嵌入式课程设计范文

导语：如何才能写好一篇嵌入式课程设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：嵌入式Linux；体系结构；课程研究

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0070-02

近年来嵌入式Linux系统发展较快，在中国，以Linux为基础的嵌入式操作系统也很活跃，其中中软Linux、红旗Linux、东方Linux是业界的代表。嵌入式Linux系统的应用范围很广，尤其随着智能手机及物联网系统的发展，基于嵌入式Linux系统的电子产品已进入人们的生活，如基于Linux的Android系统，基于Linux的智能家居系统、物联网系统，3G行业应用如移动视频监控-车辆应急指挥调度、远程的区域监测、安防领域、移动电子商务等。嵌入式Linux是把Linux内核移植到一个专用嵌入式设备的CPU和主板上。嵌入式Linux和桌面Linux提供的API函数与内核源代码都是相同的，嵌入式Linux开发主要通过在桌面Linux利用源码编辑器如vi编写源代码，通过交叉编译器编译出能在嵌入式开发平台如手机、机顶盒或智能家居等产品上运行的可执行文件。嵌入式Linux开发的工具还包括调试器、CVS等项目管理软件等。

一、嵌入式Linux设计课程概述

嵌入式Linux设计是电子信息专业及相近专业的一门专业课，其目的是使学生了解主流嵌入式系统开发软件嵌入式Linux驱动程序的设计和开发过程。学生熟悉掌握嵌入式系统常用的硬件接口时序、电气特性；掌握针对硬件的Linux驱动程序实现方法，包括I/O口、CAN总线、触摸屏、IIC、异步串口、音频、显示、USB、以太网及Flash的使用及驱动程序的编写。[1]熟悉嵌入式Linux的中断处理、Boot Loader和内核电启动过程。图1为嵌入式Linux系统架构图。

二、嵌入式Linux设计课程研究

1.嵌入式Linux系统体系结构

（1）嵌入式Linux系统硬件组成。核心板：采用高性能嵌入式处理器、Mobile DDR、NAND Flash、NOR Flash；电路：带触摸屏真彩色宽屏LCD、USB HOST、UART，RS232端口、立体声语音输出、耳机、自适应10/100M网卡、板载GSM/GPRS模块、步进电机电路模块，搭载射频模块；扩展模块：主/从蓝牙模块、Zigbee模块、传感器部分。

（2）软件组成。操作系统：Linux2.6.21，Linux2.6.38。引导程序：U-boot.1.1.6。图形界面：QT 4.6。嵌入式Linux系统的开发流程。元器件选型：根据要实现的系统功能及目前市场上可选用的元器件来设计电路。原理图编制：用Protel等相关电子CAD工具将设计好的电路图在电脑中绘制出来。印制板设计：在Protel等工具中画好芯片及电阻、电容等封装，将原理图转换成PCB板图，并完成布线。样板试制：把PCB板图进行制板，并焊接好相应元器件。硬件功能测试：在焊接元器件时要按功能模块顺序焊接，焊接好一个模块后接着测试其功能，发现问题及时解决。如通过USB供电模块对应的USB接口及降压芯片、电阻、电容等焊接完后，将USB接口插到电脑USB接口处，并通过万用表测量USB接口引脚电压，如果显示5V即为正确电压，说明电路设计及焊接都成功。如果以后其他部分出现问题时可以排除这部分芯片的嫌疑。编写引导程序：分汇编语言部分和C语言部分，实现硬件初始化和引导操作系统的功能。操作系统移植：在官网下载最新Linux版本，根据本设备硬件配置裁剪Linux源代码并修改。文件系统：没有文件系统，内核不完整，最后内核启动后要找文件系统，如果没有文件系统会提示失败。通过文件系统管理硬盘，下载应用程序。驱动程序编写：用户程序无法直接操作用户态，要用中间层软件―设备驱动程序。用户程序必须通过系统调用，间接调用驱动程序访问硬件。API设计与开发：API设计是为了让应用程序员在开发时更方便，提供了绘图接口函数、文件接口函数及控件函数等。应用程序设计：根据功能需求设计如手机游戏、PDA基本管理功能、机顶盒信号处理等。[2]系统联调：产品所有功能设计好后，整体加载到硬件设备中，调试其功能稳定性。样机支付：加工外壳，封装好设备，可以投入市场。

该部分要在课程讲解的基础上带领学生通过实践课或课程设计完成一项电子产品的整体设计，让学生真正体会到嵌入式产品是什么，怎么移植嵌入式Linux系统。

2.引导程序

引导程序Bootloader是系统加电后运行的第一段代码，也就是在内核启动前运行的第一段程序。引导程序的功能：初始化硬件设备、建立内存空间的映射图。将操作系统内核映像从Flash内拷贝到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，即启动操作系统。常见的Bootloader有Vivi、Blob、Redboot和U-Boot。下面介绍U-Boot的启动流程：

（1）第一阶段。依赖于CPU体系结构的代码，用汇编来实现：系统上电后进入svc模式；关闭看门狗禁止所有中断；进行初级硬件初始化后将自身代码拷贝到SDRAM中；设置堆栈、清空bss段，最后跳转到C语言实现的第二阶段中。

（2）第二阶段。设置参数引导内核，并跳转到内核入口处。通常用C语言来实现，可以实现复杂的功能，并具有很好的可读性和可移植性。

该部分的源代码量比较少，涉及到ARM汇编和C语言编程，是整个系统中的第一段代码，很重要，需要带着学生从第一行代码开始逐行剖析。

3.嵌入式Linux内核

分析内核源码：包括初始化Cache、Mum等设置；内核解压函数；非压缩内核启动汇编段。内核移植：修改与具体的硬件构架和开发板类型相关的文件代码，如.config文件。选择相近的demo板，可以最大实现代码重用，在此基础上进行必要的修改。对不同类型的NAND Flash、网卡、YAFFS FLASH进行移植修改。Linux代码量很大，该部分的学习重点是如何移植Linux到嵌入式平台上，如何裁剪代码。

4.设备驱动程序

上层应用程序是通过驱动程序使用底层硬件。应用程序使用标准库调用，用户程序必须通过系统调用，间接调用驱动程序访问硬件。每个硬件接口不一样，由内核提供黑匣子接口屏蔽用户。设备驱动程序分为字符设备驱动程序（包括各种串行接口、并行接口等）、块设备驱动程序（包括磁盘设备等）、网络设备驱动程序（包括网卡等）及杂项设备驱动程序（如SCSI、时钟等）。[3]驱动程序代码也是以移植修改为主，根据新增加接口及设备型号修改厂商支持的原有程序代码。

5.文件系统

Linux中一切皆文件，所有的设备、内存都模拟成文件。Linux的文件系统包括四种：命名空间、API（用来便利和操作对象的一套系统调用）、安全模型（用来保护、隐藏和共享事物的方案）和实现（把逻辑模型同实际硬件联系到一起的软件）。建立在Flash上的文件系统包括EXT2、Jffs2、yaffs、CRAMFS、proc等文件类型。Linux下的文件分成五种文件类型：字符设备、块设备、连接、普通文件和目录。

构建嵌入式文件系统先构建根文件目录，文件系统通过busybox工具集来制作目录和根文件系统，通过mk命令做成crmafs只读根文件系统镜像，最后烧写根文件系统。

6.图形界面

QT是现在流行的跨平台的C++图形用户界面（GUI）工具包。通过QT能设计2D、3D等多种界面图形。在QT程序中，利用信号和插槽机制进行对象间的通信。QT有Windows版本，可以在Windows操作系统中开发后通过交叉编译后移植到嵌入式Linux环境中。[4]在设计嵌入式Linux界面时使用Windows QT4.0在Windows环境下开发，属于可视化界面，不用通过代码创建控件，通过工具可以直接拖拉控件到窗口中，简单方便。

三、嵌入式Linux的发展方向

嵌入式Linux发展的前景非常好，但是人才的缺乏已经成为当前制约嵌入式Linux发展的瓶颈。一方面，因为嵌入式人才领域门槛较高，从事嵌入式软件开发的工作人员不仅要熟练掌握C/C++、汇编语言等基础，而且对Linux内核和底层驱动程序及硬件都要熟悉。另一方面，因为这一领域较新，目前发展太快，很多软硬件技术出现时间不长，如ARM11/A8处理器、嵌入式Linux操作系统、无线通信协议、移动USB3.0高速传输等，目前国内乃至国际上能够掌握这些新技术的人才相当匮乏。所以近几年包括未来几年，市场对嵌入式Linux人才的需求都非常旺盛。

四、总结

嵌入式Linux设计课程涉及嵌入式Linux系统构建、驱动开发、内核移植、根文件构建、应用及图形开发。嵌入式Linux设计还可以增加系统管理部分内容，如服务器管理、数据库管理、网络配置、防火墙配置与管理、日志管理及维护等。随着Linux操作系统的完善和发展，以嵌入式Linux为内核的嵌入f系统也已无处不在。数字化、智能化使传统设备电子化，具有这些功能的嵌入式Linux操作系统的应用前景会越来越广，学好该课程对发展嵌入式系统、物联网技术具有重要意义。

参考文献：

[1]王小妮.基于嵌入式系列课程的教学改革与探索[J].教育理论与教学研究，2013，（5）.

[2]冼进.嵌入式Linux应用开发详解[M].北京：电子工业出版社，

2007.

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关键词：实验教学；嵌入式系统；Linux系统

嵌入式Linux系统由于具有开源、网络功能强大、内核稳定高效等特性，在产品开发周期、产品的功能可扩展性、开发时的人力投入等方面都具有显著的优势，因此广泛应用于中低端智能电子设备中。随着物联网的趋热，作为物联网的底层技术之一的嵌入式智能技术将具有巨大的市场前景[1-2]。

而在高校教学中，对于嵌入式技术这类强调实践性的学科，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的。本文针对当前高等院校嵌入式实验课程，特别是嵌入式实时软件开发这门课程的教学投入不足、学生学习效果不佳的问题，提出了具体的实验教学设计方案。并且详细地剖析了一些重点实验，给出了这些实验在教学设计中实现的具体方案。

1嵌入式Linux系统开发实验课程分析

嵌入式Linux课程设计具有很强的渗透性，与其他专业课程相比，嵌入式Linux课程设计具有独特的特点[3]：该课程对学生的专业知识有较高的要求，课程具有交叉性，并且对学生的动手能力和系统思考解决问题的能力要求较高。

通过实验，学生能够掌握嵌入式Linux系统程序设计方面的基本概念和技能，嵌入式软件设计的一般方法和流程，以及基本的实时控制方法、嵌入式网络编程、嵌入式文件系统操作、I/O控制等知识；通过综合实验的学习和模拟，使学生能够达到实际开发能力的目的。然而嵌入式系统的一大特色表现在发展速度上[4]。嵌入式系统的应用无处不在，其知识的新陈代谢的非常快，新技术层出不穷，这就需要教师不断地将新的应用技术补充到嵌入式系统教学体系之中，推陈出新，设计出新的实验项目。在实际的教学实验中，针对嵌入式系统实验，教师应注重培养学生自己动手设计开发综合项目的能力，使学生能够设计出实用的嵌入式软件系统，适应于社会的需要。

本文的实验运行在ARM-Linux操作系统下，结合ARM2410/PXA270/OMAP5910平台的嵌入式Linux程序设计与系统开发技术，秉承理论与实践相结合的思想，帮助学生快速跨入嵌入式系统开发的门槛。

2嵌入式Linux系统开发实验教学设计

嵌入式系统开发课程涉及操作系统分析和应用软件编程等知识，学生需要能够理解嵌入式实时操作系统的工作原理、掌握基本的开发流程和开发工具的使用方法。在实验的设计上既有简单的基础实验也有复杂的综合实验，每部分的实验环节充分体现了“分层次、分阶段”的教学思想。本文将实验分为三部分：

2.1基础性实验

目的是让学生了解嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程；熟悉实验开发工具，掌握实验开发工具的操作方法及使用，熟悉软件编程环境，为更进一步实验做准备。

2.1.1嵌入式应用程序交叉开发环境的建立

本实验介绍了一般的嵌入式开发流程，以及开发环境中的软件和硬件的安装与调试。目的是让学生了解嵌入式交叉编译的相关知识，以及能够搭建嵌入式Linux系统的开发环境。

2.1.2开发基本的嵌入式应用程序实例

通过嵌入式应用程序Makefile与Hello World实验，使学生熟悉Linux开发环境，了解基本的嵌入式开发的基本过程，以及Makefile的基本内容，掌握基本的程序设计方法与流程，建立起任务的概念，为后续的应用程序的设计打基础。

2.1.3Linux 多线程使用实例――生产者-消费者协议

通过本实验，学生可以了解操作系统提出的多个机制对线程的执行顺序进行限制，包括互斥锁和条件变量等机制。在这里引入生产者―消费者模型对多线程的管理机制进行描述。目的是让学生了解多线程程序设计的基本原理，并且使学生学习pthread库函数的使用。

2.1.4进程相关的应用程序设计――进程创建及通信

通过本实验，学生可以了解对于操作系统进程的一些基本操作，包括进程函数、信号函数和管道函数的相关使用机制等。目的是让学生了解在Linux下进程通信的相关原理，以及掌握使用进程进行相关应用程序设计的能力。

2.2基本技能性实验

通过构建嵌入式Linux系统以及内核定制、系统引导、文件系统、接口设计、驱动程序开发、图形界面设计、以及通信应用等实验，学生可以更清楚深刻地理解嵌入式Linux系统的相关术语，体会嵌入式Linux系统的组成要素，提高操作的人性化水平、完成功能完善的应用系统。目的是让学生掌握嵌入式系统特有的编程机制和提供的各种编程接口，使之具备基本的嵌入式程序开发技能。

2.2.1嵌入式Linux内核、引导系统和文件系统实验

通过构建嵌入式Linux系统以及内核定制等实验，学生可以更清楚深刻地理解嵌入式Linux系统的相关术语、体会嵌入式Linux系统的组成要素。目的是让学生了解Linux内核的结构、具有编译Linux内核的能力，以及了解一个操作系统的构造。

1)Linux内核裁剪与编译实验。

以源程序的形式提供给学生一个分析研究的例子，展示内核的配置、内核镜像的编译过程以及内核的测试。让学生了解Linux内核的结构，以及操作系统的构造，使学生具有编译Linux内核的能力。

2) 引导系统和文件系统实验。

此处利用一个阶段性的综合性实验―软盘Linux操作系统的实现，使学生了解一个操作系统的构造，以及如何制作软件Linux操作系统。在该实验中，要求学生使用软盘进行GRUB配置，让学生观察如何实现的引导系统；之后使用make menuconfig进行内核配置，再使用BusyBox编译生成一个新的根文件系统，使学生了解文件系统是如何实现的；最后将内核镜像和根文件系统整合到软盘中完成实验。学生在读懂源程序流程的基础上可以对例程进行修改，验证是否完成所设想的功能。

2.2.2嵌入式Linux接口设计与驱动程序实验

驱动开发是嵌入式Linux系统开发中一个重要的组成部分，此部分实验对学生的前述基本功要求较高，要求学生不仅要熟悉Linux的内核机制、驱动程序与用户级应用程序的接口关系，还要考虑设备的并发操作等因素，而且要了解所开发硬件的工作原理。

1) 虚拟驱动模块实验。

使用静态结点方式进行驱动程序的开发和测试。需要学生首先创建一个新目录，并在其中编写驱动程序nodevfs.c和Makefile文件，然后编译生成驱动程序模块。基于该驱动程序模块编写测试程序。然后将程序模块装入到目标开发板上，建立设备结点并连接，运行及测试程序。通过本实验学生可以学习在Linux下进行驱动设计的原理，掌握使用静态结点方式进行开发调试的过程以及如何使用动态devfs方式进行开发调试的过程。

2)A/D接口驱动实验。

要求学生使用C语言编程Makefile文件和线程库，完成A/D驱动程序以及测试程序。例如要求学生编程实现采集A/D前三路通道信息，并在终端上显示0～9的范围。通过本实验，学生能够掌握程序编写的基本过程，以及了解S3C2410芯片的8通道10位A/D的操作与控制。

2.2.3嵌入式Linux图形界面实验

1)Qt图形界面相关实验。

要求学生使用C语言进行编程，以及Makefile文件来完成Qt图形界面相关实验。通过本实验使学生熟悉如何在Linux环境下安装Qt和Qt/Embedded环境，如何在Qt/Embedded环境下使用qvfb显示程序结果，以及如何完成Qt/Embedded的交叉编译环境并且运行程序。

2)Qtopia的移植以及编程实验。

本实验的目的在于使学生熟悉如何在Linux环境下安装Qtopia环境，如何使用qvfb显示Qtopia环境，以及如何在开发板上运行Qtopia环境。在了解了安装Qtopia的基本步骤后，需要将Qtopia移植到ARM平台上运行。

2.2.4嵌入式Linux下的通信实验

随着嵌入式系统技术的发展，纯单机工作已经远远不能满足用户的需求，因此各个系统之间的信息交互由于具有广泛的应用价值面成为嵌入式技术更深层次的应用。因此需要学生掌握嵌入式Linux系统下的各种通信应用，包括串口通信、网络通信、蓝牙通信以及CAN总线通信。学生可以尝试把通信编程和之前的各种案例结合起来，完成功能更加完善的应用系统。

1) 串口通信实验。

串口作为计算机一种常用的接口，具有连接线少、通信简单的优点，因此得到广泛应用。特别是在嵌入式系统的开发和应用中，经常需要使用宿主机实现目标机的调试及现场数据的采集和控制。从而通过串口线连接宿主机和目标机达到通信的目的。

要求学生编写发送端程序和接收端程序，发送端程序经交叉编译后在目标机上运行，接收端程序在宿主机上运行，发送端程序通过串口发送字符给接收端。本实验的目的在于使学生了解使用Telnet登陆目标机的方法以及掌握串口通信的编程方法。

2) 网络通信实验。

随着网络的发展，需要解决网络间不同主机进程间的相互通信问题。为了解决网络上的不同主机，可以用相同的进程号来表示没有任何关系的两个进程的问题，从及操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式不同等问题，实验需要学生首先熟悉TCP/IP协议中引入的地址和端口的概念，并要求学生使用C语言编写skt_cli.c程序，stk_ser.c程序以及相应的Makefile文件，编译成功后生成执行文件后，在嵌入式开发平台和宿主机上运行测试。本部分实验目的在于使学生了解在Linux系统下的Socket通信的基本原理，以及使学生掌握Socket编程的相关知识。

3) 蓝牙相关实验。

蓝牙计划主要是面向网络中各类数据及语音设备，使用无线微波的方式将它们连成一个微网，多个微网之间也可以互连，从而方便快速地实现各类设备之间的通信。本实验要求学生编译内核，使内核包含蓝牙模块的相关驱动，重新烧写内核，最终使开发板上的蓝牙适配器能够和Windows主机中的蓝牙适配器建立连接。其目的使学生掌握蓝牙设备通信原理，以及Linux嵌入式开发平台上蓝牙设备的使用。

4)CAN总线实验。

要求学生使用C语言进行编程，完成Makefile文件，CAN驱动程序，以及测试程序的编写。目的在于使学生掌握CAN总线通信原理，以及学习CAN总线控制器MCP2510驱动的开发，使学生能够更改CAN应用程序的内容，实现两台开发板之间CAN数据信息的收发。

2.3综合应用性实验

此阶段实验目的在于运用基础技能部分所学，进行综合应用，独立完成项目开发。由于是综合实验，因此在第二阶段即给出题目，要求学生在整个实验阶段进行构思与准备，最后连接代码。以基于蓝牙技术的嵌入式点菜系统为例，对项目进行整体规划设计以及具体实现的步骤进行介绍。

大多数无线点菜系统都是一套基于掌上电脑和802.11b无线局域网技术的实用型系统。从功能上来说，嵌入式开发板端即客户端，包括开台点菜模块和蓝牙数据传输模块；PC机端即服务器端，包括菜单管理模块、消费结账模块和蓝牙数据传输模块。客户端和服务器端的蓝牙传输模块都是通过后台线程实现的，而其他模块都是通过与Qt图形界面的交互实现的。

整个点菜系统的通信结构为一个微微网，服务器端位于该微微网的中心节点，利用BT_PROTO_ RFCOMM协议与其他的点菜端进行通信。

1) 服务器端设定了接收数据和发送数据的缓冲区，分别保存接收到的点菜信息和要发送的结账房间号，利用多线程技术实现数据的发送、接收和界面事件处理的“并行”执行。服务器端程序一运行，在建立图形界面的同时，创建用于蓝牙通信的线程并进行连接监听；当客户端建立蓝牙连接后，通信线程不断地从与点菜终端的连接中读取数据，若读到数据，则保存到接收数据缓冲区中，表示有点菜信息，便进行信息提取并保存到数据库的消费信息表中。同时，不断地检查发送数据缓冲区，若缓冲区内容不为空，表示有了结账的房间，则向点菜终端发送该数据。同样，客户端也设定了接收数据和发送数据的缓冲区，分别保存接收到的结账房间号和要发送点菜信息，利用多线程技术实现数据的发送、接收和界面事件处理的“并行”执行。

2) 蓝牙程序的开发主要是利用Bluez协议栈中的相关库函数，主要数据结构是sockaddr_rc，该结构的用法与Socket中的sockaddr_rc类似。蓝牙通信和Socket通信类似。另外蓝牙地址BD_ADDR和相应字符串之间的转换函数：bas2str(&rem_addr.rc_bdaddr, buf); str2ba(dest,&addr.rc_bdaddr)。

3结语

嵌入式Linux系统是一门实践性很强的学科，本文列出多个实验及综合设计环节，构成了一个完整的实验教学体系，目的是让学生由浅入深，循序渐进地去学习、了解和掌握嵌入式Linux系统开发流程，对学生的嵌入式Linux系统设计和研发能力培养起到了积极作用。

参考文献：

[1] 李岩,王小玉,孙永春. 嵌入式系统教学研究[J].电气电子教学学报,2006,28(3):45-47.

[2] 凌明,王学香,钟锐. 电子类专业嵌入式系统课程体系建设探索[J].电气电子教学学报, 2007,29(5):4-6.

[3] 王先春,郭杰荣,胡惟文,等. 基于ARM_Linux的嵌入式Web服务器的设计与实现[J].微计算机信息,2007(14):163-165.

[4] L.T.Clark，E.J.Hoffillan，J.Miller，et al. An embedded 32- bit microproeessor core or low-power and high-performance applications[J]. In:Proeeeding of IEEE Journal of Solid-State Circuits. San Francisco.2001.US:IEEE Press,2001: 1599-1608.

Design on the Experimental Teaching of Embedded Linux System Development

SHENG Linyang, LI Liping

(Computer Science and Information Engineering College, Harbin Normal University, Harbin 150025, China)

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嵌入式系统是以应用为核心进行定制的计算系统，融合了多种技术，并与具体

>> 面向嵌入式行业　英特尔推出新型凌动处理器 嵌入式阵列处理器的发展 嵌入式系统中的处理器 探讨嵌入式DSP处理器的应用 基于嵌入式处理器的循迹小车的设计 基于ARM处理器和LINUX系统的嵌入式网络过滤装置 基于嵌入式Wi-Fi处理器的无线系统设计 基于ARM体系看嵌入式处理器的发展 基于双PowerPC　7447A处理器的嵌入式系统硬件设计 嵌入式系统的中嵌入式处理器的分类与选型 基于ARM处理器的嵌入式WEB服务器的设计与实现 基于Codex－M3内核处理器的嵌入式Web服务器设计 基于NIOS II嵌入式处理器的公路视频监控图像的显示控制 基于Nios　II嵌入式软核处理器的液晶显示模块接口的实现 基于嵌入式处理器STM32的抽油机井实时监控系统 一种基于异构双核处理器的嵌入式操作系统构架设计 基于ARM处理器的CAN＋Ethernet嵌入式专家系统设计 怎样选择嵌入式媒体处理器 嵌入式处理器MIPS和ARM 嵌入式处理器电源设计指南等 常见问题解答 当前所在位置：l.

[2] The Australian Higher Education[EB/OL].[2011-07-02]..

[4] 留澳论坛[EB/OL].(2009-09-18)[2011-03-10]. .

[5] City of Ballarat[EB/OL].[2011-06-22]. ballarat.vic.gov.au/.

[6] Irene Scott. The Chinese in Ballarat[EB/OL].[2011-06-22]./Chinese%20in%20 Ballarat.htm.

[7] 巴拉瑞特大学中文网站[EB/OL].[2011-06-22]./.

A Village University

SUN Zhaohao

(Graduate School of Information Technology and Mathematical Sciences, University of Ballarat, Ballarat 3353, Australia)

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关键词： 慕课； 嵌入式课程； 教学模式； 教学改革

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-75-02

Abstract： With the development of Internet technology in the field of education， MOOC has become a means of education and the resource of education that cannot be ignored， and has brought new challenges and opportunities to the traditional classroom teaching mode. During the teaching of embedded system principle and design course， the course content selection， teaching mode and evaluation method are studied and practiced to deal with MOOC.

Key words： MOOC； embedded system； teaching method； teaching reform

0 引言

随着计算机技术，半导体技术，信息处理技术及通信技术的发展，人类正从互联网时代迅速进入物联网时代。物联网简而言之，就是物物相连，那么物与物连起来就离不开嵌入式系统，只有给物嵌入一颗“芯”，物与物才能联起来。因此，嵌入式系统原理及设计的教学在各高校纷纷开展起来，发展的如火如荼。

嵌入式的教学自2000年左右在清华及北航等高校率先开展起来，迄今已有十多年的发展史。主要教学内容有嵌入式微处理器体系结构，嵌入式操作系统及应用系统的设计与开发等。

嵌入式微处理器体系结构方面，基于ARM技术的处理器已经占据了32位RISC芯片75%的市场份额，成为实际上的主流技术。从ARM7，ARM9，ARM10到现在的cortex系列，支持这些标准的芯片生产巨头如三星，飞思卡尔，TI等，生产了大量基于这些IP核的芯片，这给教学提供了丰富的硬件资源。

嵌入式操作系统的也有许多选择。有简单易学的ucOS，开源的ucLinux，高性能高可靠的VxWorks，还有背靠微软的WinCE，异军突起的Andriod等。

在应用与开发方面更有数不清的教学内容，只要是嵌入式的应用领域，就可以成为相应的教学内容。可以是物联网，智能家居，消费电子，汽车电子，医疗，军事，航空航天，机器人等各个方面。

1 慕课对嵌入式课程教学的影响

慕课（MOOCs）始于2012年[1]，虽然发展历史极为短暂，但其影响力不容小觑。美国先后成立的三个开发慕课的公司：Udacity，Coursera和edX，其与著名的哈佛大学、麻省理工学院、斯坦福大学等知名高校合作制作了一系列慕课在线课程，这些课程不仅在美国，而且在全世界吸引了的大量的学习者[2]。2013年慕课进入中国，清华大学，北京大学，上海交通大学和复旦大学利用Coursera 及edx 等在线网络平合网络公开课程。

慕课课程主要由教学视频、阅读材料、作业、小测试、讨论等几个环节组成[3]。教学视频是教师授课，类似于课堂教学，教授课程的知识点，时间可长可短，有些长达一小时，有些由若干微视频（三分钟至十五分钟）组成，经研究，学生的注意力在10分钟左右是最能集中的，因此越来越多的课程采用了微视频的模式。学习了教学视频后，学生需要阅读一些规定的与课程相关的材料。在学习过程中，学生可以通过网上平台与其他学生进行交流与讨论，或者向老师提问，一般可以得到老师的回复。学习完成后，学生可以参加课程小测试， 这些小测试一般由多项选择题、判断题和简单的问答题组成，来检查学习效果。整个课程学习结束，学生可以参加课程考试，成绩合格，发给成绩合格证书。学习者的所有这些活动都可以在免费注册后进行，并获得该校颁发的课程合格证书[4]。

慕课这种基于开放教育的理念强调教育资源的共享性与平等性，得益于互联网的普及，给广大的学生提供了一个接触名师，倾听名师授课的机会，并且有机会获得名校颁发的课程合格证书，这些无疑对学生有很强的吸引力，其对学校的课堂教学造成一定的冲击，无怪乎悲观者惊呼，高等学府的围墙已经逐渐坍塌了。

据不完全统计，在好大学在线，学堂在线，网易公开课等国内慕课平台上提供的有关Linux操作系统的课程就多达十几门，有关Andorid操作系统的也有十几门，有关ARM体系结构的课程也有十几门。这些课程对学校开设的嵌入式课程带来了一定的冲击。

2 慕课时代嵌入式教学的创新研究与探索

2.1 引入慕课资源，丰富教学内容

慕课这种在线课程模式为学生提供了极大的便利，不仅能够适应不同层次的学生，更有利于帮助他们建立知识框架体系。如前所述，嵌入式课程的内容十分丰富，在有限的课堂学时中，只能选择授课教师认定的内容，这些内容必然有一定的偏向性，一般是该授课教师或该专业的重点研究方向或领域。这时，慕课的出现，就给学生和教师提供了一个丰富的资源库，教师完全可以引入这些资源，无论是在硬件、软件还是应用上，可以让学生有更全面的认识。例如，在课堂上以简单易懂的ucOS作为讲解对象，让学生深刻领会操作系统在系统设计中的功能和使用方法，并提示学生在课后观看Linux或者Andriod的原理和使用的相关慕课课程，拓展学生的知识面。

2.2 基于问题的探讨型教学模式的构建

传统的嵌入式课程教学以教师为中心，学生处于被动接受知识的地位，对学生批判性思维能力和创造力的培养十分不利[5-6]。慕课的出现，对改变这一现象提供了契机。教师可以尝试将在线视频作为教学的线上环节，要求学生在课堂外先听课，课堂内则侧重深入的分享、探讨和问题解决。这一模式使教师从一个讲授者、讲解者，真正变为学习的激励者、启发者，学生的学习也将变得更有主动性和更加有效。例如，在嵌入式的应用部分的教学，就可以让学生课前了解自己感兴趣的项目，并尝试系统的设计，就相关问题在课堂上集体交流和探讨。

2.3 侧重能力的教学考核体系的构建

传统的嵌入式教学考核体系往往是一张试卷定成绩，对于嵌入式系统这种实践性很强的课程来讲，是不合适的，也无法真正评价学生的实践能力，往往是会背书的同学可以得到较好的分数。如前所述，慕课的小测验环节就侧重课程的知识点考核，如果学生通过小测验，就说明已经掌握了该内容主要知识点。

在这种情况下可以给学生布置论文写作、问题调研、项目实践等难度较大的作业，然后根据学生平时课堂的交流发言情况和项目完成的情况来评定成绩，这对培养学生的批判性思维，提高学生运用知识解决问题的能力十分重要，更能反映学生的实践能力和实践水平。

3 结束语

综上所述，慕课（MOOC）的出现是时代的必然产物，基于慕课（MOOC）时代下的嵌入式系统原理与设计的教学，无论是教学内容，教学模式还是评价体系，都可以引入慕课资源，建构起教学内容丰富，基于问题的探讨式教学模式，评价能力的评价体系等嵌入式教学新机制。慕课及其教学模式和评价体系的建立，有利于师资队伍建设、有利于学生自我学习的需求。另外，慕课还能促进学校改善教学体制和方法，是教学改革的催化剂。但是在这一过程中也存在着如何调动学生的学习积极性以及教师的角色转变等问题，还需要在教学实践中进一步实践和探讨。

参考文献（Reference）：

[1] PAPPANO L. The Year of the MOOC[N]. New York

Times，2012.11（3）.

[2] 王丽华.美国“慕课”的新发展及对中国的启示――基于对斯

隆联盟系列调查评估报告的解读[J].高校教育管理，2014.9：34-40

[3] 张莉.慕课时代的高校计算机应用基础教学方法创新研究[J].

计算机时代，2016.5：87-88

[4] 方旭，杨改学.高校教师慕课教学行为意向影响因素研究开

放[J].教育研究，2016.4：67-76

[5] 李晓东.“慕课”对高校教师教学能力的挑战与对策[J].南京

理工大学学报（社会科学版），2014.3：89-92

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关键词：景观规划；建筑；风水

中图分类号：J022 文献标识码：A 文章编号：2095-4115（2013）05-36-3

一、风水学在景观设计中的历史考证

在历史上，风水既是有关东方人居住环境的审美艺术，也是中国哲学思想体系和传统民俗文化在建筑及景观规划上的具体展现。在西方建筑文化传人中国以前，几千年的城镇、村落、庭院、房屋几乎都是按着某一套风水理论体系来发展的。风水理论体现出中华民族敬天法祖的建筑景观文化，“风”是流动着的空气，“水”即是大地的血脉，万物生长的依靠，有风有水的地方就有生命和生气，就有生产和繁衍。

西方学者对于中国风水的研究始于叶兹（Yates，1868），至今已经有130多年的历史。清朝时期的西方殖民者把中国风水视作建筑工程中最大的障碍，大多数基督教传教士和建筑师都认为风水是一种巫术（Black art）或行骗（De Groot）活动，根据记载，为了保卫诸如铁路隧道、公路桥梁等工程的顺利进行，西方殖民者不得不动用军队阻止风水捍卫者的对抗活动。从20世纪开始，西方学者对于风水的态度发生了巨大的转变，英国科学技术史论专家李约瑟（Dr・Joseph Needham，1900―1995）充分肯定了风水对于古代中国科学技术发展的作用。在论及“中国建筑的精神”时，李约瑟激动地谈到：“再也没有别的地方表现得像中国人那样热心体现他们伟大的设想‘人不能离开自然的原则’……皇宫、庙宇等重大建筑当然不在话下，城乡中无论集中的或散布在田园里的舍宅，都经常显现出一种对‘宇宙图案’的感觉，以及作为方向、节令、风向和星宿的象征主义（李约瑟，Science andCivihzationinChina，VolIV：3）。”李约瑟认为中国传统的思维方法是直观感性和实用理性的，在谈及建筑空间问题的时候从来都是与人的因素和时间因素结合考虑的。这种思维特点的整体性和思维方法的直观性，为大量明显属于巫术的迷信禁忌提供了容身之地，故此李约瑟又把风水称之为准科学（Quasi―Science）fquasi汉译为准、拟、好像、意为类似）。准科学的概念中既包含了科学的实质，又掺杂了伪科学的成分，这样，既指出了风水中迷信成分的存在，又划出了二者的界限。由此分析出，中国人在长期的劳作与生活经验积累中，对生存环境的优劣产生了较为合理的感知，这种感知在一定程度上转化为了中国风水学的基本理论。

从李约瑟的观点来看，那些模糊的猜测成分，比如天、地、人的感应，就目前的科学水平也难以做出更为合理的解释，但无可否认这种联系的客观存在性。中国风水学中很多所谓“迷信”的内容大都来源于巫术活动的积淀，“巫术及蒙昧存在的必然性是科学发展的相对性，”英国著名的人类学家马林若夫司基（Malinowski，1884―1942）曾经精辟地指出：“无论有多少科学与知识能够帮助人们满足他的需要，它们总是有限度的……人与事中有一片广大的领域，是非科学的用武之地。它不能消除疾病与腐朽，不能抵抗死亡，不能有效地增加人与环境之间的和谐，更不能确立人与人之间的良好关系。这个领域永久是在科学之外，它是属于宗教的范围”（马林若夫司基《文化论》，1944）。马林若夫司基在“文化设备”功能性阐述中也提到巫术的目的是为了动摇现有的自然及社会秩序，它也是人与自然及命运抗争的一种措施。由此可以分析出中国人长期以来在各种建筑及景观设计中加入风水理论，实际上是增强抵抗灾难的信心，借此获得一种有益的生理功效来战胜恐惧，类似于“心理暗示”的精神治疗效果。

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【关键词】嵌入式系统；ARM；教学改革

引言

嵌入式系统及应用是笔者所在学校的电子信息类，计算机类高年级本科生的专业课。该课程强调培养学生的软硬件协同操作能力[1]，是一门知识覆盖面广，综合实践性强的课程。由于这门课具有很强的实践应用背景，所以学生对课程中软硬件技能的掌握程度能够反应其在工程实践中应用能力的水平高低。虽然学校开设了嵌入式系统的理论课程和课程设计，但一些想以嵌入式为就业方向的学生还会选择参加职业培训机构的课程，觉得这样才能学到工作中需要的嵌入式开发技能。这一现象值得我们应用型本科高校的教育工作者反思我们的教育模式和教学内容。很多嵌入式课程的教改研究都提出了基于项目驱动的CDIO教学模式[2-4]。这种教学模式强调“边学边做”，将某个项目的开发过程贯穿于整个教学过程，使学生在工程实践中掌握理论知识强化开发技能。本文在基于项目驱动的教学实践中提出以下教改思路。

1教学方式的改革

1.1激发学生的学习兴趣学生自身对某门的感兴趣程度是学生能否学好这门课的关键因素之一。可以在第一堂课播放嵌入式产品的视频，如车载导航、智能手表、iPad等相关嵌入式产品的广告，用嵌入式产品的科技感调动学生的学习积极性。同时可以在课堂上罗列嵌入式相关工作岗位的招聘条件，并阐明招聘条件与课程内容的对应关系，让学生对课程的学习内容有学以致用的感觉。1.2强化学生查阅专业文档的能力嵌入式系统及应用是一门强调查阅PCB原理图和专业文档的课程。而很多嵌入式教材由于篇幅的限制仅将专业文档中的部分相关资料列出，这样虽然可以加快教学进度，但学生结合PCB原理图查阅专业文档的能力并未得到锻炼。当参加竞赛或课程设计时，换一款不是教材中的芯片就不知如何查阅芯片手册进行项目开发。所以上课时可以直接带领学生阅读原版的芯片手册和硬件原理图。教材的内容与之互补，相互参考，帮助学生举一反三。1.3合理安排ARM汇编的课时在许多嵌入式教材中ARM汇编的内容占一到两个章节，若全部学完则需要安排3到6个课时甚至更多。而在课程中ARM汇编主要集中在Bootloader的开始阶段中使用，可以挑选常用的汇编指令花1到2个课时进行介绍，然后马上进入Bootloader的学习，让学生在配置MCU寄存器的过程中掌握ARM汇编。着重强化学生对常用汇编指令的运用熟练度，当遇到不常用的汇编指令时可以让学生自行查阅汇编指令手册。1.4完善用于演示的验证性程序讲解MCU中各控制器对应的硬件是嵌入式课程中分析驱动程序的重要环节。涉及到的硬件如内存芯片，网卡芯片，声卡芯片，LCD，触摸屏等。在讲解这些硬件的工作原理和对应控制器的寄存器设置之前先安排演示性程序，让学生能直观地看到硬件的工作现象。以现象验证硬件的工作原理从而引导学生去理解掌握硬件的驱动方法，并在之后指导学生编写出驱动程序。如在讲解网卡芯片时，可以用实验箱发送实际的ARP包和TFTP包到PC并用抓包软件获取网卡收发数据的过程现象。讲解MMU的工作原理时可以编写裸机程序，用虚拟地址点亮MCU核心板上的LED进行说明等。这些与教材配套的演示程序需要任课教师根据学校的实验平台逐一完善。1.5课余时间开放实验室在基于项目驱动的教学过程中，若将项目讲细讲透，往往会遇到课时不够的情况。这种“边做边学”的教学形式必然会涉及到许多软件操作的细节和参数配置。从虚拟机，keilMDK，DS-5等软件的运用，到DNW烧录，超级终端，Wireshark等辅助软件的使用。这些内容学生反复练习就能孰能生巧。教师在编写操作文档的基础上还可以将操作过程录制成视频，以作业的形式让学生利用课余时间在实验室自行练习，以达到节省课时提高教学效果的目的。

2课程体系的改革

2.1理论课时与实验课时相结合在教改之前，嵌入式课程共48个课时，理论教学36个课时，实验教学12个课时。这样将理论教学与实验教学明显地划分开不适合具有应用背景性质的课程。课程体系的改革思路是让学生在“摸实验箱”，在编程调试的过程中学习。所以将48个课时全部安排在嵌入式实验室中进行，每次课讲完知识点立刻安排知识点对应的实验。这样可以让学生在调试软硬件的过程中产生类似于练习乐器的“肌肉记忆”，有利于学生牢记课程知识点。2.2按专业制定教学大纲嵌入式课程的综合性强涉及面广，涉及了电子、计算机、机械等多个学科的系统。因此在制定课程教学大纲时需针对不同专业的专业方向，找准各专业学习嵌入式系统的切入点和侧重点。如嵌入式系统与计算机专业的计算机体系结构、微机原理及接口技术、操作系统原理等诸多课程的知识内容存在关联。大纲的安排是从通用计算机PC引入到嵌入式这种专用计算机，采用类比的方式安排硬件原理和硬件驱动的教学内容，再从嵌入式操作系统（Linux）和嵌入式GUI（QT/Embeded）这两方面深入展开学习。由于计算机专业的专业方向偏向软件应用，所以教学内容侧重于嵌入式Linux的移植与裁剪和嵌入式应用软件的开发与设计。而对于非计算机专业，如自动化专业的专业方向更偏向硬件应用。学生在学习嵌入式这门课程前已经学习了单片机，大纲的制定思路是让学生从单片机过渡到嵌入式。所以大纲的教学安排是让学生先掌握在无操作系统环境下的底层核心硬件和外设接口部件的裸机编程，再将这些裸机程序组合成Bootloader，完成嵌入式操作系统的移植。最后再学习基于Linux操作系统的驱动程序。教学内容侧重于底层的Bootloader和驱动程序。2.3开放性的课程设计在48个教学课时过后，教学计划安排了为期1周的课程设计在嵌入式实验室中进行。我院的嵌入式实验室使用面积90平方米，配有30台基于CortexA8的实验箱和30台实验电脑，每个实验箱上除了集成了摄像头，LED点阵，按键，RJ45接口，USB，触摸屏等常规硬件模块外，还配有步进/直流电机，GPS，GPRS，蓝牙，RFID，指纹等多个功能扩展模块。实验箱上丰富的硬件资源已具备开发项目的硬件条件。课程设计的题目不设统一标准，让学生3到4人为一组，利用实验箱现有的硬件资源自拟题目，采用“搭积木”的方式将硬件资源组合实现自拟题目的项目功能。经过48个课时的学习，学生对实验箱的部分硬件模块的工作原理和驱动程序已有一定程度的掌握。在课程设计中遇到教学课没有介绍的硬件模块可以让学生自行查阅实验箱配套的产品手册和示例代码进行学习，教师从旁协助指导。这种开放性的课程设计题目，学生的学习积极性更高。并且课程设计的题目是一组一题，不能重复。相比之前由教师指定的课程设计题目，杜绝了一组学生做出来，其他小组借鉴下就能够完成课程设计的情况。通过这种方式模拟工作中的项目开发环境，使学生有自己在开发项目的感觉，并使其实践应用能力得到真正的锻炼。

3课程考核方式的改革

合理的考核方式可以激发学生的学习动力，正确引导学生的努力方向[5]。在教改之前，考核方式为平时成绩占30%，实验成绩占10%和期末考试成绩占60%。平时成绩多以作业本做题目的形式考核，考试采用闭卷笔试。这样的考核方式导致学生把大部分时间花在死记硬背上，在课程结束后学生对课程内容遗忘得很快。教改后，平时成绩由每堂课的验证性实验的调试情况和实验报告的质量构成，占的考核总评的20%。课程作业占考核总评的30%，课程作业以设计性实验的形式布置，学生以录制视频说明实验原理和设计思路的方式上交。如在讲中断处理时，介绍完中断处理流程后通过按键中断举例，给出相关寄存器的设置顺序。让学生设计一个按键中断点亮LED灯的实验，学生将实验录制成视频，并配上解释说明的旁白。这样有助于学生理清思路，并可以杜绝学生抄作业的现象。期末考试占考核总评的50%，期末考试采用开卷上机考核的方式。考试题目与实验箱上各硬件模块相关，学生可以查阅硬件模块的相关电子档手册，避免学生为了应付考试死记硬背。课程设计的考核采用答辩考核的形式，学生准备描述项目的PPT，由任课教师提问并打分。

4结束语

本次教改本着充分利用我院实验室现有资源条件的目的，经过半年的准备和一年的实施，按教改思路完成了嵌入式课程的学生在学习过程中学习热情明显提高。并在课程结束后掌握了独立开发一些小项目的基本技能，这些基本技能也与用人单位的招聘条件基本相符。有学生因为这门课的关系在大四实习时有意愿从事嵌入式方向的工作，用人单位也愿意接受我院的学生进行进一步地培养。

参考文献：

［1］鄢秋荣,王玉皞,王艳庆,陈荣伶.面向软硬件协同设计的嵌入式系统教学改革与实践［J］.实验室研究与探索,2016,06:190-193.

［2］崔永利,唐远新,陈德运,林克正.项目驱动模式下嵌入式方向实践教学探索［J］.实验室科学,2016,02:119-121,125.

［3］杨伟力,李伟民,杨盛毅.基于CDIO理念的嵌入式系统课程改革实践［J］.科教导刊(上旬刊),2016,06:56-57.

［4］王琳,马晓娜,孙峰,等.嵌入式系统专业中Linux操作系统教学研究与设计［J］.计算机教育,2014,24:77-81.

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关键词：实践教学；教学平台；多研究方向

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）07-0194-03

一、前言

在本科教育中实行通识教育与专业教育相结合，有利于培养出素养全面、具有创新能力的高级专门人才，而专业教育、创新能力的培养与专业实践教学密不可分，实践教学对于理论联系实际、更好地发挥学生的积极性主动性、启发创新性至关重要。随着本科教育大规模扩招，本科教育已经进入大众化时期，在实践教学方面人员与设备的需求大大增加，而目前的实践教学普遍存在内容单一、专业特色不鲜明、深度不够等缺点，与此同时，随着产、学、研一体化的发展，科研在高校中的比重不断增加，科研中新技术、新设备的大量使用与实践教学中的设备滞后、单一形成鲜明对比。2010年国务院办公厅下发的《关于开展国家教育体制改革试点的通知》中强调了建立开放式、立体化的实践教学体系，如何在新形势下，将实践教学更加贴近科学研究前沿，是实践教学中需要重点关注的问题。以北京航空航天大学机械工程及自动化学院为例，实验与实践教学贯穿了本科四年，主要的实践课程包括实验课、生产实习、课程设计和毕业设计。其中实验课分为基础实验和综合实验两类：基础实验课是与相关课程紧密结合，综合实验课是多门实验课的综合训练；生产实习是理论联系实际的桥梁；课程设计是一个较为综合的实践教学课程；毕业设计是最终实践环节，为学生今后的工作和进一步深造打下良好的基础。在上述实践课程中，课程设计和毕业设计是专业方向特别鲜明的综合实践环节，随着科研在高校中的比重不断增加，相关的前沿科技不断地渗透到毕业设计中，而课程设计中还存在着内容单一、与毕业设计衔接不够等缺点。本文针对实践教学环节中的现实情况，充分利用科研设备和前沿技术，提出了在已有的课程体系下，多研究方向、多平台的实践教学方法。该方法已经在实践教学的课程设计环节中实施，作者在下文将详细讨论该方法的实施基础和实施办法，并对基于该方法搭建完成的三个实践平台做出了详细描述。

二、多研究方向的实践教学模式

完备的多研究方向的课程体系是实施多平台实践教学的基础，只有具备了多研究方向的课程体系，学生才有了进行相关实践学习的理论知识。在课程体系中与专业课程相配套的专科课程实验课是对课程的有益补充，但由于相关课程实验一般为认知理解性的实验，深度不够，综合性较差。综合实验是对相关专业的基础实验进行有机结合，具有一定的自主设计能力，主要锻炼实验能力和实验的基本素质。毕业设计是创新性实践，所需的理论知识已经在课程体系中完整体现，但仅靠课程体系及相关的课程综合实验，远远满足不了毕业设计创新性的要求，还需要更加系统和完整的专业课程设计才能达到该目的。在已有的多研究方向的课程体系下，多平台的实践课程实施方法如下：（1）利用已有的科研实验平台作为专业课程设计的实践教学平台，硬件资源共享，并且贴近科技前沿。（2）教师本身既是实践教学的指导者，也是科研项目的参与者。根据学生一般水平，制订不同阶段的实践课程题目和考评目标。（3）学生可以根据兴趣和今后发展方向选取相关专业课程设计，根据能力不同还可以选取更加宽范的专业方向。以北京航空航天大学机电工程及自动化系为例，该系的主要研究方向有：①机器人与嵌入式系统；②网络化机电控制技术；③现代无损检测技术。随着学科的不断发展，还会有新的专业方向加入其中。在课程教学方面，已经形成了上述三个研究方向兼顾的专业基础和专业核心课程体系。在实践与实验环节，专业基础实验课、综合实验、课程设计、毕业设计与专业方向衔接最紧密。图1给出了实验与实践课程体系的实验性质，其中的专业基础实验课和综合实验课是以班级为单位，由专门教师进行指导。毕业设计是由各个老师指导，方向明确。课程设计多年以来是以单一的研究方向、以班级为单位进行指导的，专业特色不明显，2010年实践教学改革中，将本系的三个研究方向全部纳入到实验与实践课程体系中，由多名教师进行了分组指导。每个研究方向的实践课程都涵盖了基础知识、分步实验、综合创新三部分的实践内容，循序渐进，既充分利用了科研实验平台，又利于学生创新。

图1 实验与实践课程体系

三、多平台实践教学的实现

与多研究方向的核心课程体系相呼应，在原有的科研实验平台上搭建了3个实践教学平台：嵌入式系统实践教学平台，网络化机电控制实践教学平台和现代无损检测实践教学平台。网络化机电控制教学平台将原有的设备与最新科研实验平台相结合，嵌入式系统实践教学平台和现代无损检测实践教学平台全部利用最新科研实验平台，提出了适合相应研究方向的课程设计题目，建立起了立体化、开放式的实践教学模式。

1.嵌入式系统实践教学平台。嵌入式控制系统教学平台是以S3C2410芯片为核心，以uCOS操作系统为框架的开放的教学实验平台。该实践教学平台要求学生在熟悉和理解硬件原理的基础上，以上层应用程序的开发为主要目的，最终达到对嵌入式系统软硬件开发流程的掌握，并能开发出一个完整的嵌入式软件。

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关键词：嵌入式技术； 教学方法

0前言

嵌入式技术是当今计算机技术中发展最快最热门的技术，嵌入式技术在当今得到了极其广泛的应用，已深入到各个应用领域，几乎是无所不及，主导应用的潮流，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后pc时代的主宰。另伴随着巨大的产业需求，我国嵌入式系统产业的人才需求量也一路高涨，嵌入式开发将成为未来几年最热门最受欢迎的职业之一。嵌入式课程也在各个高校中逐步展开，我校《嵌入式技术与应用》课程在2009年12月作为校级精品课程申报，于2010年3月被批准为校级在建的精品课程，精品课程的建设过程中遇到许多的困难与问题，精品课程的建设过程也是我们解决这些问题与困难的过程。我们主要从以下几个方面做了一些工作。

1有针对性的制定培养目标，确定对学生的职业能力要求

嵌入式技术的涉及领域有几个方面常见的智能仪表、工业控制领域，机顶盒、路由器等方面的应用，个人电子产品的应用（这些产品往往需要友好的gui图形界面），高端智能设备（涉及到智能机器人，医疗仪器、军事领域，航空航天领域）。为此，我们基于本专业学生毕业后大多就业于珠三角和长三角及湖北地区的中小型企业的现实，我们将学生将来就业的定位于中小型企业，经过我们专业教师的调研，我们对这些企业技术部门设置的岗位及岗位要求有了较好的认识，我们对每一个嵌入式行业相关必需具备的职业能力进行分解，然后再分析选取相应的教学内容，对不同的应用岗位所对应的不同的能力与知识要求作出了归纳与总结（如图1），为教学目标与教学内容的确定提供了依据。

图1职业岗位与能力要求

2让课程具有非常强的时效性,本课程是近来才刚刚设立的一门新兴课程，应该让学生接触与掌握社会上最新和最前沿的应用技术

it领域的新技术发展令人应接不暇，虽然大学生在校期间需要学习的都是一些基础知识，但他们毕业走向社会后，必然要面对这些新技术，如果我们的教学内容陈旧，就会加长学生毕业后的适应周期；如果我们能够提供给学生更多接触这些新知识、新技术的机会，就会使学生毕业后能够迅速地融入到社会实际中。同时也能使我们的教学内容与这些新技术基本保持同步。

例如，在以往单片机的学习中只涉及到静态存储器的扩展，而在嵌入式系统中就会使用到动态存储器ddr技术，ddr技术的动态刷新、行列扫描和地址线的接法上都是比较新又比较有有用的技术，会让一些没有经验的学生感到困惑，在教学过程中，我们利用s3c44b0x芯片来构建最小系统的过程中来教给学生动态存储器的使用（如图2）。

图2 sdram hy57v641620与s3c44b0x的硬件接口电路

3本课程是一门综合性的课程，要学会它，必须能够综合应用计算机专业中所学的几乎所有软硬件技术

本课程会应用到计算机专业中所学的几乎所有软硬件技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理、c语言程序设计、单片机技术、微机原理、面向对象的程序设计、计算机操作系统原理、linux操作系统的应用等多种知识，这些知识在嵌入式系统中都会有所应用，嵌入式系统就是这些知识的综合体，实际上，嵌入式系统为学生掌握计算机技术提供了一个非常好的平台，要想很好地掌握嵌入式技术也必须掌握好这些知识。要让学生掌握这么多的知识就必须在项目中去学习，对教学内容与方法进行设计。针对学习的不同阶段，设计不同的项目与其对应（如图3），让学生在实践中体会这些知识的作用，掌握这些内容，以避免教学内容的枯燥。

图3 不通阶段都有对应的实践

4课程的实践性很强，在传递知识的同时要更加注重培养学生的实践动手能力，让学生积累经验

在教学的各个阶段中都安排有不同实践任务,让学生的能力由初级到高级逐步提升,在教学的最后还安排了课程设计,进行综合的 实践（如图4）。分层次逐步提高，由易到难，逐步综合首先让学生掌握基本的知识与技能，难度大的知识先放一下，在实践教学中通过实例来讲解，使学生更容易理解，采用直观、生动的教学方法 将知识与能力目标融入到具体的项目中以培养高等技术应用型人才为根本任务，将加强应用能力训练作为课程各项改革建设的中心 引导学生将“学”与“做”相结合，以达到学以致用，建立以“递进式模块化”的课程内容 ，初级阶段有基本实验、中级阶段有实训课程、高级阶段有课程设计任务。

图4 由简单到复杂的训练方法

5积极开展课程设计，进行综合性的训练

例如，自制基于s3c4510的嵌入式系统及jtag下载烧写工具。设计内容：在老师指导下设计s3c4510系统的原理图、pcb板图以及jtag线缆的原理图与pcb板图，亲自买元件、制版、焊接、调试。编译、固化uclinux;完成jtag烧写程序的编写，可以用标准c，也可以用vc，也编写linux系统下使用的版本。

图5自制基于s3c4510的嵌入式系统及jtag下载烧写工具

图6 自制jtag下载烧写工具原理图

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关键词 嵌入式实时操作系统 模块化 教学模式 双线复合

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.11.056

0 引言

在嵌入式系统中，嵌入式实时操作系统（Real Time Oprating System，RTOS）是其软件的核心，也是嵌入式系统教学的重点内容之一。要求学生在掌握RTOS基本原理的基础上，重点提高RTOS的应用能力。然而，在实际教学中，有很多高校将重点放在构建完整的知识体系上，课堂上灌输理论知识，实验则主要是验证理论，有的还存在理论与实验内容相脱节的现象，实验课时偏少也是较为普遍的问题，因此，无法达到提高学生RTOS应用能力的目的。要解决这些问题，应当从培养学生工程应用能力，满足行业对人才的需求出发，深化教学内容改革，实施以能力培养为目标的模块化教学模式。

目前，针对模块化教学模式的研究，已有很多的研究成果。如文献[2]介绍了合肥学院基于岗位群的专业要求，结合教学约束，将专业能力分解为能力要求和支撑知识点，然后反推建立能力模块。文献[3]介绍了南京邮电大学采用因材施教、个性化培养的原则，实施个性化和模块化的人才培养方案、教学模式和学习方式等。在嵌入式系统教学方面，虽然研究如何提升学生嵌入式系统实践能力的成果较多，其中较为典型的如文献[4]针对嵌入式系统课程，提出了能力递进式项目教学法以及边教边练教学模式，取得了较好的效果。文献[1]将嵌入式系统的课程分为三个层面，要求学生构建完整的知识体系，掌握基本技术和技能。然而，以整体的理念整合各教学环节，实行嵌入式系统模块化教学的研究成果较少，专门针对RTOS应用能力模块的研究就更少了。

本文从分析RTOS研发能力要求出发，结合教学目标和行业对人才的需求，围绕提高学生RTOS应用能力，提出了一个将教学、实验、设计、竞赛等有机整合的，实现理论教学和实践教学双线复合的教学模式，解决了多个教学环节彼此孤立，教学内容不成体系，无法形成人才培养合力的问题。

1 嵌入式实时操作系统开发能力分析

1.1 能力要求

RTOS被广泛地应用到嵌入式产品之中，借助它可以为应用程序提供稳定的平台、高效的运行环境，从而缩短开发时间，提高系统的稳定性，方便产品功能的扩展。因此，掌握RTOS的相关开发技术，是从事嵌入式系统开发的人员必须具备的能力，表1分析了其所需的能力要求，即在掌握RTOS基本知识和技术的基础上，突出基于RTOS的项目开发实践能力的培养。

1.2 主要教学内容分析

在实际应用中，常见的嵌入式实时操作系统有VxWorks、eCos、%eCLinux、%eC/OS-II等。由于%eC/OS-II源码开放、注释详细、原理复杂度不高，因此国内很多高校都选取其作为教学范例，且它在工业控制、智能测控、物联网应用等领域应用广泛，学生掌握好它的相关开发，可以适应毕业后岗位需求。

结合表1给出的RTOS开发能力要求，可将%eC/OS-II的教学内容分为原理、代码和应用。其中“原理”是指%eC/OS-II所涉及的计算机操作系统的基本原理和算法，它是教学的基础；“代码”是指%eC/OS-II原理和算法的具体代码实现，它是教学的重点；第三块的“应用”，则主要是使用%eC/OS-II系统提供的API函数，进行应用程序的开发，这是教学的关键。教学内容的三个方面是相互关联、彼此联系的。只有掌握好原理，才能更好地理解的代码，在进行应用开发时，才能完成%eC/OS-II系统的移植，以及准确应用API函数，构建多任务的应用软件。

2 双线复合模块化教学模式

在实际的教学过程中，如果采用传统的教学模式，%eC/OS-II的原理、代码和应用三方面的内容，往往无法形成有机联系，无法达到提高学生应用能力的目标。因此，综合考虑教学过程和教学目标，本文提出了图1给出的将理论教学和实践教学相结合的“双线复合教学模式”。

图1 双线复合模块化教学模式

从图1可以看出，课程教学可分为理论教学和实践教学两条线，其中理论教学包括讲解%eC/OS-II的原理与代码，结合案例介绍%eC/OS-II应用软件开发方法，对学生的实践作品进行答辩与评价等；实践教学则包括课程实验和巩固性作业、综合作业和实践作品设计等。实践教学以理论教学为基础，是对理论知识的实际应用和深化。实践教学的作业和实验均应遵循从简单到复杂，从基础到综合的提升过程，包括巩固性作业和综合性作业、基础验证性实验和综合设计性实验等。

课程设计需要综合应用学生所学的课程知识和基础实验，是实现理论教学和实践教学的双线复合的复合点，也是对教学效果的综合评价点。理论教学和实践教学应以完成课程设计的项目作为最终目标，围绕这一目标引导学生逐步深入学习，完成理论教学和实践教学的各个环节，实现知识和能力的积累与提升。这就需要改变把课程设计看做独立的一门课的做法，而将%eC/OS-II的理论教学、实践教学、课程设计等有机整合到一个模块之中，也就是通过双线复合的模式，形成一个“嵌入式实时操作系统”应用能力模块。

通过这一“双线复合”的模式，可以提高学生工程实践能力，获得质量较高的设计作品，可将其吸纳为教学案例和项目案例，充实到后续的教学之中，也可以在进一步深化完善之后，作为学科竞赛的作品参赛，通过比赛验证和评价这些成果。这样就形成了一个逐步深化、逐步综合的培养过程，遵循了循序渐进的原则，使得学生始终带着问题和项目投入到学习之中，从而激发出更大的求知欲，达到学以致用，在应用知识中提升能力的目的。

3 p线复合教学模式的实施效果分析

本文所提出的“双线复合教学模式”，已应用到江西理工大学应用科学学院嵌入式系统实验班的RTOS的教学之中，取得了良好的效果。由于将理论教学、课外作业、综合作业、课程实验、课程设计、学科竞赛等进行了整合，学生既掌握了RTOS的原理、基本技能，又完成了项目的分析、设计、开发和测试，所获得的作品还参加了学科竞赛并获得了奖励。

自该班实施了“双线复合教学模式”以来，学生完成了一大批的设计作品，这些作品先后多次参加了全国信息技术应用水平大赛、全国大学生物联网设计竞赛等赛事，获得了国家级二等奖3项、三等奖2项、省级一等奖3项、省级二等奖2项的好成绩。此外，还获得多项实用新型专利和软件著作权。这些成果进一步证明了“双线复合教学模式”在提高学生的工程实践能力方面有较好的效果。

4 结论

从实施“双线复合教学模式”的效果来看，该模式对于学生掌握嵌入式实时操作系统的应用能力，起到了很好的促进作用。该模式从企业对人才能力需求出发，对嵌入式实时操作系统课程进行了知识和能力分解，将理论教学和课内外实践教学两条线复合在一起，形成了一个能力模块，对于学生适应岗位需求，掌握工程实践能力具有一定的作用。

参考文献

[1] 许童羽，曹英丽，郑伟.分层教学法在嵌入式系统课程中的应用[J].农业科技与装备，2012（10）：89-90.

[2] 袁。许强，王晓峰等.基于应用型人才培养的模块化教学改革研究――借鉴德国FH成功经验[J].合肥学院学报（自然科学版），2011.21（4）： 56-60，65.

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关键词：嵌入式系统；教学改革；能力提升

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0221-02

嵌入式系统是高等学校电子信息、计算机、自动化等本科高年级学生的一门专业技能课程，是以应用为核心、以计算机技术为基础、涉及微电子技术、电工电子技术、微机原理等多门学科的综合学科。从各个角度分析嵌入式系统课程中知识框架，与学生兴趣相结合，真正做到学以致用，提升学生能力，是目前所有工科类课程面临的一个重要问题。为此，笔者针对嵌入式系统教学过程，开展名为“嵌入式系统教学中学生能力提升探索”的教学改革尝试，并初步收到积极效果。该教学改革理念也可为微机原理、可编程逻辑器件、DSP技术原理等类似课程提供参考。

一、课程特点及主要存在问题

嵌入式系统是高年级课程，有很强的工程实践性和知识综合应用性，要求学生联系先修课程，结合新知识，灵活融汇分析并解决实际工程问题的能力。教学中，需要任课老师既重视理论知识的传授，又要培养学生的工程应用能力。笔者结合工作中对嵌入式系统教学的体会，对该课程特点及主要存在问题总结如下：

1.联系广，理解难。要较好地把握嵌入式系统内容，必须对先修课程有很好的学习基础，能较好地将从低年级以来的专业课联系起来，才能深入理解本门课程内容。比如要很好地理解嵌入式系统触摸屏的原理及编写相应程序，必须理解触摸屏内部结构。其内部结构框图中涉及多个MOS管组成的模拟电路，需要学生很好理解NMOS、PMOS不同的通断过程及对电路的影响。如果学生不熟悉MOS管的通断原理，而单纯靠记忆来使用触摸屏，则很难做到活学活用。

由于学生水平及能力各不相同，为了使大部分学生能较好地学懂所讲授内容，则需要老师在讲新知识之前花时间复习修课程的相关内容概念。然而这种做法势必导致第二个问题：占用本来有限的课时。

2.学时少，内容多。近年来，由于推广素质教育，各门课程理论教学时间不断缩减。以笔者所讲授的嵌入式系统课程为例，理论课时仅仅为22学时，该学时远远少于专业必修课，且随着嵌入式技术日新月异，该门课程除了课本内容外，还需要补充其他与现代技术接轨的新内容。因此，如何精选每节课授课内容，在有限的课堂时间内使学生掌握到尽量多的内容，且不感到枯燥无味，是嵌入式系统等工科类课程普遍存在的问题之一。

3.实验旧，扩展难。由于课时安排原因，本门课程仅配套3个实验，且实验与理论课程不对应，所使用的实验箱年代较久，不能与现代新技术接轨，且无法在原有基础上进行扩展，只能进行某些简单的功能性验证的实验。如何通过实验辅助理论教学，提升学生能力水平，也是课程教学中需要解决的问题之一。

二、教学过程学生能力提升探索

针对上述存在问题，必须在教学过程中克服客观困难，调动学生的学习兴趣及积极性，从而实现学生能力提升的效果。为此，围绕嵌入式系统教学中的两大难点，笔者开展了学生能力提升的探索改革。

1.学生理论知识与实践能力的提升探索。理论指导实践，实践验证理论，因此对于工科学生来说，不能一味注重实践，也不能只懂得纸上谈兵的理论，需要理论和实践能力相辅相成，才能得到能力提升。然而，笔者在教学过程中发现，由于学生个体差异，能力倾向不同，有些学生注重实践锻炼，然而理论知识并未提升，有些同学只注重理论知识，工程实践能力不足。且大部分学生理论与实践知识的反馈提升能力不够。

以笔者讲授嵌入式系统液晶屏内容为例，对于使用液晶触摸屏，设计的理论知识包括：液晶屏的分类――TFT屏和STN屏；显示颜色――单色和彩色；灰度等级――单色、4级、16级；彩色等级――STN屏为256色和4096色，TFT屏非调色板为64K色和16M色，TFT屏调色板为256色等等。如果学生不懂得上述理论知识，在实际操作中，则不能很好地编写合适程序调试出预期效果。然而，仅仅懂得上述理论内容也不够，还需要考虑其他实际工程问题，比如：TFT屏的电路连接方式与STN屏是否一致？STN屏的驱动电流需要多大才合适，且不至于导致液晶屏过亮或过热？采用何种驱动器性价比更高？等等。上述问题并不只是理论，而是跟实际工程实践相关。

鉴于此，针对如何提升学生的理论知识与实践能力的问题，首先，笔者在课堂上对于基础理论知识，如液晶屏的分类、灰度及彩色等级等内容均予以清楚阐述；另外，通过课程设计、创新实验项目、实验课程等环节，提升学生的动手能力；最后，针对实验中出现的问题及失败现象，鼓励学生从理论上找到原因后再反复实践验证，达到理论与实践相辅相成且共同提高的目的。

2.学生硬件与软件知识的提升探索。对于电子及自动化等专业学生来说，嵌入式系统课程不仅要掌握软件编程，而且要掌握硬件电路设计能力，软硬件知识结合，才能较好地完成工程项目。

然而，由于先修课程学生水平及倾向不同，面对同一个系统问题，有些同学在电路基础、模拟电子技术等课程上掌握较好且较有兴趣，会比较倾向使用硬件方法来解决问题，而有些同学对于C语言程序编程、数字电路等课程把握较好，会倾向于通过软件编程方法来处理问题。

对于简单系统，上述两种方法均是可取的。但是对于功能复杂的系统，不可能仅采用单一硬件或者软件解决问题，需要考虑各方面因素，软硬件结合起来应用。因此，要求学生不仅掌握硬件电路设计能力，对于软件编程能力的具备同样也是必须的。

在提升学生硬件和软件综合设计能力问题上，笔者首先在课堂上给出案例，启发学生提出各种不同软硬件设计方案；进一步，布置工程案例作为课后作业，要求学生设计或列举出多种设计方案，综合比较可行方案；最后，布置一个贯穿本门课程的课程设计，该设计需要涉及硬件电路及软件编程，通过该课程设计的完成，最终达到提升学生硬件电路设计与软件编程能力的目的。

三、教学成效

笔者将上述教学改革内容用于嵌入式系统教学过程中，收到了较好的效果。通过问卷调查和课后反馈访谈，学生普遍反映能将先修电子知识与嵌入式系统联系起来，且在此过程中，学生的学习兴趣和能力均得到了提升。通过课堂案例引入及分析，提升了学生对嵌入式系统的工程应用能力和设计能力。笔者相信，所开展的教学改革探索在一定程度上提升了学生对嵌入式产品进行软硬件综合设计的能力，增强了学生对嵌入式系统最新动态追踪的兴趣、对相关领域深入学习的信心。

四、结束语

在深入了解嵌入式系统课程特点、现状和不足的基础上，笔者结合自己的实际教学切身体会，对嵌入式系统开展了教学改革探索。着重从理论与实践、硬件与软件上对学生能力进行提升。实践表明，该类措施较大程度上激发了学生的学习兴趣及其主观能动性，提升了教学质量和学生能力。

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