嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)存在的問題與思考

徐遠(yuǎn)超 張聰霞 關(guān) 永

摘要:近幾年很多高校都相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)專業(yè),由于嵌入式系統(tǒng)本身的復(fù)雜性及課程教學(xué)體系的不成熟,使得嵌入式教學(xué)還存在很多問題有待探討。正視、認(rèn)清并結(jié)合實際情況尋找對策,才能搞好教學(xué)和專業(yè)建設(shè),真正提高嵌入式人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文分析了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)存在的部分問題、總結(jié)了國內(nèi)高校的幾點成功做法,重點對師資建設(shè)、體制管理、課程改革等問題進(jìn)行了思考。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);課群建設(shè);教學(xué)改革;教學(xué)方法

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1前言

嵌入式是近幾年發(fā)展最為迅速的IT領(lǐng)域之一,人才市場的需求量極大,因此,包括北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等著名大學(xué)在內(nèi)的全國很多高校及高職院所都紛紛開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)。如何提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)專業(yè)人才,是擺在專業(yè)建設(shè)負(fù)責(zé)人和任課教師面前的重要課題。要解決好這個問題,必須首先認(rèn)清嵌入式系統(tǒng)的特點,以及目前存在的問題,通過分析成功的經(jīng)驗做法,在結(jié)合自身特點及現(xiàn)實情況的基礎(chǔ)上制定一套適合自己的教學(xué)體系。

2專業(yè)特點

(1) 專業(yè)涉及面太廣、綜合性太強。嵌入式系統(tǒng)是一門“軟硬兼施”、涉及多門專業(yè)基礎(chǔ)類課程內(nèi)容并具有較強應(yīng)用針對性的課程,不僅要求學(xué)習(xí)者具有較好的計算機(jī)軟、硬件基礎(chǔ)知識,還要求其具有其他門類專業(yè)的常規(guī)知識(如通信,自動控制,傳感器技術(shù)等),被業(yè)界認(rèn)為是一科入門門檻較高的學(xué)科。

(2) 在此之前,學(xué)生在算法設(shè)計、應(yīng)用層編程上接觸較多,而嵌入式系統(tǒng)需要大量的理解底層硬件和外設(shè)的工作原理,以及內(nèi)核和驅(qū)動的工作原理,涉及到復(fù)雜的C語言和操作系統(tǒng)的概念,學(xué)生一下子無法接受,甚至產(chǎn)生畏難情緒。

(3) 嵌入式系統(tǒng)往往與應(yīng)用相關(guān),處理器、操作系統(tǒng)等種類繁多,熟悉這些內(nèi)容,僅僅靠課內(nèi)有限的學(xué)時是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,這無疑要求學(xué)生們拿出大量的課外時間加以自學(xué),這對他們的自學(xué)能力提出了很高的要求,而自學(xué)能力的培養(yǎng)普遍沒有得到足夠的重視或訓(xùn)練。

3存在的問題

(1) 隨著高校的擴(kuò)招,包括重點大學(xué)在內(nèi)的生源質(zhì)量普遍下降。很多學(xué)生只愿學(xué)馬上能用、容易上手的知識,這種現(xiàn)象在除重點大學(xué)之外的其他高校普遍存在。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性亟待提高,沒有這一點作為基礎(chǔ),任何教學(xué)改革都是無源之水,天方夜譚。

(2) 由于涉及的知識面廣,綜合性強,這就對任課教師提出了更高的要求。一般的教師很難做到軟、硬件都精通,很多老師都是在接受短期培訓(xùn)之后就給學(xué)生授課的,對相關(guān)基礎(chǔ)缺乏全面足夠的了解,實踐經(jīng)驗有限。因此,目前學(xué)生實踐活動普遍停留在應(yīng)用程序開發(fā)的階段上,底層內(nèi)核移植、驅(qū)動程序的開發(fā)相對較少。

(3) 現(xiàn)有的嵌入式實驗教學(xué)平臺所配的實驗,幾乎都配備了詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書,雖然老師們準(zhǔn)備實驗講義的工作量減輕了,但學(xué)生們按照實驗指導(dǎo)書的步驟一步一步按部就班地重復(fù)實驗內(nèi)容,不僅無創(chuàng)新可言,實驗本身的效果也大打折扣。

(4) 有限的課內(nèi)學(xué)時,無法滿足實踐教學(xué),尤其是綜合性、設(shè)計性實踐的需要。由于管理體制的原因,很多院校的實驗室并未完全開放,教師指導(dǎo)學(xué)生課外實踐的積極性沒有完全調(diào)動起來,課內(nèi)安排的實驗更多的是為了配合課內(nèi)理論教學(xué)的內(nèi)容,一個實驗一個模塊,缺乏系統(tǒng)性,學(xué)生無法建立完整的系統(tǒng)概念。

4成功的做法

縱觀國內(nèi)高校的成功做法,有以下幾點值得借鑒。

(1) 普遍采取基于項目(Project-Organized)的學(xué)習(xí)方法,基于問題(Problem-Based)的教學(xué)方法。由此產(chǎn)生的實踐教學(xué)目標(biāo)明確,效率高。縱觀實踐教學(xué)成功的例子,普遍都是“Learning by Doing”,而不是“Doing by Learning”。

(2) 重視與博創(chuàng)、周立功、Altera、Xilinx、Microsoft、Intel、ARM等知名企業(yè)的合作,以獲得最直接的技術(shù)支持。既能彌補課程資源的不足,也能有效地培養(yǎng)師資隊伍。

(3) 重視和參加各種嵌入式大賽。很多學(xué)校,如北京工業(yè)大學(xué),同濟(jì)大學(xué),北京航空航天大學(xué),電子科技大學(xué)在全球性的嵌入式大賽中都取得了驕人的成績,學(xué)生們在大賽中得到了極大的錘煉,這些經(jīng)驗和積累也充實到教學(xué)改革中。在歷屆的“博創(chuàng)杯”全國嵌入式大賽中,哈爾濱工程大學(xué)多次獲得特等獎,足以看出該校已經(jīng)形成了良好的競賽氛圍,也積累了豐富的大賽經(jīng)驗和技術(shù)成果,并非一蹴而就。

5思考

看到一些理工科重點大學(xué)的成功做法,我們切記一定不能完全照搬,必須充分認(rèn)識本校的特點,認(rèn)真思考并選擇屬于自己的道路。

5.1教師隊伍建設(shè)

嵌入式是最近幾年才逐漸發(fā)展起來的新專業(yè),教師的教學(xué)經(jīng)驗普遍不足,教師隊伍建設(shè)十分關(guān)鍵。建議形成以專業(yè)負(fù)責(zé)人為核心,全員參與的教學(xué)隊伍。由于實踐輔導(dǎo)的強度非常大,一名教師往往也無法解決實踐過程中,尤其是創(chuàng)新實踐過程中涉及的所有內(nèi)容,因此我們要探索一門課以一位老師為主導(dǎo)、由多位老師講授或輔導(dǎo)的模式。協(xié)同指導(dǎo),既能減輕教師的負(fù)擔(dān),又能提高輔導(dǎo)的效果。所有教師都要苦練內(nèi)功,豐富自己的理論水平和實踐經(jīng)驗,并真正投入到實踐輔導(dǎo)的隊伍中。周立功曾說,與他合作的研究生導(dǎo)師必須親自參與到科研項目中,不能只是指導(dǎo)。

5.2管理體制改革

很多嵌入式大賽取得優(yōu)異成績的高校,都得益于三個方面,一是學(xué)生積極參與,二是教師主動投入,三是領(lǐng)導(dǎo)足夠重視。競賽的主體是學(xué)生,由于競賽是自愿性質(zhì)的,面對每年各種各樣的嵌入式大賽,很多高校根本就沒有學(xué)生報名。原因是多方面的,除學(xué)生的個人基礎(chǔ)外,筆者認(rèn)為在于引導(dǎo)不夠、宣傳不夠、激勵不夠。北京交通大學(xué)的做法是如果要申請保送研究生,必須有這方面的競賽經(jīng)歷甚至獲獎。另外,很多高?？己私處熤饕纯蒲?指導(dǎo)學(xué)生實踐活動要占用大量的時間,投入與回報不成正比,很多教師不愿投入精力,而僅靠個別教師指導(dǎo)是無法形成合力的。北京工業(yè)大學(xué)在這方面做得很好,不僅有八人的教師梯隊,大部分教師都直接參與指導(dǎo)并有著豐富的實踐經(jīng)驗,學(xué)校也十分重視,投入專款建競賽訓(xùn)練基地。

5.3教學(xué)與科研結(jié)合,形成自己的特色

實踐證明,沒有科研的教學(xué)是沒有深度的。加州大學(xué)伯克利分校規(guī)定,課程教學(xué)必須與教師的研究領(lǐng)域緊密相關(guān),他們追求深度甚于廣度。國內(nèi)在嵌入式領(lǐng)域的著名高校,都十分重視與知名企業(yè)的合作,如同濟(jì)大學(xué)與微軟在移動方面合作,浙江大學(xué)與Intel在多核方面合作,都形成了自己的特色。嵌入式系統(tǒng)與特定行業(yè)應(yīng)用密不可分,泛泛的教學(xué)無法激發(fā)學(xué)生的興趣。

5.4課群建設(shè),課程整合

我們發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致學(xué)生失去興趣的另外一個原因是課程太多,壓力太大。如我院近幾年相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)、嵌入式匯編語言、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件設(shè)計、嵌入式軟件測試、課程設(shè)計等課程,要通過考試,學(xué)生們必須完成相應(yīng)任課教師布置的大量作業(yè),學(xué)生們普遍感覺很累。如果通過一個大的Project,將嵌入式匯編、軟件設(shè)計、軟件測試等課程內(nèi)容有機(jī)的整合起來,讓學(xué)生得到系統(tǒng)級訓(xùn)練,作為內(nèi)容的提升,可以讓學(xué)生在嵌入式軟件的優(yōu)化、功耗的降低、可靠性設(shè)計等方面作些研究和實驗,甚至可以延續(xù)為畢業(yè)設(shè)計題目。因此,必須以專業(yè)為基礎(chǔ),進(jìn)行課群建設(shè)。

5.5教學(xué)方式改革

嵌入式系統(tǒng)實踐性很強,且有一定難度。建議采取自頂向下(尋根究底)的教學(xué)模式,這也符合認(rèn)識事物的規(guī)律。建議學(xué)生們最好有一點單片機(jī)的基礎(chǔ),初期用現(xiàn)成的學(xué)習(xí)板,盡量簡單,后期可嘗試自己設(shè)計,從硬件到軟件完全自己做。不僅要進(jìn)行軟件的設(shè)計,而且還要進(jìn)行硬件電路的設(shè)計和制作,以及軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試,使學(xué)生建立相關(guān)課程之間知識的有機(jī)聯(lián)系。讓學(xué)生熟悉需求分析、方案設(shè)計、原理圖和PCB繪制、元器件采購、電路的焊接和調(diào)試、嵌入式軟件開發(fā)等各個環(huán)節(jié),使他們的工程實踐能力得到真正提高。值得注意的是,項目必須盡可能接近真實世界,因為真實的項目有很多約束,而這正是嵌入式系統(tǒng)的特點?？紤]到學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊,必須分層次要求和考核。針對實驗教材過于詳細(xì)的問題,建議任課教師對實驗重新進(jìn)行逐一設(shè)計,制造一些問題,盡管工作量很大,但確實十分必要。要發(fā)揮教師指導(dǎo)、教練的作用,強調(diào)學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)和提高。教學(xué)中要講思路、思維方式和方法,具體知識讓學(xué)生自學(xué),并記錄遇到的問題,長時間無法解決和典型、普遍性的問題再在課堂上統(tǒng)一講授。建立資源庫,尤其是師生互動的教學(xué)資源,建立答疑庫,逐漸積累豐富。好的作品建立音視頻錄像永久保存。這樣第二年的項目可在此基礎(chǔ)上再有所發(fā)揮。

5.6教材建設(shè)

每個學(xué)校都有自己的側(cè)重點,基礎(chǔ)也不一樣,建議自編講義,結(jié)合教學(xué)大綱更多地融于自己的研究內(nèi)容,在講授的過程中思路也會更加清晰,從而可以在教學(xué)中傳授更多的經(jīng)驗而非簡單的知識,條件成熟時還可以公開出版,很多高校都有類似的做法。

6結(jié)束語

任何一個專業(yè)從新生走向成熟都需要經(jīng)過幾年甚至更長時間的探索與磨合。在建設(shè)的過程中,必須針對學(xué)校的特點、生源的質(zhì)量制定符合自己的培養(yǎng)計劃,根據(jù)教學(xué)反饋,實事求是,不斷調(diào)整。教與學(xué)都必須苦練內(nèi)功,不斷積累,切忌急功近利,膚淺浮躁,只有這樣,教學(xué)質(zhì)量才能實質(zhì)性的提高。

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