电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程整合研究 — 以河南工程学院电气信息工程学院为例论文

　　摘要：为了提高电子科学与技术专业学生对单片机与嵌入式技术应用知识的理解程度和应用水平，文章以河南工程学院电气信息工程学院为例，首先阐述了嵌入式相关课程教学问题的相关背景，然后分析了电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程整合研究的思路与方法，接着说明了电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程整合研究的内容，最后对电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程整合研究效果进行了总结。

 

　　关键词：单片机与嵌入式技术应用类课程；嵌入式相关课程；电子科学与技术专业

 

　　目前，河南工程学院电气信息工程学院(以下简称“学院”)电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程总共有7门，包括5门理论课程和2门实践课程。理论课程包括“单片机编程基础”(48学时)、“单片机原理及应用”(56学时)、“嵌入式技术及应用”(48学时)、“单片机原理及应用课程设计”(40学时)和“嵌入式操作系统”(64学时)；实践课程包括“嵌入式电子系统设计”(48学时)和“嵌入式电子系统课程设计”(40学时)。上述各门课程总共344学时，由此可见，单片机与嵌入式技术应用类课程在电子科学与技术专业人才培养中的重要地位。

 

　　虽然各门课程之间教学层次清晰、节奏分明，但是当前的教学方案仍然没有完全脱离传统[1]，导致关联性稍有欠缺[2-5]。同时，总学时不断被压缩，使得学生自主支配的时间不断增加，这就需要探讨更加切合实际的教学方案。在学院领导班子的大力支持下，笔者所在课题组拟对电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程整合问题加以探究，待结果成熟之后再用于指导教学方案的修订工作。

 

 

　　目前，国内许多学者都高度重视嵌入式相关课程教学问题，发表了一系列相关分析讨论的文章并给出了一些解决方案。徐劲松等[6]提出了建立适用于应用型本科教育的嵌入式系统教学体系的构想，即通过分析传统嵌入式系统教学体系的缺点，提出要根据专业不同有针对性地调整课程内容并增加实践环节的课时；王立新等[7]主张以嵌入式技术为核心，对计算机课程体系进行细化设计，并将嵌入式技术的教学工作融入本科生的课前、课中及科研实践，且注重对高精尖人才的培养；高伟等[8]阐述了嵌入式技术教学存在的诸多问题，并提出了可行的嵌入式课程新教学方案。上述研究虽然有一定的参考价值，但是不能完全解决学院在单片机与嵌入式技术应用类课程教学中遇到的问题。

 

 

　　(一)研究思路

 

　　首先，分析设计理论与实践教学的内容，通过调整教学顺序、改变教学方法、匹配实验教学资源等方式，形成联系紧密的课程群。其次，围绕统一的软件体系、同一系列的单片机开发平台和嵌入式硬件平台，将以上7门课程中的内容逐项研讨，确定讲授的具体内容，以便形成精细化、专业化的教学过程[9-10]。

 

　　(二)研究方法

 

　　首先，将电子科学与技术专业大一新生全部分配给指导教师，采用全员项目驱动的方式推进教学改革。指导教师给学生布置独立科研或模拟开发任务，学院负责统一考核与进度质量管理。其次，坚持理论与实践相结合的原则，边教学、边总结、边改进，并通过增加课外实践教学环节的扩展训练内容，如操作嵌入式开发板，以提高学生的动手能力，同时嵌入式开发板应具有与学校实验箱相同型号的处理器。再次，在开放实验室试行本科生导师制，并对学生采取四年一贯制的方法，即针对学生给出一个完整的课题，使学生在电源电路、嵌入式系统、外围接口电路及各种总线接口电路方面得到系统的训练。最后，鼓励学生在就业季带上自己大学期间的作品前去面试，并将面试官提出的质疑当作自己进一步提高技术水平的指挥棒。在面试后，指导教师和学生一起研讨面试官提出的问题，继续改进以弥补所做课题的不足。概括来说，这种研究方法使学生明确了学习的目标，因此得到了学生的充分认可。

 

 

　　本课题的研究内容如下：在不改变7门课程总学时的情况下，通过整合课程的内容、调整课程设置和授课顺序、改进授课方法，以及适当增加课外教学内容，并针对学生的知识背景提高授课的精准度，力争培养出精通嵌入式技术的专业人才。笔者现从以下九个方面具体加以阐述。

 

　　第一，提高课程之间的衔接程度。在现有人才培养方案中，课程衔接不紧密，使学生的理解和掌握出现一定的障碍。比如，“单片机编程基础”课程的培养目标是“使学生掌握C语言和程序设计的过程与技巧，初步具备高级语言程序设计能力，并能熟练应用VC++集成环境进行C语言的编写、编译与调试，达到能应用C语言解决一般编程问题的水平，为后续课程‘单片机原理及应用’等打下扎实的基础”，然而在单片机与嵌入式技术应用类课程体系的其他几门课程中，均不再使用VC++编制和调试C语言，即其他几门课程使用keil或ADS开发环境编写C语言文件，但该类软件在“单片机编程基础”课程中并未介绍。这样，由于前后课程中使用的软件不一致，教师就需要重新讲解keil或ADS开发环境及相关的专用指令，导致学生应用软件的熟练程度难以快速提高。同时，现有单片机与嵌入式技术应用类课程不仅使用的软件具有不同系列，且硬件开发实验箱(开发板)的生产厂家也不同，其设计理念有明显的差距，用到的外围接口电路应用了不同系列的芯片。另外，缺乏对关键知识点的巩固过程，是学生难以掌握单片机与嵌入式技术的关键原因。此外，现有教学大纲中的4门课程“嵌入式技术及应用”“嵌入式电子系统设计”“嵌入式电子系统课程设计”“嵌入式操作系统”所选用的教材讲解的ARM处理器不同，且每个处理器对应的英文产品使用手册均在1 000页以上(有些甚至在2 000~3 000页)，而学院用于单片机与嵌入式技术应用类课程教学的实验箱只有一个系列，对于其他型号的处理器只能是纸上谈兵。这种现状不仅使学生沉浸在英文产品手册中无法自拔，甚至有的课程在教学和实验中分别选用不同型号的处理器。可以看出，如果能使学生专注于学习同一种嵌入式处理器和同一系列的软件，必然能提高学生掌握和运用软硬件知识的速度。因此，课程整合的一个重点是统一规划各门课程用到的软件和实验箱(开发板)，以便在后续建设实验室时，采购同一厂家生产的单片机与嵌入式处理器，以及使用同一厂家生产的实验箱(开发板)及相关性更强的开发软件。

 

　　第二，调整课程设置，并将调整后的课程整合成一个前后连贯且契合学生学习实际的课程群。以往，学生会先修单片机类课程，再修嵌入式技术类课程。之所以这样设置，是因为单片机实质上是一种简化的嵌入式芯片，嵌入式技术的原理涵盖单片机的结构原理，所以学完单片机类课程后，还要重新学习嵌入式技术类课程。如果换一种思路，先修嵌入式技术类课程，后修单片机类课程，则单片机类课程的学时就可以明显压缩，这种方法已经在创新人才培养的过程中得到了验证，并取得了良好的效果[11]。因此，调整后的课程及学生修理顺序应为“嵌入式技术汇编语言编程基础”(56学时)、“嵌入式技术C语言编程基础”(48学时)、“嵌入式技术及应用”(48学时)、“嵌入式电子系统设计”(48学时)、“嵌入式操作系统”(64学时)、“嵌入式电子系统课程设计”(40学时)、“单片机原理及应用课程设计”(40学时)。

 

　　第三，锤炼授课内容。授课内容的精练程度对教学质量的影响巨大，因为优秀的教学离不开对知识点的锤炼。单片机与嵌入式技术的核心是集成电路，且核心的集成电路与外围电路是一个整体，因此依赖编程改变集成电路的内部逻辑结构，脱离硬件原理片面分析编程语言是不科学的。当电路运行的结果与程序预期的结果不一致的时候，必须从集成电路的角度系统分析电路原理。课题组开发了大量的讲解集成电路硬件的课件，初步补齐了集成电路和接口电路硬件的授课内容。另外，随着单片机与嵌入式技术的发展，高级语言脱离底层技术，有些单片机与嵌入式芯片生产商甚至开发出面向自家芯片的高级编程语言程序代码包(如库函数)，用户调用命令更加快捷。这种技术进步虽然可以加快学生学习的进程，但也导致了学生“知其然，不知其所以然”的现象。而整合后的课程对机器语言、汇编语言编程及其演变历史进行系统的解析，能够使学生更好地了解高级语言在编程软件中转化为汇编语言和机器语言的过程，且结合嵌入式技术的底层汇编语言代码讲解二进制指令的编码规则，能够加深学生对单片机与嵌入式技术硬件知识的理解。

 

 

　　第四，创新教学方法。教学方法创新的目的是提高教学效果和质量，使学生能学得快、记得牢、用得上。创新的重点是以能力为本位，由简到难、由单一到综合，且符合学生认知规律及技能提升规律。经过对学习规律的总结，课题组认为学习单片机与嵌入式技术的快慢与个人的学习方法关系密切，有的学生学习一个软件只需要几天，有的学生则需要一两个月。学习单片机与嵌入式芯片的基本原则如下：先结合产品手册的原理图看程序例程，再根据例程分析寄存器的设置规则和程序原理(如果对原理图和程序不理解，可阅读产品手册的文字讲解内容)。学习软件技术的要领主要包括以下三个方面。①在抓住软件核心架构和知识点的基础上，简要学习软件的基本使用方法。②看懂软件中用到的电路图、原理框图、波形图、时序图等。其中，时序图体现了硬件的实现方式，是软件编程的难点。它分为顺序执行和无序执行两种方式。所谓顺序执行，是指电路必须先执行第一个操作，再执行第二个操作，故与之相关的软件指令必须依照先后顺序编程；所谓无序执行，是指电路具有类似串接开关的硬件功能，任何一个开关的合闸不需要区分先后顺序，故与之相关的软件指令无须考虑先后顺序。③参照软件例程，分析软件的使用规则。学习编程必须亲力亲为，看10遍程序远不如在软件中输入1遍程序的理解程度深。另外，学习软硬件知识还要重视生产厂家或软件官网的产品说明书及系统解决方案、问题解答等内容。由于单片机与嵌入式芯片及外围芯片厂家掌握着第一手资料，故其官网资料的可信度远远高于专业网站。根据上述分析，课题组从课程整合及贴合学生学习规律的角度对单片机与嵌入式技术应用类课程的结构进行重新规划、编排，在内容上推陈出新，逐步锤炼授课内容，即对每一个细节讲解透彻，并添加新技术和新方法。理论课程将硬件基本知识、软件编程知识和创新启蒙融为一体，侧重点在于单片机与嵌入式芯片内部结构、接口技术、C语言、操作系统与系统调试及应用型本科高校常用的仪器仪表等方面。实习课程侧重于自学方法与技巧等方面的讲解，以让学生成功制作出产品为培养目标。此外，课题组成员对自己多年来的教学实践经验进行系统的归纳与总结，将自己对课程的认识、体会、感想融入课程体系。考虑到课程既要应用于常规教学，又要服务于开放实验教学，故在内容编写上应尽可能从学生的角度出发，做到步骤详尽、文字简洁，以求高度概括，学生易学易懂。具体而言，在理论课教案设计上，突出理论与实践的有机融合，体现教、学、做一体的教学方法；在实习课教案结构上，设计一系列工作任务，增加一些综合性、设计型、创新型实习项目，使学生在任务驱动的模式下掌握单片机与嵌入式技术的相关知识与技能，以便启发学生的创新思维。

 

　　第五，争取立项建设更多的机房，变理论课程为全程计算机授课，并以此为契机逐步推广以学生自主学习和教师精细辅导为主的教学模式。上述课程的硬件和软件教学过程离不开对电脑程序的讲解，全程电脑授课是一个越来越迫切的现实需求，因此有必要建设一系列教学型的专业机房。这需要向学校申请，从而加快由传统教室向智慧教室转变的改造进度。单片机与嵌入式技术应用类课程具有实用化的特点，迫切需要体现“做中学”的理念，而在教学过程中，每个学生配置一台电脑，显然能够使其更加清晰直观地掌握所学知识。目前，学生自购电脑的比例超过一半，对少部分没有电脑的学生，学院应采取开放实验教学的方法，以便使这些学生在课余时间有充足的机会参加实践训练。

 

　　第六，加大课外实践教学环节的训练和考核力度[12-14]。寒暑假及其他节假日是学生最有效的独立学习时间，有效利用这部分时间是提高教学质量的一个关键环节。本课题拟增加课外实践教学环节，在大一新生入校时由指导教师布置独立科研或模拟开发任务，并将毕业设计与课外实践教学环节深度融合，构成全过程课程设计。同时，将全过程课程设计划分成独立的阶段，每学年一个阶段，并在下一学年开始时考核并给出本阶段的考核成绩，最终计入课外教学学分。另外，在制定人才培养方案时要充分考虑此部分内容，并形成相关配套的教学体系。概言之，这种方法的可行性在创新人才培养中已经得到了验证，下一步拟在学院范围内推广。

 

　　第七，依托校企合作，提高教师的教学水平[15-16]。学院本着“请进来，走出去”的思路，与洛阳惠普软件产业工程有限公司等企业合作，培养了一批满足企业需求的对口专业技术型人才，且部分学生通过努力学习单片机与嵌入式技术，从而走上了研发岗位。与此同时，校企合作使教师看到了差距，为提高教师的实践教学水平指明了方向。学院要求相关教师放下思想包袱，虚心向企业培训教师学习，并将学到的技术转化为教学研究成果，融入课程体系。随着科技的进步，嵌入式技术也在不断发展，因此在海量的新技术中找到适合应用型本科生学习水平的切入点非常重要。对此，学院采取以就业指导教学的方式，考察学生就业的主渠道，不断研讨需要融入教学的内容。学院10年来融入教学的内容包括CAN总线接口电路、Wi-Fi通信电路、蓝牙、以太网、2.4G和4G通信电路、MP3功能模块、物联网等，未来计划融入教学的内容包括北斗卫星定位、阿里云服务器、微信支付系统、小程序等功能模块，这有利于学生更好地掌握相关知识和技术。

 

　　第八，针对学生考研比例已经超过半数、考研成功率逐年攀升的现实情况，课程整合也需考虑考研与就业需求的分化问题。对于考研的学生来说，其既要能学到专业技能，又要兼顾考研。对此，课题组采取针对性的措施，在实习课程、选修课程和毕业设计环节精细谋划，促使考研学生能学到更多与算法相关的软件编程知识，同时促使就业学生能学习到更多应用程序的编写及通信方面的知识。

 

　　第九，尝试推行“院长说专业，教师说课程”的机制。所谓“院长说专业”，是指院长对专业的知识目标、能力目标等大方向做整体布局，为持续打造一流专业打基础；所谓“教师说课程”，是指每位教师对自己所讲的课程如何定位、讲哪些内容、这些内容如何排序、与其他课程如何衔接等做深刻的阐述。这种机制的推行，为进一步的教学改革注入了新的活力，使课题组更加感受到了课程整合的重要性和紧迫性。

 

 

　　本课题的预研工作在创新实验室完成。目前，学院有15位电子创新开放实验室指导教师，指导教师面向学院所有专业招收学生，招收原则是在师生自愿结合基础上实现双向选择。学院提供实验场所及设备，指导教师独立指导学生学习开放实验和进行科学研究，且以学生自学为主、教师指导为辅，同时学生在课余时间完成指导教师布置的设计和制作任务。另外，指导教师根据学生的学习兴趣不同，有针对性地制定培养策略和学生研究方向。在单片机与嵌入式技术应用类课程整合研究方面，课题组设置了三个层次的训练内容，分为基础知识学习阶段、综合训练阶段和创新创业能力培养阶段。在各个阶段，指导教师都融入教学改革的研究成果，大胆加快学生的培养进程，并在实践中总结经验、吸取教训。由于采用了课程整合之后的教学模式，课程布置合理，教学层次清晰，学生掌握单片机与嵌入式技术的速度明显快于传统教学模式。此外，考虑到许多学生毕业后进入研发企业从事研发工作，故课题组下一步计划在电子科学与技术专业的全体学生中推广这种新的课程整合方案，力争培养出更多受企业欢迎的优秀毕业生。

 

 

　　当前，学院电子科学与技术专业单片机与嵌入式技术应用类课程的关联性不够紧密，这给学生理解和掌握相关知识带来了一定的障碍。同时，由于单片机与嵌入式技术应用类课程体系是前后连贯、相互依赖、相互成就的，因此要从便于学生对相关知识的理解和掌握的角度重构课程体系。本文在不改变课程总学时的前提下，研究整合课程内容和顺序，且增强关联性，增加课外教学内容，以便提高学生对相关知识的理解程度和应用水平。经过实践，这种课程整合方案在创新实验室学生培养中已经取得了良好的效果。另外，学院领导和教务处领导高度重视教学工作，相继出台了一系列鼓励教学研究的政策措施，使学校教学改革工作焕发出了勃勃生机。未来课题组拟以单片机与嵌入式技术应用类课程整合为契机，采取教研与科研相互促进的策略，从而进一步提高单片机与嵌入式技术应用类课程体系的教学质量。

 

 

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