基于开源软硬件平台的嵌入式教学研究
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）10-0018-02
近年来，随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统在越来越多的领域内得到了广泛应用，各种相关的嵌入式产品也纷纷涌现，同时，嵌入式人才的需求量也在逐年增加，因此各大高校纷纷开展嵌入式教学。然而，在嵌入式教学中，一方面，面对比较深奥的嵌入式知识，学生很难有自觉深入学习的兴趣和动力，即使在教学中加强了教、学、做一体化等教学模式，大多数学生也只是照葫芦画瓢，被动机械地完成学习任务，不能有效地提高自身的技能和创新能力。另一方面，虽然学生逻辑思维能力不强，但是他们的思维十分活跃，只要教学内容符合他们的需求，引起他们的兴趣，就能激发他们学习的动力和创造力。因此，如何在嵌入式教学中挖掘出嵌入式教学中存在的问题的根源，并以此为根据来对症下药，才是解决嵌入式教学中问题的关键。
一、嵌入式教学存在的问题
各个学校开展“嵌入式系统”及相关课程已经有很多年了，所遇到的问题有很多[1]，主要有以下几点。
（一）“嵌入式系统”课程教授难度大
嵌入式课程是一门实践性、应用性和创新性很强的专业课程。嵌入式课程内容的抽象化决定了嵌入式课程教学必须通过大量的实践和动手操作训练来强化其知识结构，仅学习芯片的基本知识而不综合运用软硬件技术且动手解决实际问题的话，就等于纸上谈兵。这些抽象内容的具体化以及如何组织大量的实践成为学生学习以及教师授课的最大困难。
（二）学生基础薄弱，学习兴趣缺乏
各个学校一般在一、二年级强调基础教育，开设了相当多的基础课程，而与嵌入式相关的基础课程，即专业基础课程，如“计算机技术”“半导体技术”等则相对较少。因此，当大三开设“嵌入式系统”课程时，学生并没有嵌入式的直接知识，更无感性认识，再加上课程本身难度较大，从而导致学生缺乏学习兴趣，即使勉强坚持，也会因为不懂的越来越多，而越来越失去学好“嵌入式系统”课程的信心。
（三）缺少适合的教材与实验仪器
目前，大多的“嵌入式系统”的教材以知识结构为主线，先讲解ARM的体系结构、指令集和汇编程序，最后分析综合应用实例。此类教材虽然内容比较翔实，理论性教强，但缺乏直观性，案例较少或者只能提供一些简单的案例，且没有考虑初学者学习嵌入式课程的特点，使用这类教材进行教学会导致学生感到学习内容抽象、枯燥，难以理解。具体来说就是很少有符合不同学校实际情况的教材。即使能找到较好的教材，也很难找到与其相对应的实验仪器。理论与实践不能很好结合，致使教学效果下降。
（四）实验形式单一，学生动手能力弱
学生在学习嵌入式课程中重要的实践就是课程实验[2]。而学生在课上实验过程中，大多以实验箱为主体，进行理论验证性实验，实验教学形式单一，方法简单，只需按照指导书上的步骤完成相同的实验即可，大大限制了学生应用理论去解决实际问题的能力。此外，由于学生嵌入式基础薄弱、学习无兴趣，使得学生在课下很难有效地组织兴趣小组来拓展实践知识。而当有学院、学校或者更高层次的电子竞赛时，往往由于缺乏必要知识而无法参加，致使实际锻炼机会较少，学生的动手能力、创新能力难以发挥。
二、基于开源硬件平台的嵌入式教学策略
出于以上原因，在讲授嵌入式课程时，教师难教，学生难懂，长此以往，最终将导致学生失去兴趣，这些问题的存在使得嵌入式教学成为高校教学中的一大难点。此外，现在各个学校教授嵌入式系统原理及实践知识的过程为原理到实践的过程。由于在学习原理时与实践脱离，理论知识的枯燥性，再加上嵌入式入门门槛高、学生嵌入式基础差等问题的使得嵌入式课程，教学效果难以得到保障。
在高校嵌入式教学中，若能引入业界更多优秀的系统，不仅会给学生深入学习嵌入式知识提供更多可以选择的平台，也会有效减缓教师授课的困难，并成为提高嵌入式课程教授效果的一个有效手段。
开源软硬件平台Arduino无疑是很好的选择[3]。Arduino编程简单，软件、硬件等资源均为开源，且在学习过程中需要的嵌入式知识较少，只需要掌握 C 语言即可完成复杂的系统设计。此外，由于Arduino Due 本身的核心是ARM，即Atmel公司的SAM3X8E内核，所以二者本质上是一致的。将其引入，能在加强学生感性认识，增强学生兴趣中起到关键的作用。在将开源软硬件平台Arduino引入到“嵌入式系统”课程的教学过程中[4]，主要考虑了以下几个方面。
（一）教学方法：教会学生学习
大学的学习主要是自主学习，要想学生能够更好地自主学习，就要求教师在教学的过程中不仅仅教授知识，更重要的是培养学生学习的兴趣、教授学生学习方法，让学生爱学习、会学习，从而提高学生学习的主动性及学习的效率。特别是“嵌入式系统”这门课程，如果能够让学生DIY一些小制作，就会充分激发学生的积极性，同时也会给他们带来极大的自信，锻炼他们自我解决问题的能力。由于Arduino具有编程简单、网络资源多、设计模块化等等优点，对于初学者或者刚接触的人，只要略加指导，就能够很快上手，并制作出比较“炫”的东西来。因此，使用Arduino平台能够从学习方法上改变过去先学理论再实践的过程，从而有效地提高了学生学习兴趣。
（二）整合教学内容
教学内容的改革是嵌入式课程提高教学效果的核心。由于Arduino开源硬件平台编程比较简单，设计硬件知识较少，因此在教学内容上进行了相应的改变，抛弃了课程教授初期就讲授晦涩难懂的ARM的体系结构、指令集和汇编程序等原理知识，减少了由于不了解、不懂而产生的厌学问题。在开课之初，使用Arduino进行教学，教学内容的重点放在Arduino中操作硬件的函数运用上，而基础较高硬件编程知识是被函数屏蔽的。此外，教师可以在这个阶段介绍一些器件知识，如光敏电阻的性质、按键的实现原理等等，一旦有一定积累，就可以转向ARM的教学了。由于Arduino内容的缓冲，使得ARM知识不会显得突兀，从而在一定程度上缓解了学生对嵌入式无感性认识等问题。 （三）合理安排实验案例
“嵌入式系统”这门课程与其他课程最大的区别就是实践的问题。实验是学生学好这门课程的关键，只有通过自己动手实践，才能真正理解所学到的知识点。而传统的实验教学形式过于单一、呆板，学生只需按照指导书的规定步骤机械地完成实验，没有思考，效率不高。为了提高学生的创新能力，应在实验中加入更多的设计环节，给学生制定实验题目，最大限度地调动和发挥学生在实验中的主体作用，才能提高学生的实践能力和应用能力。在这一方面，由于Arduino开源硬件平台的相关资源都是开源的[5]，可发挥教师及学生的能动性，定制出适合本院学生的实验案例。
基于以上分析，将Arduino引入到嵌入式教学中，能够有效缓解、甚至解决传统“嵌入式系统”教学中入门难、学生容易失去兴趣的问题。在教学中，先学习Arduino知识，让学生体会嵌入式学习的乐趣；然后在实践中指出Arduino编程中存在的问题、分析问题的本质，继而学习ARM知识来解决这些问题，即深入了解Arduino、掌握嵌入式编程原理；最后，再利用嵌入式原理回到嵌入式实践，也就是ARM的实践。那么，本文提出的嵌入式教学方法为从实践到原理再到实践的过程，而且实践―原理―实践的反复过程使得理论的学习更加生动、更加有利于理论联系实际。同时，Arduino的引入可在培养学生系统设计、创新能力、团队意识等方面起到积极的作用。
当然，引入Arduino也存在以下几个方面的问题需要解决：（1）需要研究编写适合各个学院本身教学特点的理论教学资源；（2）如何将Arduino知识逐渐地深入，拓展到ARM上来，即怎样过渡的问题；（3）如何定制出与理论教学资源相配套的实验教学资源。虽然以上提出了一些尚未解决的问题，但由于Adruino资源丰富，再加上本身为开源平台，可借鉴的资料非常多，这也给解决以上问题带来很多便利。
通过在“嵌入式系统”课程中引入Arduino并结合已学知识，能够让学生在接触课程之初就开始进行实际应用工程设计，从而极大地调动了学生的自主学习积极性，在转入ARM的学习之前，采用工程引导的方式，提出问题、并给出解决问题的方式，也能够使学习过程有一定的连贯性。此外，由于一直使用C语言开发，为后面的ARM学习打下了坚实的基础，使学生在语言与硬件方面有了较好的结合，避免了直接学习ARM的突兀性。总之，Arduino的引入，不仅可以让学生的理论知识得到更好的实践，还有效地培养了学生的应用创新能力，以此作为培养应用型本科教育模式是值得研究的。
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