机械电子工程专业嵌入式系统教学

时间：2021-02-09 18:20:18 机电一体化毕业论文我要投稿

机械电子工程专业嵌入式系统教学

　　机械电子工程专业嵌入式系统教学【1】

机械电子工程专业嵌入式系统教学

　　【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。

　　【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、Nand Flash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。

　　【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.

　　微电子专业嵌入式系统教学新模式的研究和建设【2】

　　摘要：建立微电子专业嵌入式系统学研产平台，对嵌入式系统教学方法改革和嵌入式系统考核方法进行研究，以市场为导向、以企业为依托，为微电子专业嵌入式系统学研产合作探讨新的教育模式。

　　关键词：嵌入式系统产学研项目驱动考核模式

　　随着物联网、通信技术的发展，嵌入式产品在全球各行业得到广泛应用。

　　但我国嵌入式人才一方面市场供不应求、企业选人难;一方面高校毕业生就业难。

　　主要问题是毕业生不能满足市场对人才的要求，校企合作不够紧密。

　　这种现象不仅存在于本科毕业生中。

　　随着研究生的扩招，提高研究生就业率也提上了议事日程。

　　学校不能向学生提供足够的实践机会，有些教学只有理论讲解，没有实践操作，或者学生做实验仅仅是基于实验箱的步骤完成实验，不能提高学生的动手能力和实际工程项目研发能力，故不能满足嵌入式研发企业对于人才的要求。

　　对于微电子专业而言，芯片设计更新换代很快，系统集成、片上系统甚至片上可编程系统需求大批既懂芯片设计又懂嵌入式系统的复合人才，这方面与国际同行业先进企业对人才的要求还有很大的差距。

　　因此，如何破解这些问题，形成适应市场对嵌入式系统人才需求培养的新模式，是微电子专业嵌入式系统教学面临的一个重要课题。

　　国内外很多高校和实验室都对嵌入式系统课程进行了教学改革和尝试，如英国雷丁大学、德国波恩-莱茵-锡格大学、新加坡南洋理工大学和加拿大卡尔顿大学等;国内有清华大学、哈尔滨工程大学、江西理工大学和华中理工科技大学等。

　　上述研究往往涉及计算机专业或电子工程专业较多，但是对微电子专业嵌入式系统课程的教学改革研究报道较少，并且大多数嵌入式系统教学改革主要是实验部分的改革。

　　为了贯彻落实《国家中长期教育改革与发展规划纲要(2010-2020年)》的精神，不断深化本科生、研究生教学改革，提高本科生、研究生教育质量和就业率。

　　旨在探索研究微电子专业嵌入式系统学研产教育新模式，走出一条将实际科研项目、教学环节和企业生产紧密结合的特色之路。

　　以市场甚至国际市场为导向、以企业甚至跨国公司为依托、学研产相结合的新模式，把微电子专业嵌入式系统科学研究、企业技术研发和人才培养紧密结合起来。

　　尤其是对微电子专业研究生的教育，与企业甚至跨国公司合作进行技术研发，提高人才的创新能力、解决工程实际问题的能力和专业工程素养，培养出基础较扎实、实践能力强、专业工程素养较高和企业欢迎的微电子专业毕业生。

　　为破解高校学生就业难、企业选人难的问题;为缩小我国与先进国家微电子专业复合人才的差距，具有重要的现实意义和长远的社会意义。

　　1 建立微电子专业嵌入式系统学研产平台

　　嵌入式系统是微电子专业研究生和本科生的一门专业选修课。

　　微电子专业嵌入式系统的特点是紧跟芯片和软件前沿发展动向、涉及学科多、国际性器件多且更新换代快。

　　该课程要求理论与实践紧密结合，企业需求解决工程实际问题的嵌入式人才，这些都促进了微电子专业嵌入式系统学研产教育新模式的开展，提高学生理论联系实际和工程项目研发能力。

　　我校已与北京华芯微特科技有限公司、深圳仙苗科技有限公司和北京飞漫软件有限公司等单位合作，建立了嵌入式联合实验室，正在与跨国公司相关人士洽谈;另外，本研究室在科学研究中已初步建立了小型物联网系统、RFID系统、光栅测量系统、火炮发射计数系统、烟雾报警系统和完成芯片设计并成功流片的项目等，这些为该课程学研产新模式的探索和研究搭建了很好的基础和平台。

　　部分学生在华芯微特公司运用所学的ARM汇编语言进行指令集的测试设计和应用设计。

　　部分学生运用所学软硬件系统设计方法，设计和制作出电子产品，部分产品已应用于企业。

　　微电子专业嵌入式系统学研产新模式的建立，很重要的一项内容就是教学方法和考试方法改革。

　　以实际工程项目驱动为主要形式，以实际课题研究、技术开发为主要内容，整合校企优质资源，优化微电子专业嵌入式系统教学与考试方法，提高学生的知识水平、学习、动手和实际工程实践项目的研发能力，实现与企业的紧密合作，为学生成功走向市场，进入企业增加一份较强劲的推动力。

　　2 实际项目驱动教学方法改革

　　基于嵌入式系统学研产平台，紧跟嵌入式学术前沿的发展动向，不断改进企业所需的产品功能，并将实际的研发项目和研发过程引入到嵌入式系统课堂，采用课内外学习、作业和实验相结合的方法，使学生能完成嵌入式系统的实际硬件电路设计、程序编制、调试环境搭建、板级调试、网络通讯、系统集成和文档编写等环节，提高学生的工程项目研发和实际动手能力。

　　将企业一线专家请到校内，使学生近距离聆听企业嵌入式专家的报告和指导，提高学生工程项目经验、创新能力、实践能力，丰富学生的专业素养，也可以提高学生的就业率。

　　同时也为企业产品研发提供人才保障。

　　另外，也使学生和教师及时了解企业对毕业生的要求、对课程内容的建议和企业技术创新的需求等，紧跟嵌入式市场的发展需求，及时调整教学内容和规划，培养符合市场及企业一线需求的微电子嵌入式人才。

　　切实建立以国际市场为导向，以国内企业和国际企业为依托、学研产紧密结合的微电子专业嵌入式系统教育新模式。

　　同时进一步加深与企业之间长期紧密的学研产用合作关系，使平台成为企业技术创新和我校微电子专业嵌入式人才培养的重要基地。

　　3 结合市场和微电子专业特点细分方向

　　基于微电子专业的特点，一部分学生今后主要从事嵌入式系统设计和研发工作。

　　从事嵌入式系统研发的学生，重点学习硬件电路设计和软件编程，通过需求分析、方案论证、资料搜集、系统设计、电路调试、软件编程、系统测试、文档写作等全过程，完成一个标准工程项目的嵌入式系统研发。

　　另一部分学生今后主要从事器件或芯片的设计研发工作。

　　随着芯片集成度的不断提高，电子元器件朝着深亚微米方向发展，芯片设计朝着系统集成的方向发展，即SoC片上系统甚至片上可编程系统(SoPC)设计。

　　这部分学生需要学习和掌握嵌入式系统的体系结构、处理器的架构体系、内部器件和单元模块的工作原理等。

　　如ARM处理器的体系结构和外围接口的总线设计以及 ARM的汇编语言等。