机械电子工程专业嵌入式系统教学初探

  • 投稿Phi
  • 更新时间2015-09-22
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机械电子工程专业嵌入式系统教学初探

蒋毅章军平雪良张秋菊

(江南大学机械工程学院,江苏无锡214122)

【摘要】在“卓越工程师教育培养计划”的引领下,国内高校正逐步开始在机械类本科教学中开设嵌入式系统课程,而在针对机械类专业的嵌入式系统教学内容选择、教学方法和培养目标方面,仍处于探索过程中。归纳了机械电子工程专业嵌入式系统教学的特点,并探讨了面向机电专业的嵌入式系统教学内容与方法。通过突出重点,分解难点,并结合案例教学和启发式教学,能够使学生在已有先修课程的基础上快速抓住要点,掌握嵌入式系统的基本原理和应用方法。

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关键词 卓越计划;教学改革;嵌入式系统;教学内容

0引言

“卓越工程师教育培养计划”是为了培养造就一批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才,为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务,促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国转变的重大改革项目。江南大学机械电子工程专业自入选首批“卓越计划”后,在机械电子工程本科三年级课程体系中设置了以ARM微处理器S3C2440为对象的嵌入式系统原理与应用专业选修课。

长期以来,嵌入式系统是高等学校电子与信息类专业的一门主干基础课程[1],强调跨学科、跨专业的理论、方法与技术的融合应用,是一门理论与实践结合紧密、综合性较强的课程[2]。而对于机械类专业,在其课程体系设计中虽然包含了部分嵌入式系统先修课程内容,但较少开设专门的嵌入式系统课程,也缺乏合适的供机械类专业本科生使用的嵌入式系统教材。

本文以近几年的教学实践经验为基础,归纳了机械电子工程专业嵌入式系统的教学特点,并探讨了面向机电专业的嵌入式系统教学内容与方法。

1机电专业嵌入式系统教学的特点

在机电类专业开设嵌入式系统课程是大学本科课程自我更新的一种新的路径,也是计算机技术发展而导致的本科课程体系更新过程中的一个自然而然的结果[3]。嵌入式系统在工业现场应用广泛,对于机电专业本科生而言,因其在机电设备开发、控制于维护方面有着较强的应用背景知识,且具有一定的先修课程基础,因此嵌入式系统课程较适合机电专业本科生的学习。

但同时,与电类专业不同,机械类专业电基础较为薄弱,导致了机械电子专业嵌入式系统教学具有以下特点:

1.1课程内容综合性强

嵌入式系统是一个软硬件系统的综合体[4],在课程中要向学生讲解嵌入式微处理器的基础知识以及其他相关硬件知识,包括处理器结构、指令系统、寄存器设置等,又要讲解嵌入式软件方面的知识,包括Linux系统、交叉编译、设备驱动程序、多进程通信等。

1.2课程的课时有限

作为一门专业选修课,嵌入式系统课程设置的教学时长为32学时,而电类专业该课程一般有48学时以上的课时,甚至达到72学时,在这其中,实验课时又有8个。由于课内学时数偏少,较容易发生学生能够听懂某些细节但缺乏整体认识,或者能够把握大框架但实际动手时一筹莫展的情况。

1.3先修课程基础薄弱

尽管机电专业本科生已经有C程序语言设计、模拟/数字电子技术、微机原理、单片机接口技术、电子CAD等先修课程基础,但受到大学教学活动短学程化的影响,学生在背景知识的掌握上存在不够全面或不够深入的情况。特别对于机械类学生而言,不仅计算机硬件基础较为薄弱,软件开发能力和经验欠缺,同时对操作系统方面的知识掌握基本空白,给嵌入式系统课程的教学带来一定困难。

2机电专业嵌入式系统的教学内容与方法

根据机械电子工程专业嵌入式系统教学现状与特点,有针对性地确定了课程体系的设置,安排相应的教学内容与教学方法。

2.1教学内容选择

作为专业选修课,嵌入式系统课程的目标不是为了使学生深入掌握这一领域全面的并得到良好巩固的知识,而是为了使学生在已有基础上步入这一新的领域中,概括性的掌握其基本原理与基本方法,并对进一步探索该领域产生浓厚的兴趣。

根据这一思路,针对机械类专业嵌入式系统的教学特点,应特别注意突出重点,合理分解难点。由于学生已有微机原理和单片机接口相关基础,在教学中弱化了对ARM芯片作为高档单片机使用的相关内容。在详述处理器结构、介绍基本指令的基础上,仅对定时器、中断、SDRAM、NandFlash控制器和时钟系统等资源加以介绍,并多采用C语言程序设计案例,避免学生在繁复的指令系统和寄存器设置体系中迷失方向。

由于机械类学生没有操作系统相关背景知识,因此在嵌入式系统软件学习中存在一定困难。嵌入式Linux操作系统及其开发环境是嵌入式软件的基础,学生需要掌握基本的Linux系统命令和交叉编译方法,而对shell程序和Makefile文件则通过案例教学呈现。Linux操作系统下设备驱动的基本思想、程序框架以及编写步骤是课程的重点之一,体现了软件与硬件的结合,因此针对这一部分,不仅安排了较多学时的课内讲解,也安排了实验。在Linux操作系统下的线程、进程和进程间通信部分,由于学时限制,弱化了实际编程操作,而主要以案例和演示实验,使学生掌握基本思想和方法。

2.2教学方法初探

嵌入式系统是一门应用课程[5],对于机械电子工程专业的本科生而言,其意义在于更好地实现机电一体化应用。为此,结合“卓越工程师”培养计划的实施,在教学中加入了较多的应用案例,突出了学用结合的教学模式,重视对学生工程素养的培养,建立面向工程的思维方式,掌握解决实际工程问题的科学方法。

在课堂教学中,变灌输式教学为启发式教学,特别注意引导学生联系以往在微机原理和单片机接口技术课程中接触到的8051单片机的相关概念与方法,使之对嵌入式系统硬件部分产生逻辑上的继承和联想,有效理解硬件的工作原理。在嵌入式系统软件部分的教学中,则以学生熟悉的Windows操作平台为例,讲解嵌入式Linux操作系统所要解决的问题和实现方法,促使学生破除对这一未知领域的神秘感,并激发其进一步深入学习的兴趣。

3结束语

针对机械电子工程专业本科三年级嵌入式系统原理与应用专业选修课的教学特点,设置并采用了合理的教学内容和教学方法。尽管课时数较少,在众多知识点上无法深入讲解和展开,但通过列举实际案例,分解难点,在教学过程中能够使学生保持浓厚的学习兴趣,获得良好的教学效果。

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参考文献

[1]潘登,陈启军.面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革[J].计算机教育,2013(7):1-5.

[2]丁珠玉,张济龙,吴永烽,等.嵌入式系统课程实践教学模式的研究与探索[J].西南农业大学学报:社会科学版,2009,7(6):181-182.

[3]黄晓玲,段凤云,赵建科.嵌入式系统实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2006,23(4):85-87.

[4]凌明,刘昊,时龙兴.关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J].电气电子教学学报,2007(10):94-96,106.

[5]黄缨,刘卉.以就业为导向的嵌入式系统专业方向的教学体系研究[J].中国科教创新导刊,2011(29):52-53.

[责任编辑:刘展]