冯济琴 朱 革 陈古波

重庆理工大学电子信息与自动化学院 重庆 400054

ARM嵌入式系统教学方法研究及实践探索

冯济琴 朱 革 陈古波

重庆理工大学电子信息与自动化学院 重庆 400054

目前ARM嵌入式系统教学存在的教材理论知识偏难、学生实验时间太少、缺乏创新能力等现状，在该课程的教学改革中将书本理论知识、仿真实验和项目化教育三者结合，教学内容循序渐进，让学生真正学懂，学以致用，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的动手能力和创新能力，取得了较好的教学效果。

ARM嵌入式系统；仿真实验；项目化教育；创新能力

为适应社会需要，我校在原有51单片机课程上开设了ARM嵌入式系统课程，该课程是学生综合应用其他专业知识的重要课程，在电类专业中起着非常重要的作用，很受学生欢迎。我校每年都有近20个班的学生选修ARM嵌入式系统课程，笔者连续4年都承担51单片机课程和ARM嵌入式课程的教学任务。为进一步提高该课程的教学质量，通过多种形式和学生交流，了解他们的需求，并结合实际工程开发中对ARM嵌入式系统的需要，认为该课程目前的教学存在以下问题。

1.1 教材理论知识偏难

因为ARM嵌入式技术是一门新兴技术，目前该课程的教材偏少，而且大部分教材中的理论知识偏多、难懂，学生课后参考资料极少，因此学生起初热情大，但后来越学越不懂，导致最后学生不爱听，教师教学也困难。即便是大部分高校采用的教材《ARM嵌入式系统基础教程》[1]，书中虽然引入了许多例子，但这些例子多以芯片手册描述的方法来编写，很少有完整的例子来讲解一个模块，知识点相对比较孤立。学生学习后很难将这些孤立知识点前后联系，而嵌入式系统技术在应用中又要求对所有知识融会贯通，这样才能学以致用。学校在近几年的教学实践中，仍然选用该教材，但是在教学内容顺序上做了调整，使理论学习由浅入深。

1.2 实验时间太少

嵌入式系统类课程最重要的就是实践，通过实践，才能将所学知识巩固并灵活应用。但是目前该课程实验教学时间开设为16个学时，学生实验时间太少[2]，不利于知识的消化和吸收。即便是能保证充足的实验学时，学生所完成的几个典型实验也只是验证性实验，他们在实验中大多只是按照指导书给出的实验步骤完成实验，不能灵活应用所学知识。这样的实践方式使学生在学习过程中仍然是理论与实际脱节，达不到理想教学效果。如果在课堂教学中引入实验仿真平台，更能让学生将理论和实际联系起来；更重要的是，学生在课后能自己建立虚拟实验平台，不再拘泥于只在传统实验室才能进行实践学习，而是会拥有更多的课后实践机会。

1.3 学生对所学知识点不能融会贯通

该课程的核心内容大都是以模块形式来讲解的，如GPIO模块、定时器模块、PWM模块等，这些知识在教师讲解和学生搭建虚拟平台实践后，都能基本被学生掌握。但是学生在学习后，也都把这些模块当做是孤立的模块，往往不能前后联系，不能灵活应用。因此学生在参加一些电子设计竞赛或者科研创新活动时，需要综合知识。虽然大部分学生嵌入式系统各模块知识都学得很好，但就是不会灵活应用，不知如何应用所学知识来完成自己的项目。针对这点，在完成教程各模块内容后，将书上知识点串成一些项目，把理论融入项目实践中讲解，调动了学生的兴趣，提高了他们的实践创新能力。

2 教学方法

针对上述教学现状，我们提出一套新的ARM嵌入式课程教学方法，而且在实践中取得了较好的教学效果。

2.1 教学内容顺序调整

目前高校开设ARM嵌入式系统这门课程大都使用《ARM嵌入式系统基础教程》，该教材相对于其他教材而言，更适合工科类学生使用。但是该教材也存在一些缺点。例如在内容编排上，该书前部分较多枯燥理论知识，后面章节才是具体应用，这种编排比较教材工程技术人员，不太适合高校学生学习。而学生学习教材内容宜由浅入深，先提高其对嵌入式系统的兴趣，这样才能对后面的学习起到事半功倍的效果。因此在教学过程中，依据学生的兴趣和心理特点，将教材内容进行调整。

例如第四章和第五章内容调整前后对比(见表1)。

4.9 向量中断控制器 4.9 SPI接口4.10 外部中断输入 4.10 I2C 接口4.11 定时器0和定时器1 4.11 UART0和UART1 4.12 SPI接口 4.12 A/D转换器4.13 I2C 接口 4.13 看门狗4.14 UART0和UART1 4.14 脉宽调制器4.15 A/D转换器 4.15 实时时钟4.16 看门狗 4.16 存储器寻址4.17 脉宽调制器 4.17 系统控制模块4.18 实时时钟 4.18 存储器加速模块5.1 最小系统 4.19 外部存储器控制器

调整后内容由浅入深，而且内容安排顺序上和开设的51单片机课程类似，先硬件再软件，先实物后理论。这样让学生从感性到理性的学习，对该课程不再感到枯燥。同时，适合学生学习51单片机后形成的思维模式，更易学习ARM，同时也能更好地将51单片机课程和ARM课程相结合，寻找其共同点与不同点，做到嵌入式系统学习中“一通百通”的效果。

2.2 虚拟仿真平台的搭建

传统的ARM开发平台不但价格高昂，一般高校实验室也不具备每个学生单独使用1套开发平台的条件，并且实际电路连线不可更改。加之实验教学时间是有限的，学生也无法在短时间内将所有实验消化吸收。如果使用EDA技术建立嵌入式虚拟仿真平台，使学生自己可以在课后完成以前必须在实验室内完成的实验，这样，他们有充分的时间消化、吸收、再学习，且对自己所学知识实现自我摸索和提升。

虚拟平台搭建的主要工具是Proteus和Keil软件。Proteus是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件，它的主要优点是能够进行电路原理图的设计，可以仿真微处理器及其外围电路，且提供软件调试功能。Keil是国际知名软件公司Keil公司开发的嵌入式系统软件开发平台，是目前嵌入式系统51和ARM微控制器的主流开发工具。

利用上述两款软件，可完成ARM嵌入式系统课程中大部分知识点实验仿真，如GPIO、外部中断输入、定时器0和定时器1等模块。

例如，在向学生讲解GPIO这部分知识的时候，可以让学生在计算机上利用Proteus搭建硬件平台。例如，通过P0.17和P0.18分别连接不同颜色的LED灯，作为输出口，P0.19口接按键作为输入口。然后通过Keil软件编写程序，从而让学生练习GPIO的输入输出功能，以达到掌握GPIO的学习内容的目的。

2.3 理论联系实际，融入项目化教育方法

即使在该课程中引入虚拟平台，学生在一定程度上可以很好地消化课堂的理论教学，但是所学知识点不能串在一起，在真正应用的时候也是无从下手，更谈不上创新。因此在整个教程内容完成后，综合前5章所有知识点，以一个简单项目为例，将项目化教育引入课程教学中，使学生能将理论与实际结合起来，能运用所学知识去解决实际问题，培养学生分析问题、解决问题的能力。

具体在项目化教学过程中，可以将学生分为几个项目组，让学生分工合作来完成项目。近几年的教学过程中，我们实践过许多小项目，具体实施建议分以下几步：

(1)确定项目任务；

(2)对学生进行分组，各组进行任务分工，明确各自任务；

(3)方案实施；

(4)项目总结及经验交流。

在整个项目化教学实施过程中，教师应起引导性作用，及时解决学生在项目设计中所遇到的问题。学生在进行项目设计过程中必须分工合作，具有团队精神。在项目实施过程中，学生不仅需要将所有知识综合运用，更需要具有创新能力，这样才能完成整个项目的设计。

3 结束语

通过教学顺序的调整，使课程内容由难变简，深入浅出，学生在学习理论过程中循序渐进，与学过的51单片机做比较学习，使学习变得较轻松。在学习过程中，可利用现有条件搭建虚拟平台，让学生不仅在课堂上也可在课后进行实验，让所学知识得到巩固。在所有知识点完成后，以一个小项目总结前面所学知识，这让学生对该课程更有兴趣，既拓宽了学生知识面，又提高了学生的综合能力和动手能力，使学生在教学教学过程中占主导地位。课程改革的实际应用效果较好，但是教学改革任务艰巨，需根据实际情况不断对教学方法进行调整，以适应学生及社会需要。

[1] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[2] 邓春健,李文生,杨亮,等.ARM嵌入式系统课程教学方法研究[J].计算机教育,2010,3.

Research and practice on teaching method of ARM embedded system

Feng Jiqin, Zhu Ge, Chen Gubo
Chongqing university of technology, Chongqing, 400054, China

A lot of negative factors are existing in ARM embedded system teaching, such as diff culties in theoretical knowledge of books, insuff cient time for experiments, def ciency in innovation ability and so on. In order to make students understand and apply ARM embedded system completely, theoretical knowledge of books, simulation experiments and project education were integrated together and taught students step by step in education reforms. In this way, students' learning interesting could be increased, and operation ability and innovation ability could be improved. As a result, good teaching effects could be obtained.

ARM embedded system; simulation experiments; project education; innovative ability

近年来，随着计算机技术及大规模集成电路技术的发展，嵌入式技术日渐普及，在通讯、网络、工控、电子等众多领域发挥着越来越重要的作用。同时随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式人才的需求量也在逐年增加，人才缺口逐渐扩大。对嵌入式系统技术作为一门新兴技术，涵盖了电子、信息、计算机等多项技术的综合应用，因此对嵌入式系统课程教学也提出更高要求和挑战。

1 教学现状

2011-11-24

冯济琴，硕士，副教授。

重庆理工大学高等教育项目(编号：11002)。