“嵌入式”課程教學改革研究

姚 莉

(湖北理工學院 計算機學院,湖北 黃石 435003)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。在過去的幾十年里，嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展使計算機的分類從以前的巨型機、大型機、小型機、微型機之分變?yōu)橥ㄓ糜嬎銠C和嵌入式系統(tǒng)之分。嵌入式的應用涉及金融、航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、醫(yī)療、工業(yè)控制及軍事等各個領(lǐng)域，嵌入式技術(shù)將成為后PC時代的主宰[1]。這一現(xiàn)象使我國嵌入式系統(tǒng)的市場需求快速增長，嵌入式領(lǐng)域?qū)θ瞬诺男枨笈c日俱增。

嵌入式系統(tǒng)也是一個計算機系統(tǒng)，但與通用計算機系統(tǒng)相比，它與應用密切相關(guān)，可執(zhí)行特定功能。嵌入式系統(tǒng)具有典型的多種學科交叉融合的特點。其中，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的核心學科有4個，分別是：微電子學、計算機科學與技術(shù)、電子工程學和自動控制學[2]。因此，進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計最大的特點是涉及的學科和知識多樣且復雜。但是隨著技術(shù)的進步，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計可簡單分為2個部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。作為計算機專業(yè)的學生將來大多數(shù)是從事軟件設(shè)計方面的工作。軟件設(shè)計包括驅(qū)動層軟件設(shè)計和應用層軟件設(shè)計。

目前國內(nèi)高校基本沒有專門針對嵌入式技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)設(shè)置專業(yè)，絕大部分高校都是在已有的計算機相關(guān)專業(yè)中開設(shè)“嵌入式”系列課程[3]。計算機專業(yè)開設(shè)“嵌入式”系列課程的主要目的是：讓學生在系統(tǒng)掌握計算機專業(yè)基本知識和技能的基礎(chǔ)上，熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的原理和應用，培養(yǎng)學生嵌入式系統(tǒng)應用和開發(fā)的能力，適應新的市場要求。

1 計算機專業(yè)“嵌入式”課程教學現(xiàn)狀

以湖北理工學院計算機學院為例，從2006年開始針對計算機相關(guān)專業(yè)設(shè)置“嵌入式”專業(yè)課程“嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與應用”。從2011年開始根據(jù)專業(yè)發(fā)展修改了本科生人才培養(yǎng)方案，即針對2011級計算機科學與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)嵌入式技術(shù)方向課程群，即“嵌入式系統(tǒng)原理及應用”、“嵌入式操作系統(tǒng)”、“嵌入式應用程序設(shè)計”、“嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)”等。學生在“嵌入式”系列課程學習過程中，普遍認為課程難度較大，知識掌握不夠熟練。另外，湖北理工學院電氣學院也在近幾年開設(shè)了“嵌入式”相關(guān)專業(yè)課程。但是至今沒有學院或?qū)I(yè)將“嵌入式”設(shè)置為人才培養(yǎng)的系統(tǒng)專業(yè)方向。因此，在教學方面出現(xiàn)了以下一些困難和問題。

1.1 高校人才培養(yǎng)不適應嵌入式系統(tǒng)方向新形勢的要求

高校人才培養(yǎng)不適應嵌入式系統(tǒng)方向新形勢的要求是當前嵌入式相關(guān)教學面臨的最大困難，造成這種現(xiàn)象的原因有很多，如嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識多，涉及內(nèi)容廣泛，新知識更新快；教學中容易產(chǎn)生過分偏軟或偏硬的現(xiàn)象，理論和實踐結(jié)合少；嵌入式系統(tǒng)設(shè)備價格貴且容易毀壞，多數(shù)高校的實踐教學經(jīng)費不足等。這些現(xiàn)象致使高校面臨嵌入式系統(tǒng)課程孤立、課程不全、實踐能力弱、創(chuàng)新意識薄弱、與實際應用脫節(jié)等問題[4]。

1.2 實踐教學支撐不夠

傳統(tǒng)的專業(yè)課程教學是依托該課程的實驗教學部分來鞏固和實踐理論學習。目前“嵌入式”系列課程的學習也采取這種方式。對嵌入式方向的入門基礎(chǔ)課程該方法還比較實用，但是對于嵌入式方向的后續(xù)課程，特別是強化和發(fā)展課程，只依靠實驗部分來完成實踐教學還遠遠不夠。應該改革實踐教學方法，例如采用實訓、課程設(shè)計等方式，或者可以通過完成大作業(yè)、開放實驗室的方式，以及要求學生分組完成課程相關(guān)作品的方式來進行教學。

1.3 教學考核的局限性

目前計算機學院大部分課程的教學考核是采取在每學期末進行筆試或上機考試的方法。但該考核方式不利于嵌入式方向?qū)I(yè)課程的教學，甚至不能公平公正地對學生進行正確的考核。由于嵌入式技術(shù)的學習和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)涉及多方面、多領(lǐng)域知識的融合，因此應該采用更靈活的方式進行考核。

2 “嵌入式”課程教學改革

2.1 明確專業(yè)定位

嵌入式計算機系統(tǒng)在技術(shù)上的先進性和應用領(lǐng)域的廣泛性，使其成為計算機技術(shù)與工程實踐緊密相結(jié)合的系統(tǒng)，也使得嵌入式計算機專業(yè)定位比較困難[5]。 我校計算機學院針對這一問題一直在不斷地研究和改進，從將“嵌入式”作為計算機相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)必修課發(fā)展到現(xiàn)在將其定位為計算機科學與技術(shù)本科專業(yè)的教學方向之一(嵌入式技術(shù)方向)，并設(shè)立了圍繞這個方向的多門相關(guān)專業(yè)課程。這個變化充分體現(xiàn)了我校計算機學院在嵌入式課程教學中的不斷進步以及為實現(xiàn)計算機專業(yè)嵌入式相關(guān)課程的教學目標而作出的努力。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式計算機系統(tǒng)的應用領(lǐng)域不斷擴大，在計算機專業(yè)中“嵌入式”已經(jīng)可以作為一個獨立的學科，培養(yǎng)更專業(yè)的技術(shù)人才。

2.2 加強師資建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)是由嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)2部分組成。硬件系統(tǒng)一般包括嵌入式微處理器、外圍電路和外部設(shè)備；軟件系統(tǒng)包括嵌入式操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動程序、API及組件和應用系統(tǒng)軟件等。“嵌入式”課程教學對教師的要求較高，在高校中能夠完全勝任“嵌入式”課程教學的教師很少，主要原因是大部分高校教師對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗匱乏。因此，為了進一步提高高校嵌入式技術(shù)的教學質(zhì)量必須加強師資隊伍建設(shè)。我校計算機學院近年來多次派專業(yè)教師到其他高校和公司進行學習和培訓，對提升“嵌入式”課程教學效果起到了良好的作用。但是，由于學習和培訓的時間較短，教師仍然存在經(jīng)驗不足、知識結(jié)構(gòu)不全面等問題。

2.3 選定教學方向和實驗輔助設(shè)備

計算機專業(yè)學生要學好“嵌入式”課程，首先必須具備硬件電路知識，如模擬電路及數(shù)字電路設(shè)計、單片機技術(shù)等；其次需要了解計算機的組成和一些低級語言，如計算機組成原理、匯編語言等；然后才能在低端應用中完成驅(qū)動層軟件的開發(fā)和設(shè)計；最后再熟練掌握1～2門程序設(shè)計語言，如：C、C++、JAVA等，即可完成嵌入式應用軟件的開發(fā)。

嵌入式技術(shù)具有很強的實踐性和應用性，對學生的動手操作能力有較高的要求，因此該課程的實踐教學非常重要。在課程設(shè)計、實訓等實踐教學過程中，應以案例教學為主導，配合綜合設(shè)計性實踐內(nèi)容。要求學生能夠熟練掌握嵌入式系統(tǒng)涉及的知識點并完成系統(tǒng)設(shè)計方案，然后在PC機上實現(xiàn)調(diào)試和編譯系統(tǒng)程序代碼，再下載到試驗箱上運行并演示系統(tǒng)結(jié)果，最后完成課程設(shè)計論文或?qū)嵱枅蟾妗Ａ硗?，通過申請實驗室開放項目課題以強化學生的操作能力?？傊?，使教學環(huán)節(jié)盡量保持與嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程一致，讓學生在掌握理論知識之后可以熟練應用于實際操作中，以加強學生的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力。

為使畢業(yè)生更好地適應目前嵌入式技術(shù)領(lǐng)域的市場需求，實驗輔助設(shè)備的選擇也變得尤為重要。到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應用幾乎深入到各個領(lǐng)域，并且比較適合高校教學。因此大部分高校都選定ARM系列的嵌入式處理器作為“嵌入式”課程的實踐平臺。2006年我校計算機學院引進了20套ARM9系列的嵌入式配套實驗教學箱，對計算機專業(yè)的嵌入式課程教學起到了很好的輔助作用。

3 結(jié)束語

嵌入式技術(shù)是促進信息化與工業(yè)化融合的核心技術(shù)，是信息技術(shù)中發(fā)展最快、應用最廣的技術(shù)。以信息家電、消費電子、智能控制設(shè)備為代表的具有網(wǎng)絡(luò)特征的嵌入式產(chǎn)品為后PC時代IT工業(yè)帶來了廣闊的市場前景，同時也給嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。目前各高校的嵌入式課程教學沒有統(tǒng)一、通用的教學模式[6]，因此高校必須針對不斷變化的市場形勢對嵌入式人才的培養(yǎng)準確定位，針對計算機專業(yè)進行“嵌入式”課程教學改革，設(shè)置合理的課程教學體系，以培養(yǎng)學生的實際崗位需求能力。

參考文獻

[1] 馬忠梅.ARM & Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2008:1,5.

[2] 俞建新,王健,宋健建.嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008:12.

[3] 蔣偉杰.計算機專業(yè)本科嵌入式系統(tǒng)方向課程建設(shè)研究[J].計算機教育，2011(20):61-64.

[4] 鄧春健,李文生,楊亮,等.“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程教學方法研究[J].計算機教育,2010(3):94-96,100.

[5] 蘇錫鋒.高職嵌入式計算機應用專業(yè)建設(shè)探討[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報,2010(1):55-56,76.

[6] 何劍峰,黃建仁,何月順,等.以ARM-Linnx為載體進行嵌入式系統(tǒng)教學關(guān)鍵點的研究[J].東華理工大學學報(社會科學版),2011,30(3):287-290.