客戶端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。
遠程控制視頻實驗。本實驗要求學生理解遠程控制的原理，通過本實驗掌握在Windows下TCP客戶端建立及通信的過程，及Linux下TCP服務(wù)器建立及通信的過程。
3.3 創(chuàng)新型實驗
在嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域里，嵌入式軟件已經(jīng)逐漸成為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新和增值的關(guān)鍵因素，所以實驗教學應側(cè)重于軟件實踐和創(chuàng)新。理論和實踐要相結(jié)合，而學生的創(chuàng)新能力要著重培養(yǎng)。針對本實驗系統(tǒng)的可開放性，設(shè)計了一些具有創(chuàng)新型的實驗，比如修改內(nèi)核的內(nèi)部代碼，從而能使學生深入理解實時操作系統(tǒng)的一些機制，加深對理論知識的理解與鞏固。再加上指導教師對實驗系統(tǒng)原理的熟知，即使學生在操作的過程中導致實驗系統(tǒng)癱瘓也能及時得以解決，讓學生放心大膽進行實踐設(shè)計。
在實驗課堂上，學生難免會依賴于實驗設(shè)備以及教師的指導而缺乏自主思考的動力，再加上實驗室開放場地和時間的限制，要在有限的時間和空間里完成自主創(chuàng)新設(shè)計有些困難。課程選用ARM處理器+Linux操作系統(tǒng)的主流配置，學生可以在課外利用PC機上的Linux進行代碼編寫，可行之后再利用實驗箱進行驗證。這樣，一方面可以減少場地和時間的限制，加強學生對所學知識滲透性的認知，另一方面提高了學生自主學習能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力�；诖耍谡n程設(shè)置上，加進了學生自主安排時間。
3.4 課外實踐
鼓勵學生參加院校級“建龍基金”、“運河杯”等
課外科技立項活動�；顒踊鹛峁⿲嶒炂脚_，而通信類學生可以根據(jù)自己的興趣與長處設(shè)立通信網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備等的項目計劃，資金設(shè)備并在導師的同意后獲得實驗室開放資源。此外，通過組織學生參加省級、國家級設(shè)計大賽及其他各種嵌入式應用型競賽，讓感興趣、學有余力的學生得到更好的實踐與創(chuàng)新能力鍛煉的機會。
4 結(jié)語
嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展迅猛，不斷滲透各個行業(yè)，人才要求也日益迫切。近幾年來，為順應和企業(yè)人才的需求，越來越多的高校將嵌入式系統(tǒng)的課程加入通信類專業(yè)教學體系，使之成為專業(yè)選修課甚至專業(yè)必修課。然而，嵌入式教學體系還未成熟，存在諸多問題。針對前文分析的課程設(shè)置缺陷，及我們在教學中發(fā)現(xiàn)的問題，本文以研究所自主開發(fā)的嵌入式實驗教學平臺為例，提出了針對通信學生的層次性的實驗教學方案。根據(jù)軟件實驗環(huán)境，設(shè)置合理的實驗課程，突出自主性與創(chuàng)新性，提高學生自主學習的能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)興能力具有重要意義。
參考文獻：
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