機械電子工程專業嵌入式系統教學

時間：2022-10-05 19:15:17 機電一體化畢業論文我要投稿

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機械電子工程專業嵌入式系統教學

　　機械電子工程專業嵌入式系統教學【1】

機械電子工程專業嵌入式系統教學

　　【摘要】在“卓越工程師教育培養計劃”的引領下，國內高校正逐步開始在機械類本科教學中開設嵌入式系統課程，而在針對機械類專業的嵌入式系統教學內容選擇、教學方法和培養目標方面，仍處于探索過程中。

　　歸納了機械電子工程專業嵌入式系統教學的特點，并探討了面向機電專業的嵌入式系統教學內容與方法。

　　通過突出重點，分解難點，并結合案例教學和啟發式教學，能夠使學生在已有先修課程的基礎上快速抓住要點，掌握嵌入式系統的基本原理和應用方法。

　　【關鍵詞】卓越計劃;教學改革;嵌入式系統;教學內容0 引言

　　“卓越工程師教育培養計劃”是為了培養造就一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務，促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國轉變的重大改革項目。

　　江南大學機械電子工程專業自入選首批“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原理與應用專業選修課。

　　長期以來，嵌入式系統是高等學校電子與信息類專業的一門主干基礎課程[1]，強調跨學科、跨專業的理論、方法與技術的融合應用，是一門理論與實踐結合緊密、綜合性較強的課程[2]。

　　而對于機械類專業，在其課程體系設計中雖然包含了部分嵌入式系統先修課程內容，但較少開設專門的嵌入式系統課程，也缺乏合適的供機械類專業本科生使用的嵌入式系統教材。

　　本文以近幾年的教學實踐經驗為基礎，歸納了機械電子工程專業嵌入式系統的教學特點，并探討了面向機電專業的嵌入式系統教學內容與方法。

　　1 機電專業嵌入式系統教學的特點

　　在機電類專業開設嵌入式系統課程是大學本科課程自我更新的一種新的路徑，也是計算機技術發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果[3]。

　　嵌入式系統在工業現場應用廣泛，對于機電專業本科生而言，因其在機電設備開發、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，因此嵌入式系統課程較適合機電專業本科生的學習。

　　但同時，與電類專業不同，機械類專業電基礎較為薄弱，導致了機械電子專業嵌入式系統教學具有以下特點：

　　1.1 課程內容綜合性強

　　嵌入式系統是一個軟硬件系統的綜合體[4]，在課程中要向學生講解嵌入式微處理器的基礎知識以及其他相關硬件知識，包括處理器結構、指令系統、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、交叉編譯、設備驅動程序、多進程通信等。

　　1.2 課程的課時有限

　　作為一門專業選修課，嵌入式系統課程設置的教學時長為32學時，而電類專業該課程一般有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。

　　由于課內學時數偏少，較容易發生學生能夠聽懂某些細節但缺乏整體認識，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

　　盡管機電專業本科生已經有C程序語言設計、模擬/數字電子技術、微機原理、單片機接口技術、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，軟件開發能力和經驗欠缺，同時對操作系統方面的知識掌握基本空白，給嵌入式系統課程的教學帶來一定困難。

　　2 機電專業嵌入式系統的教學內容與方法

　　根據機械電子工程專業嵌入式系統教學現狀與特點，有針對性地確定了課程體系的設置，安排相應的教學內容與教學方法。

　　2.1 教學內容選擇

　　作為專業選修課，嵌入式系統課程的目標不是為了使學生深入掌握這一領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域產生濃厚的興趣。

　　根據這一思路，針對機械類專業嵌入式系統的教學特點，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內容。

　　在詳述處理器結構、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相關背景知識，因此在嵌入式系統軟件學習中存在一定困難。

　　嵌入式Linux操作系統及其開發環境是嵌入式軟件的基礎，學生需要掌握基本的Linux系統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。

　　Linux操作系統下設備驅動的基本思想、程序框架以及編寫步驟是課程的重點之一，體現了軟件與硬件的結合，因此針對這一部分，不僅安排了較多學時的課內講解，也安排了實驗。

　　在Linux操作系統下的線程、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

　　嵌入式系統是一門應用課程[5]，對于機械電子工程專業的本科生而言，其意義在于更好地實現機電一體化應用。

　　為此，結合“卓越工程師”培養計劃的實施，在教學中加入了較多的應用案例，突出了學用結合的教學模式，重視對學生工程素養的培養，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式教學，特別注意引導學生聯系以往在微機原理和單片機接口技術課程中接觸到的8051單片機的相關概念與方法，使之對嵌入式系統硬件部分產生邏輯上的繼承和聯想，有效理解硬件的工作原理。

　　在嵌入式系統軟件部分的教學中，則以學生熟悉的Windows操作平臺為例，講解嵌入式Linux操作系統所要解決的問題和實現方法，促使學生破除對這一未知領域的神秘感，并激發其進一步深入學習的興趣。

　　3 結束語

　　針對機械電子工程專業本科三年級嵌入式系統原理與應用專業選修課的教學特點，設置并采用了合理的教學內容和教學方法。

　　盡管課時數較少，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.面向卓越人才培養的嵌入式系統教學改革[J].計算機教育，2013(7)：1-5.

　　[2]丁珠玉，張濟龍，吳永烽，等.嵌入式系統課程實踐教學模式的研究與探索[J]. 西南農業大學學報：社會科學版，2009，7(6)：181-182.

　　[3]黃曉玲，段鳳云，趙建科.嵌入式系統實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2006，23(4)：85-87.

　　[4]凌明，劉昊，時龍興.關于嵌入式系統課程教學過程中幾個問題的思考[J].電氣電子教學學報，2007(10)：94-96，106.

　　[5]黃纓，劉卉.以就業為導向的嵌入式系統專業方向的教學體系研究[J].中國科教創新導刊，2011(29)：52-53.

　　微電子專業嵌入式系統教學新模式的研究和建設【2】

　　摘要：建立微電子專業嵌入式系統學研產平臺，對嵌入式系統教學方法改革和嵌入式系統考核方法進行研究，以市場為導向、以企業為依托，為微電子專業嵌入式系統學研產合作探討新的教育模式。

　　關鍵詞：嵌入式系統產學研項目驅動考核模式

　　隨著物聯網、通信技術的發展，嵌入式產品在全球各行業得到廣泛應用。

　　但我國嵌入式人才一方面市場供不應求、企業選人難;一方面高校畢業生就業難。

　　主要問題是畢業生不能滿足市場對人才的要求，校企合作不夠緊密。

　　這種現象不僅存在于本科畢業生中。

　　隨著研究生的擴招，提高研究生就業率也提上了議事日程。

　　學校不能向學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能力，故不能滿足嵌入式研發企業對于人才的要求。

　　對于微電子專業而言，芯片設計更新換代很快，系統集成、片上系統甚至片上可編程系統需求大批既懂芯片設計又懂嵌入式系統的復合人才，這方面與國際同行業先進企業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人才需求培養的新模式，是微電子專業嵌入式系統教學面臨的一個重要課題。

　　國內外很多高校和實驗室都對嵌入式系統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或電子工程專業較多，但是對微電子專業嵌入式系統課程的教學改革研究報道較少，并且大多數嵌入式系統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展規劃綱要(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、研究生教育質量和就業率。

　　旨在探索研究微電子專業嵌入式系統學研產教育新模式，走出一條將實際科研項目、教學環節和企業生產緊密結合的特色之路。

　　以市場甚至國際市場為導向、以企業甚至跨國公司為依托、學研產相結合的新模式，把微電子專業嵌入式系統科學研究、企業技術研發和人才培養緊密結合起來。

　　尤其是對微電子專業研究生的教育，與企業甚至跨國公司合作進行技術研發，提高人才的創新能力、解決工程實際問題的能力和專業工程素養，培養出基礎較扎實、實踐能力強、專業工程素養較高和企業歡迎的微電子專業畢業生。

　　為破解高校學生就業難、企業選人難的問題;為縮小我國與先進國家微電子專業復合人才的差距，具有重要的現實意義和長遠的社會意義。

　　1 建立微電子專業嵌入式系統學研產平臺

　　嵌入式系統是微電子專業研究生和本科生的一門專業選修課。

　　微電子專業嵌入式系統的特點是緊跟芯片和軟件前沿發展動向、涉及學科多、國際性器件多且更新換代快。

　　該課程要求理論與實踐緊密結合，企業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嵌入式系統學研產教育新模式的開展，提高學生理論聯系實際和工程項目研發能力。

　　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，建立了嵌入式聯合實驗室，正在與跨國公司相關人士洽談;另外，本研究室在科學研究中已初步建立了小型物聯網系統、RFID系統、光柵測量系統、火炮發射計數系統、煙霧報警系統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設計方法，設計和制作出電子產品，部分產品已應用于企業。

　　微電子專業嵌入式系統學研產新模式的建立，很重要的一項內容就是教學方法和考試方法改革。

　　以實際工程項目驅動為主要形式，以實際課題研究、技術開發為主要內容，整合校企優質資源，優化微電子專業嵌入式系統教學與考試方法，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能力，實現與企業的緊密合作，為學生成功走向市場，進入企業增加一份較強勁的推動力。

　　2 實際項目驅動教學方法改革

　　基于嵌入式系統學研產平臺，緊跟嵌入式學術前沿的發展動向，不斷改進企業所需的產品功能，并將實際的研發項目和研發過程引入到嵌入式系統課堂，采用課內外學習、作業和實驗相結合的方法，使學生能完成嵌入式系統的實際硬件電路設計、程序編制、調試環境搭建、板級調試、網絡通訊、系統集成和文檔編寫等環節，提高學生的工程項目研發和實際動手能力。

　　將企業一線專家請到校內，使學生近距離聆聽企業嵌入式專家的報告和指導，提高學生工程項目經驗、創新能力、實踐能力，豐富學生的專業素養，也可以提高學生的就業率。

　　同時也為企業產品研發提供人才保障。

　　另外，也使學生和教師及時了解企業對畢業生的要求、對課程內容的建議和企業技術創新的需求等，緊跟嵌入式市場的發展需求，及時調整教學內容和規劃，培養符合市場及企業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，以國內企業和國際企業為依托、學研產緊密結合的微電子專業嵌入式系統教育新模式。

　　同時進一步加深與企業之間長期緊密的學研產用合作關系，使平臺成為企業技術創新和我校微電子專業嵌入式人才培養的重要基地。

　　3 結合市場和微電子專業特點細分方向

　　基于微電子專業的特點，一部分學生今后主要從事嵌入式系統設計和研發工作。

　　從事嵌入式系統研發的學生，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、系統設計、電路調試、軟件編程、系統測試、文檔寫作等全過程，完成一個標準工程項目的嵌入式系統研發。

　　另一部分學生今后主要從事器件或芯片的設計研發工作。

　　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展，芯片設計朝著系統集成的方向發展，即SoC片上系統甚至片上可編程系統(SoPC)設計。

　　這部分學生需要學習和掌握嵌入式系統的體系結構、處理器的架構體系、內部器件和單元模塊的工作原理等。

　　如ARM處理器的體系結構和外圍接口的總線設計以及 ARM的匯編語言等。