地方财经院校非计算机专业嵌入式系统教学方法探讨
学习情况，将有限学时的非计算机专业学嵌入式系统教学定位于“嵌入式系统体验入门”；基于上述定位，探讨教学内容、教学方式、教学顺序。
关键词：嵌入式系统；教学改革；非计算机专业
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）01-0226-04
嵌入式计算机技术是21世纪计算机技术两个重要发展方向之一，嵌入式系统代表了“计算”发展的时代方向。根据IDC预测，到2015年，全球智能系统的设备量将达到150亿之巨。无论是在航空航天、汽车电子、消费电子，还是工业控制、轨道交通、国防装备等关键行业，处处都有嵌入式系统的身影。嵌入式技术，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要基础技术[1-3]。
因此，很多高校纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。由于嵌入式技术在工控、汽车电子等领域的广泛应用，除了计算机专业开设嵌入式方向之外，电子工程、自动化、测试技术等专业也相应开设了嵌入式系统基础教学。然而各教学单位的办学理念、办学条件、教师实力和学生水平良莠不齐，所以嵌入式系统教学模式也应该因地制宜、因材施教。本文展示了对西部某财经高校187名学生进行的问卷调查结果，结合该校的实际情况，从学生和授课教师双向角度考虑，探讨在自动化、电子、测控等非计算机专业嵌入式系统课程的教学方法。
一、非计算机专业嵌入式系统开发学习现状
为了清楚了解当前地方财经院校嵌入式系统教学现状，我们对西部某财经高校187名学生进行了问卷调查，被调查学生覆盖了自动化、电子科学与技术、测试技术、应用物理4个专业。调查内容包括生源特点、嵌入式系统前导课程学习情况、当前嵌入式学习状况等。
（一）生源特点
调配率高、女生偏多是地方财经院校信息学科的一大特点。在我们调查的187名学生中，调配生高占40.64%，女生占比为38.5%。兴趣是学习的最好老师，尤其是90后的当代大学生，无论是难度本就高的嵌入式系统，还是其他专业课，如此高的调配率，对大学教师提出了更高的要求。在工科学习过程中，女生的动手能力等劣势也是不可回避的。
除此之外，由于专业差异，经管文专业学生相比工科学生学业更轻松，兴趣更广泛，思维也更灵活。财经特色鲜明的地方财经院校，工科学生容易受到经管文类学生影响。
（二）前导课程学习情况
嵌入式系统有两个很显著的特点：一是软硬件结合，嵌入式系统都是软硬件协同设计的结果；二是面向应用，嵌入式系统是通过嵌入到具体的产品中提升产品性能，降低产品成本的。嵌入式系统作为课程，既包括比较复杂的硬件组成与工作原理，又包括嵌入式软件设计，同时还涉及嵌入式应用开发中的一些工程经验和领域经验。其先行课程有：C语言程序设计、模拟电路、数字电路、计算机组成原理、操作系统等。
在187名被调查者中，C语言程序设计基础非常薄弱。学完之后还不知道什么是C语言的占10%，大一学的时候懂一点点，大三早就忘记了的达到57.8%；竟然有超过一半的人不知道程序从哪个地方开始执行。知道函数指针用法的学生仅仅占13.9%；能读得懂结构体也只有15%。C语言在嵌入式驱动程序开发和应用程序开发中都占据重要地位，如此糟糕的学习情况为嵌入式教学提出了很大挑战。
在笔者的调查中，还考察了其他前导课程学习情况，学习过操作系统的占29.5%；45%的同学学习过计算机组成原理；学习过微处理器结构的学生占38%。
（三）嵌入式Linux开发基础学习情况
单片机作为自动化、电子科学与技术、测试技术三个专业的基础课，本质上同属于嵌入式系统，因此我们同时考察了单片机和嵌入式linux开发基础两门课程的学习情况。
如图1所示，认为嵌入式linux开发基础很难，几乎学不懂的占15.3%；难，但努力了还是能够学懂的占58.7%；难度一般，和其他专业课差不多的占23.5%；只有2.6%的同学认为嵌入式linux开发基础比较容易学。在单片机的学习过程中，认为很难，几乎学不懂的占29.8%；难，但努力了还是能够学懂的占51.0%；难度一般，和其他专业课差不多的占17%；只有2.2%的同学认为单片机比较容易学。
从图1我们可以看出，同嵌入式linux开发基础相比，单片机的学习情况更差。这与嵌入式linux开发基础授课内容密切相关，在被调查的三个专业中，嵌入式linux开发基础授课内容主要有：ARM处理器概述，linux系统最基本的操作，linux环境下简单的C语言程序编写、编译、调试工具，基本的linux应用程序开发接口函数、字符设备驱动程序开发，嵌入式开发平台的构建。即便如此，仍然有74%的人觉得嵌入式linux开发基础很难。从单片机的学习情况也可以看出，一旦涉及到硬件设计，学习情况将更加糟糕。
（四）课时安排不能满足
当前很多高校都采取了学分制教育模式。学分制的优点自然很多，比如更加灵活、机动和高效等等，但是学分制也造成了大课时量课程的锐减。在这种情况下，嵌入式系统理论课程通常只有32课时，实验课时通常只有16个课时，然而，嵌入式系统涉及的知识面非常广泛，需要讲解和实践的内容较多。这样，就形成了庞大的课程内容和偏少的课时量之间的矛盾。就嵌入式Linux开发基础教学课时期望，在笔者的调查中，38%的学生希望理论课和实验课总课时达到64学时，32%的学生选择了56课时。
二、教学目标和方向定位
在第一节中，我们从对学生特点、嵌入式先导课学习情况等进行了调查分析。正如第一节所言，无论是生源特点还是学习态度，财经院校的工科生都有其鲜明特点，就非计算机专业开课情况来看，嵌入式系统开发先行课要么是学习基础很不扎实，要么是一些先导课没有学习。然而在嵌入式系统开发教学中，非计算机专业与计算机专业教学并没有明显区分，教学定位很模糊。
在实际嵌入式工程开发中，一个嵌入式开发项目常常由硬件设计工程师、系统开发工程师、驱动程序开发工程师、应用程序开发工程师共同协作完成。无论是硬件设计、操作系统管理及内核裁剪，还是驱动程序开发，都足够单独开设一门课程，应用程序开发涉及内容更多。现行教学中，在32～42个学时内，教授的内容几乎涵盖了嵌入式系统开发的各个知识点。这种教学方式让学生难以接受，尤其是对调配生源，其兴趣还没激发，就被一棍子打倒，基本是到了最后老师在讲台上费心讲解，学生在下面呼呼大睡。在我们的调查中，《嵌入式Linux开发基础》学习困难的主要原因调查显示：73%的同学选择了计算机软硬件知识储备不够，对计算机硬件不了解，对计算机编程语言不熟悉，对计算机操作系统不熟悉；15%的同学选择了知识点太多，一下接受不了；8%的同学选择了没有兴趣；只有4%的同学认为能力不足。在“你是否有兴趣继续深入学习嵌入式”调查中，73%的同学选择了如果以后工作需要，会继续学习；12%的同学选择没有兴趣，以后也不会再学习了，只有15%的同学有兴趣，会继续深入学习。
著名嵌入式培训学校成都国嵌的嵌入式学习路线设计如下：嵌入式处理器与裸机程序开发→Linux系统管理→Linux应用程序开发→Linux内核开发基础→嵌入式Linux环境搭建→Linux驱动程序开发→深入学习Linux内核[3]。针对改路线，成都国嵌培训共计设计了十门课程班。在有限的32～42学时内，要想完成如此多的教学内容，明显不可能，借鉴先进培训公司的经验，考虑到调配生源多、女生多的实际情况，综合上述调查分析，笔者认为，其指导思想应建立在“有趣，有用，建立学生自信”基础之上，将学校有限学时的嵌入式系统教学定位于“嵌入式系统体验入门”。
针对嵌入式教学目标，我们对刚刚学习过《嵌入式Linux开发基础》的187名同学进行了问卷调查。结合学生意愿和实际情况，其教学目标优先考虑为：通过本课程的学习，使学生对嵌入式系统的基本结构、嵌入式系统设计所涉及的内容有一个较全面的认识，掌握进行嵌入式系统设计的基本理论和方法，为今后从事嵌入式系统的研究和开发打下良好的基础；次之，熟悉ARM微处理器的结构和特点，基本掌握基于ARM微处理器裸机程序设计，掌握基于嵌入式Linux操作系统应用程序设计的基本方法，了解设备驱动开发基本方法。
三、授课内容与顺序设置
在上一节中，我们基于“有趣，有用，建立学生自信”的指导思想，综合考虑了生源特点以及前导课学习情况，将有限学时的非计算机专业学嵌入式系统教学定位于“嵌入式系统体验入门”。在本节中我们基于上述定位，探讨教学内容设置。
当前非计算机专业嵌入式教学内容存在“大而全”的弊病，几乎覆盖了嵌入式系统所有知识点。面对一群连C语言基础都不具备的同学，老师在讲台上高谈驱动程序开发和多进程多线程，学生能够理解吗？！此情此景，如同鸡同鸭讲，对牛弹琴。是否该补上一到两次C语言编程课？笔者的调查结果中，支持补上C语言课程的达到68%。C语言是嵌入式开发的基础，因此，我们认为，对非计算机专业学生，要根据实际情况考虑补上3个学时左右的C语言课程。
信息类专业，在地方财经院校，很难说得上是主流王牌专业，“二本，非主流”标签，让这些专业学生信心存在先天不足，学习难度较大的嵌入式系统，很容易打击学生的信心，在授课内容和顺序以上，一定要保护好学生的自信心。因此，我们主张在课程学习初始阶段，以激发学生兴趣为主，知其然未必一定要知其所以然。在对嵌入式系统简单概述之后，基于开发板进行快乐体验，如裸机程序体验，以及操作系统安装体验。此过程，学生未必要读懂程序，只是基于写好的程序，在老师指导下，一步一步完成操作，实现基本的GPIO控制，直观上体验嵌入式系统。当前，开设了嵌入式课程的院校，基本都配置了基于ARM的嵌入式实验箱，这也为开展体验式教学提供了很好的平台。
计算机巨头ARM公司最近推出一个快速嵌入式系统原形设计平台——mbed[4]，无论是专业人员还是初学者，使用积木式构件，可以快速设计出嵌入式系统。可以在3个学时之内完成经典的GPIO控制实验体验。mbed简单易学，是初学者快乐体验嵌入式系统的好平台。
直观体验嵌入式教学之后，开展对嵌入式处理器与裸机程序开发的深度学习。裸机程序控制案例很多，可以选取几个经典的案例，如GPIO输入输出控制、UMART通信控制、步进电机直流电机控制，基于这些案例，对处理器等硬件平台有着更深入的认识。自动化、电子、测控等专业，在学习嵌入式系统开发之前，都开设了单片机教学，开设上述裸机程序教学，既有利于巩固单片机学习，也有利于过渡到更高级的嵌入式学习。
在实际应用的嵌入式系统中，很多是需要操作系统的，如智能手机等消费电子领域、汽车电子等。当前嵌入式操作系统应用最多最广的非嵌入式Linux莫属。熟悉Linux操作系统管理是非常必要的。基于嵌入式Linux系统，有很多嵌入式应用程序开发，因此在嵌入式体验入门班，有必要奠定基本的嵌入式Linux应用程序开发基础。
表1对上述学习内容学习顺序和学习时间进行更详细配置。要完成上述内容，需要48学时。在非计算机专业，嵌入式系统学习时间一般在48学时左右，要完成嵌入式系统开发高级主题如驱动程序开发、多进程多线程编程，不但学习时间不能满足，由于这些学习主题难度较大，很容易打击学生信心，因此，我们主张只对这些主题基本原理和基本实现作简单概述，留待有兴趣深入学习的同学后续学习。
四、授课模式
（一）理论和实践合二为一
现在的大学本科教育已由精英教育转变成为大众教育，特别是对于地方财经院校这类二本院校的学生，他们普遍兴趣广泛、思维灵活，但却不太习惯理论学习和思考，缺乏恒心和耐力，容易知难而退。对于这些学生，如果采用传统的强调理论化、知识化的传授方法，理论和实验分开教学模式来讲授嵌入式系统课程，学生无法直接感受到嵌入式系统课程的魅力，无法感受到所学知识在实际工作中的地位和作用，因而不能融入到课堂学习中去，体现在课堂上就是老师自说自话，学生我行我事。最后一个学期下来，大部分学生感到一无所获，产生严重的挫败感。从上节课程内容设置来看，适合老师一边动手示范，学生一边学习，学生一边做一边学，在做中学。在我们的调查中，81%的同学认为理论与实验课合二为一，效果会更好。现实中的实验条件也足够支撑理论和实践合二为一教学模式。一个教学班一般一个星期开设嵌入式课程5个学时，一个拥有40台实验箱的嵌入式系统实验室，一天可以支撑两个班级教学，一个星期可以容纳10个班级学习，我校每学年总计有8～10个班级开设嵌入式系统教学，即便是同一学期同时开设这些课程，也能够支撑将理论和实验合二为一的教学模式。
（二）案例驱动
以案例为基础的教学法，根据课堂教学目标和教学内容的需要，通过设置具体教学案例，引导学生参与分析、讨论、实践等，让学生在具体的问题情景中积极思考、主动探索，培养学生分析问题和解决问题的综合能力，这被称之为案例驱动模式[1]。调查结果显示，77%的学生认为，案例驱动嵌入式系统教学可行，且有利于嵌入式系统工程能力的培养。为了解决嵌入式系统教学中存在的问题，其中一个很重要的做法就是在现有教材的基础上，适量引入活泼生动的教学案例和相关的工程应用。通过这些教学案例，提高学生的学习兴趣，让他们主动参与到学习过程中；化解课程的教学难点，减少学生学习课程时的挫折感；强调所学知识的工程应用，培养学生的实践动手能力和创新能力；贯通课程的知识点，建立嵌入式系统整体概念，培养综合运用所学知识的能力。
（三）充分利用云服务降低嵌入式学习的复杂性
嵌入式教学中一个难点就是需要安装配置的软件比较多，如Linux操作系统安装，虚拟机配置，嵌入式程序开发环境的安装与配置，嵌入式程序烧写软件。对初学者来说，如此多的软件安装和配置，一时很难掌握，很容易让学生产生挫败感，进而放弃对嵌入式系统开发的学习。
ARM公司最近推出的mbed快速嵌入式系统原形设计平台[4]，可有效帮助学生解决此问题。该平台只需一块mbed开发板，一台可以上因特网的计算机，用户只需用C或者C++，充分利用mbed库函数，快速开发出嵌入式程序，然后通过远程已经配置好的交叉编译环境进行编译，然后下载到目标板上。mbed既是一块开发板，也可以当作一个U盘，下载程序非常简单。初学者可以很快上手体验到嵌入式系统的魅力。
在操作系统学习方面，无需在本地机上安装操作系统，已有很好的基于云计算平台提供linux操作系统学习平台，Nitrous.IO[5]就是一个非常不错的平台，学生只需要登录其平台，注册一帐号，就可以使用其系统。
五、结语
嵌入式人才的需求量大，嵌入式技术正快速发展，地方财经院校非计算机专业应根据自身特点和定位灵活调整嵌人式系统的教学内容，发挥自身优势，培养出社会需求的嵌入式技术应用人才。嵌入式系统课程的教学改革是一项长期而系统的工程，要逐步改善教学条件，提高教师素质，改进教学方法，不断探索与实践，提高学生的学习兴趣，培养学生的应用能力、创新能力，造就学生的就业优势。
参考文献：
[1]李文生，邓春健，吕燚，案例驱动的嵌入式系统教学改革探索[J].计算机教育，2011，（2）.
[2]王小妮，嵌入式软件设计课程研究与探索[J].中国电力教育，2014，（8）.
[3]国嵌.嵌入式体验入门班培训教材[BD/OL].（2440版）. [2011-03-07].
http：///jiaocai_view.asp？id=330.
[4]Rob Toulson Tim Wilmshurst，著.ARM快速嵌入式系统原型设计[M].韩德强，等，译.北京：机械工业出版社，2014.
[5]https：//www.nitrous.io/.