嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系改革探討

黎建華，胡永良

（臺(tái)州學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000）

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系改革探討

黎建華，胡永良

（臺(tái)州學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000）

針對(duì)嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，簡(jiǎn)要分析了國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的問題所在；建立了嵌入式課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)、嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；結(jié)合嵌入式課程的自身特點(diǎn)，給出了“五階段三層次”的教學(xué)體系思路，探討了項(xiàng)目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)施流程，以此提高學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

嵌入式系統(tǒng)；課程體系；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；項(xiàng)目教學(xué)

1 引言

2010年3 月在全國(guó)兩會(huì)上，政府工作報(bào)告首次專門提及物聯(lián)網(wǎng)，這給物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶來的是鼓舞更是機(jī)遇，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為未來十年中國(guó)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵詞。同年嵌入式系統(tǒng)研討會(huì)于3月27日在北京航空航天大學(xué)舉行，此次會(huì)議的主題是從物聯(lián)網(wǎng)談嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，探討如何利用物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展契機(jī)推動(dòng)國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的步伐。嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)，正逐漸成為眾多高校的重點(diǎn)建設(shè)課程。在IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)和ACM共同制定2004版計(jì)算機(jī)類課程體系中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被列為核心課程之一［1］。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)高校紛紛開設(shè)了嵌入式體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)課程，但國(guó)內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)教育與培訓(xùn)還處于初期階段，沒有形成統(tǒng)一的教學(xué)體系和人才培養(yǎng)模式，課程缺乏系統(tǒng)性和層次性，未發(fā)揮各個(gè)課程間的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。為發(fā)揮高校服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的作用，提高國(guó)內(nèi)制造業(yè)的技術(shù)改造和轉(zhuǎn)型水平，高校如何提高嵌入式體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的教學(xué)效果，突破傳統(tǒng)8位單片機(jī)的教學(xué)模式［2］，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)方向的高技術(shù)人才，實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”的突破，是一個(gè)值得探討和反思的課題。

2 嵌入式系統(tǒng)課程體系的建立

隨著嵌入式產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展，人才的短缺成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，企業(yè)對(duì)嵌入式技術(shù)人才更是求才若渴，所以嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)傾向于工程實(shí)踐而非單純的知識(shí)傳授。然而嵌入式系統(tǒng)本身涉及知識(shí)面廣、綜合性和應(yīng)用性強(qiáng)，加上學(xué)科發(fā)展非常之快，因而學(xué)習(xí)和講授難度都很大，難以形成一個(gè)簡(jiǎn)單明確的知識(shí)體系。這就要求授課教師不僅要具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般的軟硬件理論知識(shí)，而且必須真正從事過嵌入式系統(tǒng)相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)，才能對(duì)嵌入式系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。

當(dāng)前諸多高校只是為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)更改或增設(shè)了一兩門嵌入式系統(tǒng)課程，跟嵌入式相關(guān)的許多課程的開設(shè)基本是在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期單獨(dú)開設(shè)，學(xué)時(shí)少，大部分學(xué)生根本無法在很短的時(shí)間內(nèi)掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)方法，究其根本原因是嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的開設(shè)缺乏層次性和漸進(jìn)性。通過研究與探索，本文給出了“基礎(chǔ)導(dǎo)論類課程－嵌入式處理器課程－嵌入式操作系統(tǒng)課程－應(yīng)用領(lǐng)域課程－討論班課程”的五階段課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示，形成了以地方需求驅(qū)動(dòng)的嵌入式課程群。

第一階段主要開設(shè)嵌入式軟件概論、嵌入式系統(tǒng)分析等系統(tǒng)分析和導(dǎo)論類課程，對(duì)嵌入式軟件開發(fā)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題進(jìn)行分析，包括處理器體系架構(gòu)、C/C++編程語言、開發(fā)環(huán)境和工具、實(shí)時(shí)問題、RTOS、網(wǎng)絡(luò)等，介紹嵌入式軟件開發(fā)特征相關(guān)的要點(diǎn)，讓學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。第二階段開設(shè)嵌入式微處理器的相關(guān)課程，結(jié)合高校自身的專業(yè)特色，選擇一到兩種微處理器內(nèi)核進(jìn)行講解，比如ARM、DSP等，加深學(xué)生對(duì)嵌入式微處理器內(nèi)核的認(rèn)識(shí)和理解。第三階段開設(shè)嵌入式操作系統(tǒng)，比如實(shí)時(shí)內(nèi)核UCOS、QNX等，多任務(wù)內(nèi)核Wince、Linux等，為嵌入式開發(fā)提供一定的軟件基礎(chǔ)。第四階段結(jié)合各地產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色、具體的應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)特點(diǎn)，開設(shè)數(shù)字圖像處理、模具控制和無線網(wǎng)絡(luò)等課程，提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。第五階段是強(qiáng)化訓(xùn)練，可開設(shè)一些高層次的嵌入式系統(tǒng)課程，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式嵌入式系統(tǒng)等課程，當(dāng)然這類課程建議以討論班的形式開展。對(duì)于嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的選擇有多種，一般只需選擇其中一種，從精通一種到能開發(fā)項(xiàng)目，為自學(xué)其它的嵌入式處理器或操作系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

圖1 “五階段”課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)

通過以上五階段的分層次、漸進(jìn)性的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，逐步提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的理論水平和應(yīng)用能力，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)可以上升到系統(tǒng)級(jí)和專業(yè)級(jí)。同時(shí)從導(dǎo)論類課程開始，可考慮在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論里面加入嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)方法以及應(yīng)用實(shí)例等方面的簡(jiǎn)單介紹，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情；對(duì)程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程教學(xué)最好能在Linux環(huán)境下進(jìn)行，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言的起步階段即熟悉Linux環(huán)境下的程序設(shè)計(jì)、編譯和調(diào)試方法。

3 嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)體系的建立

在實(shí)施嵌入式教學(xué)的整個(gè)過程中，鑒于嵌入式應(yīng)用性為主的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為衡量嵌入式教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。隨著教學(xué)的改革，多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法也應(yīng)運(yùn)而生。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，更新優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法，是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容改革的重要組成部分。

3.1 嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與內(nèi)容的選擇

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的各個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺(tái)是十分關(guān)鍵的。教學(xué)平臺(tái)的選擇有兩種方案，一種是自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，編寫簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。另一種是購(gòu)買市面上現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)開發(fā)箱，利用廠家提供的內(nèi)容來授課。

當(dāng)前大部分都是以現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱為主，教學(xué)很大程度上不是由應(yīng)用來推動(dòng)的，而是跟著實(shí)驗(yàn)箱廠家提供的內(nèi)容來規(guī)劃授課內(nèi)容。學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)受限于教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大多只能做些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺乏經(jīng)驗(yàn)和資源，教學(xué)內(nèi)容上的欠缺，直接影響了學(xué)生面對(duì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)的創(chuàng)新能力與二次開發(fā)能力。因此在嵌入式平臺(tái)和教學(xué)內(nèi)容上，建議兩種方案相互結(jié)合，購(gòu)買部分實(shí)驗(yàn)開發(fā)箱，另一部分可以在教師指導(dǎo)下，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，邊干邊學(xué)，以干促學(xué)［3］。

3.2 “演示驗(yàn)證型－綜合設(shè)計(jì)型－研究開發(fā)型”三層次嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，建立“演示驗(yàn)證型－綜合設(shè)計(jì)型－研究開發(fā)型”三層次的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并采取“開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的思路和方法，充分利用學(xué)生的業(yè)余時(shí)間。有條件的可以將課堂轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，教師邊講、學(xué)生邊干、教師邊輔導(dǎo)的教學(xué)形式，使學(xué)生不再感到內(nèi)容抽象枯燥。

（1）演示驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生掌握基本技能，提高學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的理解，比如中斷實(shí)驗(yàn)，串口通信實(shí)驗(yàn)，內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)，LCD實(shí)驗(yàn)，IIC、SPI、CAN等總線接口實(shí)驗(yàn)，嵌入式操作系統(tǒng)的移植。配備基本的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的興趣，為后面的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

（2）綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求盡可能拋開具體的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，綜合整個(gè)課程的知識(shí)，對(duì)每道綜合性實(shí)驗(yàn)都要進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的目標(biāo)，例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC實(shí)驗(yàn)本為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在調(diào)動(dòng)起學(xué)生的興趣后，設(shè)計(jì)一個(gè)類似手機(jī)上的世界電子時(shí)鐘和日歷程序［4］。

（3）研究開發(fā)型實(shí)驗(yàn)要求較高，最好結(jié)合各地產(chǎn)業(yè)特色，通過校企合作、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外科技活動(dòng)等漸進(jìn)式項(xiàng)目教學(xué)、討論班的形式展開，結(jié)合軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力及團(tuán)隊(duì)精神。

4 漸進(jìn)式項(xiàng)目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的探討

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)分為高校教學(xué)和社會(huì)培訓(xùn)兩類。社會(huì)培訓(xùn)一般少則一個(gè)星期，多則一個(gè)月，培訓(xùn)周期較短，學(xué)員只能對(duì)嵌入式整體構(gòu)架有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，但優(yōu)點(diǎn)是以項(xiàng)目為主線。項(xiàng)目教學(xué)法是目前高校教學(xué)改革的主要方向，而嵌入式系統(tǒng)自身的應(yīng)用性特點(diǎn)決定了它必須和生產(chǎn)實(shí)踐相互結(jié)合。所以在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的中后期階段，鼓勵(lì)開展項(xiàng)目教學(xué)，項(xiàng)目之間也要遵循漸進(jìn)性。形成以“教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)生為中心”，以“課本為主線”轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴绊?xiàng)目為驅(qū)動(dòng)”。項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施流程

4.1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目確定

對(duì)于地方院校，應(yīng)用型人才顯得更加重要。地方高校是區(qū)域創(chuàng)新體系的龍頭和骨干，易深入實(shí)際獲取問題，從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去，在高校人才培養(yǎng)中具有一定的優(yōu)勢(shì)。所以項(xiàng)目教學(xué)中的項(xiàng)目來源主要取材于當(dāng)?shù)仄髽I(yè)，和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系，通過校企合作，由教師審核指導(dǎo)，學(xué)生動(dòng)手，開展橫向合作項(xiàng)目。另外也可將教師曾經(jīng)開發(fā)過的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目拿過來，布置給學(xué)生，這樣教師易做到心中有數(shù)。

4.2 組建項(xiàng)目小組并進(jìn)行需求分析

學(xué)生選擇自己感興趣的項(xiàng)目組成若干個(gè)項(xiàng)目小組，各個(gè)小組選出“項(xiàng)目經(jīng)理”，負(fù)責(zé)人員分工與課題的完成。教師下發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書，由項(xiàng)目組成員對(duì)問題進(jìn)行分析討論，可以通過企業(yè)訪談、文獻(xiàn)搜集、網(wǎng)絡(luò)信息等手段明確項(xiàng)目需求。

4.3 制定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃

完成需求分析后，由項(xiàng)目組成員通過討論對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分解與分工，確定初步時(shí)間安排，確定項(xiàng)目方案和步驟，建立起完整的項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃。

4.4 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，也是遇到問題最多的階段，項(xiàng)目組組長(zhǎng)起到人員之間的組織協(xié)調(diào)工作，在實(shí)踐過程中遇到問題，要求利用網(wǎng)絡(luò)、圖書館、團(tuán)隊(duì)的凝聚力解決，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。指導(dǎo)教師要經(jīng)常過問，必要時(shí)給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和幫助。

4.5 項(xiàng)目成果展示與評(píng)價(jià)總結(jié)

項(xiàng)目完成后應(yīng)該對(duì)成果進(jìn)行展示，介紹項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的難點(diǎn)和解決方法。這樣不僅對(duì)完成該項(xiàng)目的成員起到鼓勵(lì)作用，對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生成就感，對(duì)其它組成員也起到了激勵(lì)作用。同時(shí)還要其它項(xiàng)目組的同學(xué)提出問題，項(xiàng)目組成員給予解答。最后由指導(dǎo)教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討遺留的問題。

5 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)作為一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，其教學(xué)改革是一個(gè)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，需要建立完整的課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)，不斷的豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，獲取更多的實(shí)踐項(xiàng)目。嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的“大腦，中樞神經(jīng)”，各大高校都在進(jìn)行教學(xué)改革，但必須真正立足于各地產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色，才是高校嵌入式人才培養(yǎng)的真正出路。

［1］IEEE Computer Society，ACM Computing Curriculm-Computer Engineering. Computing Curricula-Computer Engineering 2004 “CE2004 Final Report”［OL］.http：//www.eng.auburn.edu/ece/CCCE.

［2］馬忠梅.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式探討［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，（11）：5-8.

［3］王建萍，費(fèi)躍農(nóng)，王燕瑜.嵌入式系統(tǒng)“邊干邊學(xué)”教學(xué)模式探究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（5）：103-105.

［4］歐陽秀軍，劉啟岳，彭宣戈.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐［J］.井岡山學(xué)院學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)） ，2006，27（12）：43-44.

Discussion on Teaching System Reform of Embedded System

LI Jian-hua，HU Yong-liang

(School of Mathematics and Information Engineering,Taizhou University,Linhai 317000,China)

The problems of embedded system teaching are presented in this paper by analyzing the challenge and opportunity to the development of embedded industry. The course system structure and the experimental teaching system have been established.The teaching contents of embedded system have been given.The new teaching ideas,combined with its own characteristics of embedded courses,are proposed and named five phases and three levels.In order to improve the students’application and creation ability,this paper discusses the implementation process to project teaching in embedded system.

embedded system;curriculum system;experimental teaching;project teaching

耿繼祥）

TG146.4

A

1672-3708（2010）06-0081-04

2010-11-05；

2010-12-01

黎建華（1980年- ），男，湖北宜昌人，講師，碩士。胡永良（1973年- ），男，浙江臨海人，副教授，碩士。