面向多應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)課程群建設(shè)

陳 博 葉 勇

摘要:嵌入式專業(yè)作為一個新興專業(yè)有其自身的特點、規(guī)律。目前國內(nèi)在此專業(yè)的課程群建設(shè)方面還處于探索階段。本文通過分析國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)教學的現(xiàn)狀,闡述了嵌入式系統(tǒng)教學體系的架構(gòu)和特點,在此基礎(chǔ)上,提出了一種面向多應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)課程群建設(shè)的方案;并將此課程群在本學院進行了實踐,教學效果表明該方案符合社會與學生的需要,教學效果良好,對應(yīng)用型研究生人才的培養(yǎng)具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:嵌入式;課程群;多應(yīng)用領(lǐng)域;軟件學院

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

嵌入式系統(tǒng)可以被認為是一種專用的計算機系統(tǒng),其專業(yè)基礎(chǔ)知識主要涵蓋目前較為成熟的半導(dǎo)體技術(shù)、電子工程及計算機技術(shù)等,是多種先進技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。由于嵌入式知識涉及多領(lǐng)域,以至目前在此專業(yè)的課程設(shè)置上并沒有一個明確的定位。計算機學院的嵌入式方向可能側(cè)重應(yīng)用軟件的開發(fā),電子及半導(dǎo)體學院可能更偏重硬件方面,而嵌入式專業(yè)開設(shè)的目的則是培養(yǎng)軟、硬件相互結(jié)合的復(fù)合型人才。專業(yè)自身的特點使得建立一個符合人才市場需求,具有建設(shè)性的嵌入式專業(yè)課程體系成為必要解決的問題。

2國內(nèi)外目前嵌入式人才培養(yǎng)及課程設(shè)置狀況

目前國內(nèi)有多所高校開設(shè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程,如北京大學、北京航空航天大學等,國外高校如耶魯大學、劍橋大學等的嵌入式課程設(shè)置也有很高的借鑒價值。課程的開設(shè)幾乎都是針對嵌入式的自身特點,從上層應(yīng)用軟件開發(fā)到底層硬件平臺搭建被劃分成一系列課程。硬件層次方向比較典型的課程有北京大學的“嵌入式微處理器設(shè)計”、北京航空航天大學的“可編程器件”及劍橋大學的“System on Chip Design and Modelling”等;而軟件層次方向的課程如北京大學的“嵌入式軟件設(shè)計與編程”、北京航空航天大學的“Windows CE與嵌入式軟件開發(fā)”及劍橋大學的“Low Power Embedded Systems Programming”(低功耗嵌入式系統(tǒng)編程)等。從各高校的課程設(shè)置上也可以看出嵌入式技術(shù)為系統(tǒng)軟件與硬件的結(jié)合。

3面向多應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)是一個涉及多技術(shù)領(lǐng)域的知識范疇?；谇度胧较到y(tǒng)本身的特點,人才培養(yǎng)不但要掌握電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識,而且要對計算機體系結(jié)構(gòu)有比較深入的理解,這就給人才的培養(yǎng)增加了難度。一方面,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用性強,技術(shù)發(fā)展迅速,而更多高校嵌入式專業(yè)課程的開設(shè)并沒有形成系統(tǒng)、完善的課程體系,并沒有從最本質(zhì)的角度去建立嵌入式體系的課程群,僅僅是對一些主流的技術(shù)進行課程的設(shè)置,影響了教學的效果。另外一方面,嵌入式技術(shù)為軟、硬件的結(jié)合,而某些高校仍然將傳統(tǒng)的單片機甚至基本的嵌入式理論知識作為授課內(nèi)容,在知識的更新上并沒有符合實際的需求。因此,建立一個既符合嵌入式系統(tǒng)發(fā)展方向,又具有前瞻性的嵌入式系統(tǒng)課程群成為了必要。

本學院針對嵌入式系統(tǒng)本身具有的特點,以“寬基礎(chǔ),強技能”為原則,設(shè)置面向多應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)課程群(如圖1所示)。嵌入式系統(tǒng)本身的特點,使得本專業(yè)學生需要很寬泛的基礎(chǔ)知識,如電子專業(yè)和計算機專業(yè)等的基礎(chǔ)內(nèi)容。因此學院招收的嵌入式方向碩士均為本科專業(yè)為電子、半導(dǎo)體及計算機相關(guān)學院就讀的學生。而在嵌入式專業(yè)課程教學前,會對部分學生進行基礎(chǔ)知識的加強,開設(shè)“C語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”,“計算機網(wǎng)絡(luò)”,“數(shù)據(jù)庫及操作系統(tǒng)”等課程,使得學生在開始系統(tǒng)學習嵌入式知識以前,具備學習的基礎(chǔ)。

3.1理論課程體系

嵌入式系統(tǒng)有知識面廣、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點,因此多數(shù)計算機、電子及自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課程也應(yīng)該作為先修基礎(chǔ)課程,而本學院面向的學生為研究生層次,因此并沒有在廣義層面上涉及所需要的所有課程,而只是從狹義的范圍進行針對性的設(shè)置。課程的開設(shè)從嵌入式底層硬件知

識到上層應(yīng)用程序的開發(fā)都有一個較好的過渡。

在對于硬件平臺方面,不但要掌握基本的、共性的硬件結(jié)構(gòu)知識,還應(yīng)該具備一些硬件設(shè)計的基本流程等,課程安排了如“SOC設(shè)計方法”、“EDA技術(shù)”等,在此設(shè)置上更多側(cè)重對硬件平臺的掌握,使得學生在具備基本的電子專業(yè)類知識的同時,可以對SOC、FPGA等技術(shù)有側(cè)重地學習,以及對此類項目的開發(fā)有較深入的理解。

針對操作系統(tǒng)層面的課程開設(shè),學院設(shè)置了“嵌入式操作系統(tǒng)”、“Windows CE軟件設(shè)計”及“基于Symbian OS的手機開發(fā)與應(yīng)用”。在此方面“嵌入式操作系統(tǒng)”應(yīng)該系統(tǒng)介紹主流嵌入式操作系統(tǒng),從主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),分析源代碼開放的操作系統(tǒng)Linux,輔以μC/OS Ⅱ、RTems等操作系統(tǒng)。課程將重點介紹進程調(diào)度、進程間通信、內(nèi)存管理和I/O驅(qū)動機制等,使學生具備裁剪操作系統(tǒng)、移植內(nèi)核的能力。而對于基于Windows CE及Symbian操作系統(tǒng)的開發(fā),同時也應(yīng)屬于應(yīng)用程序的層面。兩個課程并不是分析兩個操作系統(tǒng),而是基于兩個操作系統(tǒng)的上層軟件設(shè)計。Windows CE及Symbian操作系統(tǒng)在手機開發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位,使得開設(shè)此課程成為必要。

在上層應(yīng)用程序方面,學院開設(shè)“基于VxWorks的嵌入式軟件開發(fā)”等課程,并輔助開設(shè)部分嵌入式設(shè)計方法及工具的相關(guān)課程,如“虛擬儀器儀表”、“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”等。這些當前較為流行的設(shè)計方法與工具可以在某種程度上提高項目開發(fā)的效率。因此,該類課程的開設(shè)可以拓展學生的知識面,提高學生研發(fā)的進度。

3.2實踐課程體系

嵌入式系統(tǒng)知識的實踐性很強。學生在學習了理論知識以后,如何能夠在實踐中掌握并使用所學到的開發(fā)方法和技能,是一個值得關(guān)注的問題。為此,學院以培養(yǎng)符合社會需要的嵌入式系統(tǒng)方面的人才為目標,充分考慮嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、嵌入式軟件開發(fā)的特殊性及社會對嵌入式人才知識體系需求的特點等,提出了以多種實踐環(huán)節(jié),多層次實驗項目為主要內(nèi)容的嵌入式實踐課程體系。具體由專業(yè)課實驗、課程項目、工程實踐及畢業(yè)設(shè)計組成。

在專業(yè)課實驗設(shè)置上,各專業(yè)課程設(shè)有相應(yīng)實驗內(nèi)容,根據(jù)本專業(yè)實踐性強的特點,學院規(guī)定實驗課程學時為理論課程的1/2,以達到在實踐中強化知識,鍛煉綜合能力與檢驗學習的效果。在實驗內(nèi)容設(shè)置上,均側(cè)重理論聯(lián)系實踐的本質(zhì),如“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”的實驗課程設(shè)置如表1所示。

學生需要在S3C2410平臺上完成表1所列實驗。通過實驗的完成,學生能夠?qū)RM開發(fā)板有了一定程度的了解,完成從理論到實踐的轉(zhuǎn)變。同時可以鼓勵學生使用開發(fā)板進行簡單的創(chuàng)新項目開發(fā)。

在課程項目開設(shè)上,針對某些課程的特點,對實驗課程的安排除了基本的專業(yè)課程實驗外,輔助安排課程項目,如“虛擬儀器儀表”課程,在學習掌握智能儀器儀表的各種技術(shù)和理論的同時,通過循序漸進的若干專業(yè)課程實驗,最終實現(xiàn)對某電工或通訊等方面的大型項目的設(shè)計,使得學生對軟件工具Labview平臺有一定程度的掌握。

工程實踐環(huán)節(jié)是實踐課程的重要組成部分,學生需要利用5～6個月的時間完成某中型項目的從可行性分析到綜合測試的所有軟件規(guī)范的過程。其目的是使學生所學各科專業(yè)知識得到整合,并讓學生熟悉軟件工程過程與規(guī)范,提高編程能力。學生在完成工程實踐后需要提交詳細的設(shè)計說明書、模塊源代碼、測試報告等,教師須根據(jù)學生提交的文檔及源代碼進行考核。

3.3公共基礎(chǔ)課

學院同時開設(shè)了相關(guān)的基礎(chǔ)課程,如“管理心理學”、“知識產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)”等。應(yīng)該說基礎(chǔ)課程的開設(shè)是與嵌入式行業(yè)、學生自身的發(fā)展密切相關(guān)的,如知識產(chǎn)權(quán)與計算機軟件的關(guān)系,而學生長遠的發(fā)展也需要管理者的相關(guān)知識。這使得此類課程成為了學生必要的知識儲備。

4教師隊伍建設(shè)

建立高水平的師資隊伍是教學改革的又一個重要的任務(wù),也是實現(xiàn)建設(shè)目標、提高教學質(zhì)量的關(guān)鍵因素。學院通過引進和培養(yǎng)提高的方式增加了師資的數(shù)量,優(yōu)化了師資結(jié)構(gòu),提高了教師素質(zhì),達到合理師生比。學院教師

中1/3為專職教師,1/3為學院聘請海內(nèi)外著名企業(yè)和大學的專家、教授,1/3為其他兄弟院系的教授及優(yōu)秀教師。良好的教師組成結(jié)構(gòu)和不同的學術(shù)背景使教師能夠互相交流,取長補短,融合學術(shù)思想和教學觀念,對教學起到直接的推動作用。

5總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)是近幾年計算機專業(yè)迅速發(fā)展的一個方向,各高校也在越來越多地關(guān)注這個產(chǎn)業(yè)及相應(yīng)的專業(yè)人才培養(yǎng)。建立相應(yīng)的專業(yè)課程體系、實驗體系以及教師體系成為當前的迫切需求。本文在對本院幾年來嵌入式專業(yè)課程設(shè)置及社會對嵌入式人才需求進行分析的基礎(chǔ)上,從社會的實際需求及人才發(fā)展的長遠角度,對嵌入式的專業(yè)課程體系進行了重組,并對教學內(nèi)容進行了改革和優(yōu)化,強化了專業(yè)實驗及工程實踐環(huán)節(jié),多方面地對嵌入式知識體系進行了整合。

參考文獻:

[1] 魏巍,宋海玉,王玲芬. 嵌入式系統(tǒng)課群的教學實踐[J]. 遼寧:大連民族學院學報,2009,11(3):282-285.

[2] 馬小軍,王育堅. 計算機應(yīng)用型人才培養(yǎng)與課程建設(shè)淺析[J]. 計算機教育,2009(10):9-11.

[3] 凌明,王學香,鐘銳. 電子類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)探索[J]. 電氣電子教學學報,2007,29(5):4-7.

[4] 彭宏. FPGA技術(shù)在通信系統(tǒng)大型實驗中的應(yīng)用[J]. 上海:實驗室研究與探索,2006(4):472-475.

[5] 徐慧,金敏.“三點一線”教學方法在“嵌入式系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用[J]. 計算機教育,2009(10):39-41.