“ARM控制器实用技术”课程教学探索
中图分类号：TM57 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-0-03
0 引 言
目前，我们国家迫切需求高级应用型人才，特别是对嵌入式领域人才的需求更是日益旺盛。这是因为，嵌入式系统技术已经在各行业广泛应用，如通信设备与终端、工业控制系统、智能家居家电、医疗仪器设备等[1]。国内外各大院校也纷纷开设了嵌入式系统方面的课程，尤其是“ARM控制器”相关的教学与实践。开课院系不仅仅局限在计算机系、电子系、自动化系、仪器系等电类大平台院系，更是拓展到了机电系、航空宇航系、环境系、生物医学工程系等其他院系，这不仅说明了嵌入式系统领域已经广泛渗透到许多行业，也说明了高校对嵌入式人才培养的重视程度非常高。
为了满足国家和社会单位对嵌入式应用人才的需求，在参考上海交通大学、南京航空航天大学等优秀院校对ARM教学的基础上，南京航空航天大学金城学院于2009年面向电气工程与自动化、自动化、测控技术与仪器等本科专业开设了“ARM控制器实用技术”这门课程。在经过5年的教学实践过程中，积累了一定的教学探索经验。本文对我校教学探索中出现的问题进行了详细描述，并从教学内容优化、教学方法和手段的改进方面给出了目前采取的相应对策，并介绍了我校的实践结果与成果。
1 存在问题与瓶颈
1.1 课程教学的矛盾问题
在“ARM控制器实用技术”课程的教学过程中，我校采用的硬件平台为Samsung 公司的S3C2410嵌入式处理器，软件平台为Linux和WinCE操作系统。课程教学为48学时，其中理论学时为32学时，实验学时为16学时。教学开展一段时间后就发现有两方面问题：一方面是ARM丰富繁多的教学项目内容与有限的学时存在着矛盾；另一方面ARM精深的理论与学生储备知识的欠缺存在着矛盾。
我校教学面向的对象是电气工程与自动化、自动化、测控技术与仪器专业的本科生，这些学生所拥有的基础是数字电路、模拟电路、微机原理、单片机等相关知识，而对操作系统没有足够的认识，也不具备编译原理等相关知识。ARM 教学涉及到一系列计算机专业的相关知识，包括操作系统原理、编译原理等，还需要能熟练操作Linux操作系统。这些问题不是我校特有，在其他高校也面临着教学时间短[2]，学生基础课程欠缺[3]等问题。
针对课程教学的矛盾，大部分高校的做法不尽相同。有的把ARM课程的每个环节都顾及到，但可能往往导致蜻蜓点水式的结果，学生连入门都谈不上。有的仅深入讲解某个模块，把学生所不具备的知识也补充起来讲解，这样学生对嵌入式的全貌了解不深，没有掌握嵌入式设计的“系统”的概念。这些都是源于课程教学的两个矛盾。这些矛盾可以说是ARM嵌入式系统教学的共同问题。
1.2 实验教学问题
ARM嵌入式理论需要大量实验教学的配套来深入理解和掌握。我校教学实验开发平台为MagicARM2410，实验中分别采用Linux和WinCE这两个操作系统，可以支持QT、MiniGUI图形用户界面软件。我校在实验教学中遇到如下问题：
（1）试验箱外购于公司，封装严密，基本上是模块化操作，而且很多底层接口及内部工作原理都不详细给出，甚至给出的存在错误。如果对试验箱“破解”，则相当于让教师去猜测“黑箱子”的内部。实际操作仅仅是按照公司制作的试验箱说明书，按部就班的做一些验证性和装配性实验。
（2）操作系统的练习实验由老师课堂演示操作，然后学生自己动手实验，可能只对嵌入式系统有了一个感性的认识，而达不到应用设计的高度。
（3）学生人数较多与设备数量较少也存在着矛盾。实验室开放时间限制与学生旺盛的思维和兴趣存在矛盾。这些都会导致学生兴趣的衰减，科研萌芽的淹没等。
上述课程理论教学问题和实验教学问题在目前国内教学中并没有很好地解决。国内兄弟高校采用项目教学[4-8]对嵌入式课程实践教学有一定的促进作用，而采用“有趣”方法[9]教学在学生初期入门阶段有一定作用，在后续的精通阶段则作用不明显。在优秀的高校里[10-15]，学校经费资源配置丰富，教学氛围良好，学生素质较高，自学能力强，所以这些问题可以得到一定程度的缓和。但是，在地方高校、民办高校，甚至职业学校等，经费资源、学生素质等均和优秀高校存在一定程度的差异。笔者根据学校自身特点，从教学内容和教学手段等方面进行一定的教学探索。
2 优化教学内容
2.1 芯片选型
通过上面的分析可知使用ARM9内核的S3C2410在偏硬件的电气工程与自动化、自动化、测控技术与仪器专业的嵌入式教学中存在弊端，究其原因还是属于教学定位上的问题。Cortex-M3的诞生，似乎给高等院校本科阶段的嵌入式教学指明了方向。
笔者选用ST公司的STM32F103RBT6处理器作为教学机型，自制实验核心板，以及外围各模块板的样机。选择KeilμVision IDE开发平台，这可以与单片机开发平台兼容。同时该芯片应用领域跟电气工程与自动化、自动化、测控技术与仪器专业的研究领域较匹配。
2.2 教学内容
“ARM控制器实用技术”课程以自制实验平台为依托，以STM32F103RBT6芯片为例来讲解。在以后的教学中，无论是理论课和实践课都在我校联合嵌入式实验室进行。在实验室教学是为了让学生“边学边做”，对软、硬件都有最直观的认识。选修“ARM控制器实用技术”的学生能力参差不齐，教师实践教学应该根据学生特性做个性化引导，所以制定了多阶段实践环节。必修试验分为基础实验和设计性实验两部分。选修试验分为简化的工程项目实践和实际工程项目实践。学生通过必修试验后可得到课程成绩。针对感兴趣、动手能力强的同学，开设了选修试验，他们后续可以参与国家的嵌入式竞赛等进一步上升到研究层面甚至学术层面。其他入门级同学亦有可能在后续的学习、工作中对嵌入式设计产生学习驱动力，有了这些先验基础知识，他们也存在着迈向高级应用型人才的极大地可能性。 3 教学方法和手段的改进
3.1 建立案例库
在教学过程中建立案例库，案例库大部分源于教师课题组历年的项目，结合课程知识进行了简化。学生在学习时可首先根据自己的知识经验来进行分析和设计，然后与案例提示的方案进行比较，评价各自的优缺点，在此基础上，再优化创新出新方案。通过案例库的教学过程，以提高学生的分析和设计能力，更重要的是，提高学生批评性思辨能力。历年教学过程中，学生创新的提出很多解决方案，甚至提出了新的问题形成案例，我们也都对案例库进行更新，并一一注明每个学生的学习贡献，以激发后续学生的学习热情和创新能力。
3.2 项目式教学
采用项目式教学方法可以促进学生独立思考的能力。教师根据教学大纲的内容要求，从实践工程中简化设计多组“项目”，学生2～3人组成研究团队，分配到具体项目进行研究和开发。在此过程中，教师可对学生适当启发，适当提供部分资料，也可以参与其中讨论。通过项目式教学既可以把课程内容与工程实践联系起来，也可以把课程各章节内容联为一体。学生合作研究过程中自主探索，建立起课程相关内容之间的普遍联系思维，也建立起了实践联系理论的思维。不可否认的是，很多好项目也会被初入门的学生做得失败，甚至浪费了很多财力物力，出现这些问题都是正常的，科学知识的熟练化需要一定程度的失败经验。至于制作实验的经费问题，我校采用校企合作方式，得到了一定程度的资金支持，并且每次试验都会请相应的教师把关。总体来讲，若费用不是问题，则学生项目经验可以得到极大地提高。
3.3 自制实验平台
教师自行设计符合学校教学用的实验平台非常重要。这是因为现有商业实验平台和课程内容教学不完全符合，即使符合的那部分也存在底层硬件和代码不透明，无法更新、修改，教师教学只能将其当作“黑箱子”使用。自制实验平台成本相对较低，并且可以课下借给学生使用，同时可以制造、修改为多种不同的功能平台，分给学生配套案例教学，项目教学的使用。软件代码也可以配套给学生，因为自制实验平台对教师来说，属于“透明的箱子”，对学生实践中出现的任何问题都可以给与解答，再也不必受制于厂家。本教学已自制基于STM32教学实验平台和基于S3C2410实验平台各30套，供学生借出使用。
3.4 考核方法
“ARM控制器实用技术”这门课程的一大特点是强实践性，课程考核不能简单采用笔试方式，而要增加实践考核部分内容。目前我校该课程的考核方式是笔试（20%）+平时成绩（30%）+课程设计（50%）。笔试考察对基本概念的了解，平时成绩由基础实验和设计性实验的考察组成，课程设计则根据实际工程项目，由学生自行分组，用3周左右时间研究制作完成。
3.5 指导大学生创新
国家、企业举办的嵌入式竞赛或创新计划，可以极大地激发学生学习兴趣，还可以促进学生改变单纯依靠兴趣来学习，转变为以问题驱动来学习的方式。实践证明，参加过创新比赛的学生，已经初步掌握了以问题驱动来研究嵌入式的设计，而不再因为困难致使兴趣减退最终导致放弃学习。这对学生的实践能力，尤其对做研究的心理素质的培养非常重要。在面对实际工程项目的各种困难时，相信他们不会因为兴趣不高而放弃，坚强的心理素质可以帮助他们圆满地完成项目任务。
3.6 加强校企合作
以市场需求为导向。通过校企合作，让学生增强实践联系理论的意识。学生校外实习，与企业签订学生校外实习协议，企业接受学校一定数量、专业对口的学生实习，学生实习结束毕业时，企业可优先选择录用学生。学校可每年安排一定数量的专业教师到合作企业实践。实践教师填写企业实践登记表，登记内容包括实践内容、实践期限、实践企业评价、学校意见等，并纳入对教师的考核、培养、提高。聘请企业的技术骨干作为课程技术前沿的指导。为弥补学校教师对技术最前沿掌握的不足，学校可聘请企业的技术骨干或专家为客座教授，定期到学校授课，指导和充实最新技术的教学。
4 结 语
为了满足国家对高级应用型嵌入式人才的需求，我校开设了“ARM控制器实用技术”课程。对实践教学中出现的问题进行了详细的教学内容、教学手段和方法的改革。通过在自动化系对本科生教学实践，我们取得了较好地成绩。在教学方面，按照应用型人才培养定位制定课程教学目标和课程内容，编写了符合学院教学要求和企业岗位需求的讲义和相应电子教案，并出版教材一部。在实验室建设方面：经过一年多的实践教学，学院联合南京苏嵌有限公司成立了校企联合嵌入式实验室；在学生培养方面：培养学生参加国家级电子竞赛获得一等奖3次，获得企业赞助的“蓝桥杯”竞赛和飞思卡尔智能车比赛获奖等；在教师科研方面；共接收企业项目合作横向项目基金共计16万元，申请得到江苏省创新基金5项，申请得到学院教改项目2项，成功举办企业赞助的 “苏嵌杯”首届嵌入式系统设计竞赛，并签订后续竞赛持续赞助的协议。随着嵌入式教学改革的发展，“ARM控制器实用技术”课程从一门仅30人选修的课程，成为近300多人选修的课程，吸引了众多来自机电系、车辆系、民用航空系等学生来旁听。
