面向嵌入式軟件開發(fā)的C語言程序設(shè)計課程改革探索

楊波　沈承舒

摘要：從嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的角度出發(fā)，探討在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向上C語言程序設(shè)計課程的改進思路，首先闡述嵌入式軟件開發(fā)對C語言的知識和技能需求，指出現(xiàn)有C語言課程針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)存在的不足；在此基礎(chǔ)上，從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容劃分、實驗設(shè)置及教學(xué)方法與手段等方面討論C語言程序設(shè)計課程的改革思路。

關(guān)鍵詞：嵌入式軟件開發(fā)；C語言；課程改革

0.引言

C語言程序設(shè)計作為程序設(shè)計語言的入門基礎(chǔ)課程，是各高校理工科專業(yè)中計算機程序設(shè)計類課程的普遍選擇。作為一門理工科通識課程，其目的在于使學(xué)生通過對C語言中各種語言成分的學(xué)習(xí)，初步認識計算機程序設(shè)計及進行程序設(shè)計的過程，掌握基本的程序設(shè)計思想與方法。作為通識類課程，目前各院校通常將該門課程的教學(xué)安排在一年級，每周3-4學(xué)時（含實驗），講授內(nèi)容主要包含C語言的數(shù)據(jù)類型與表達式、程序結(jié)構(gòu)、函數(shù)、指針、鏈表、文件等。在教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)時限制或?qū)W生接受程度等原因，常常需要對部分教學(xué)內(nèi)容（如多級指針、文件操作、位操作等）進行削減，無形中降低了課程內(nèi)容的深度與廣度。作為通識類課程，這樣的削減影響不太大。而對于信息類專業(yè)（計算機、電子、自動化等）而言，僅掌握通識教育中所講授的部分是遠遠不夠的。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是信息類專業(yè)的一個主要發(fā)展方向。進入21世紀(jì)以來，融合先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)及各行業(yè)領(lǐng)域具體應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)，已在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、電子商務(wù)、機器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

一般說來，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適用于心用領(lǐng)域，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。由于在成本、功耗、體積等方面的限制，對嵌入式系統(tǒng)中的軟件開發(fā)提出了更高的要求。嵌入式軟件開發(fā)是在特定的硬件平臺上進行，需要使用具有較強硬件操作能力的編程語言。由于C語言是具備了這一特質(zhì)的高級語言，成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最佳選擇。

調(diào)查顯示，在信息類專業(yè)中，電子類本科專業(yè)教學(xué)計劃與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)要求相脫節(jié)，電子類本科學(xué)生的軟件基礎(chǔ)也較弱。在這樣的背景下，對C語言程序設(shè)計課程進行相應(yīng)改革，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才培養(yǎng)的需要是十分必要的。

1.嵌入式軟件開發(fā)對C語言的需求

在適用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的3類主要語言中，C語言占有超過70%的份額。開發(fā)嵌入式軟件，除掌握C語言的基礎(chǔ)知識和基本技能外，主要還存在以下幾方面的要求：

1）指針。

指針作為C語言的主要特點，其使用十分靈活，因而也很難完全掌握。它可用于指向不同類型的普通變量、數(shù)組、字符串，甚至函數(shù)。在嵌入式軟件開發(fā)中對各類不同指針（數(shù)組指針、指針數(shù)組、指向結(jié)構(gòu)體的指針、多級指針）的使用十分普遍。因此，指針相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)必須足夠深入。

2）位操作。

C語言有別于其他高級語言的一個特點是可直接對硬件進行操作。指針和位操作是這一特點得以實現(xiàn)的工具。通過6種位操作符，可直接對內(nèi)存、寄存器或I/O端口的字節(jié)進行測試、置換或移位處理。熟練掌握位操作符的使用，是進行嵌入式軟件開發(fā)必不可少的重要基礎(chǔ)。在一些國內(nèi)高校普遍選用的經(jīng)典C語言教材（如文獻[4]）中，由于定位于普適教育，并未包含位操作部分的內(nèi)容。

3）文件讀寫。

嵌入式系統(tǒng)中“一切皆文件”，系統(tǒng)的運行以文件讀/寫方式進行操作。理解文件系統(tǒng)的構(gòu)成、掌握基本的文件操作方法也是進行嵌入式軟件開發(fā)必須掌握的技能。

4）宏定義。

在嵌入式軟件中使用宏定義，不僅可防止代碼出錯，提高可移植性、可讀性，而且是產(chǎn)生內(nèi)嵌代碼的唯一方法，可用于替代函數(shù)調(diào)用，從而達到嵌入式系統(tǒng)性能要求。

以上4個方面的內(nèi)容，在通識型的C語言課程中，由于課時和學(xué)生程度等原因，都不能進行針對性的特別訓(xùn)練。學(xué)生在進入嵌入式系統(tǒng)開發(fā)階段后，顯然會成為程序設(shè)計知識方面的短板。

2.課程改革思路

基于上一節(jié)的認識，我們對C語言程序設(shè)計課程的教學(xué)提出了下面的調(diào)整思路。

2.1課程設(shè)置

作為通識課程的C語言程序設(shè)計通常安排在一年級或二年級上學(xué)期完成。信息類專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)三年級開始進入嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)課程時，不可避免地對已學(xué)過的C語言的知識會有一定程度的遺忘。

針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的要求，考慮將C語言程序設(shè)計課程劃分為2個階段。第1階段為c語言程序設(shè)計基礎(chǔ)，每周3學(xué)時，可在大學(xué)一年級下學(xué)期或二年級上學(xué)期開設(shè)；第2階段為嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計，每周2學(xué)時，作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向的選修課，可在大學(xué)三年級上與其他嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，如嵌入式系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)一起開設(shè)。這樣設(shè)置一方面滿足了在低年級完成程序設(shè)計類通識課程的要求，使學(xué)生不必過早接觸C語言中較為深入、復(fù)雜的部分；另一方面，通過將與嵌入式軟件開發(fā)密切相關(guān)的知識適當(dāng)推后，確保了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)各門課程問的知識聯(lián)系。

2.2教學(xué)內(nèi)容的劃分

由于將課程劃分為基礎(chǔ)部分和面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的提高部分，則可將C語言的一般基礎(chǔ)（基本語句、控制結(jié)構(gòu)、數(shù)組、函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體）劃人C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)課程中，通過這部分的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握C語言的基本理論知識并具備基本的編程技能，達到程序設(shè)計類課程的通識教育水平。

對于與嵌入式開發(fā)密切相關(guān)的知識，將在嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計課程中講授，主要包括：宏定義、位操作、文件操作和復(fù)雜指針運用。這部分內(nèi)容的教學(xué)可圍繞嵌入式軟件開發(fā)實例展開，深入講解各知識點的應(yīng)用。通過嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)更深入地理解和領(lǐng)會C語言的精華思想，同時具備基于嵌入式平臺進行軟件開發(fā)的能力。

2.3實驗內(nèi)容endprint

任何程序設(shè)計語言的學(xué)習(xí)都離不開大量的實踐，實驗是學(xué)習(xí)C語言的重要組成部分。根據(jù)前面對課程的劃分，C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)課程中可開設(shè)的實驗項目如表1所示。

實驗1在學(xué)習(xí)了C語言的數(shù)據(jù)類型、運算符、表達式和輸入/輸出之后進行，目的在于使學(xué)生熟悉C語言的編譯環(huán)境，逐步認識C語言語句的基本構(gòu)成。實驗2涵蓋了程序的3種基本結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生統(tǒng)一認識關(guān)系、邏輯運算和程序結(jié)構(gòu)。實驗3-6分別對應(yīng)于數(shù)組、函數(shù)、指針和結(jié)構(gòu)體各章節(jié)的內(nèi)容，重點掌握這些語言成分的定義及使用方法。實驗7將綜合運用本課程中的知識，完成一個較小的、具備一定功能的小型軟件的開發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計課程的實驗內(nèi)容則圍繞一個嵌入式軟件開發(fā)實例展開，實例由任課教師選定。根據(jù)所選實例，實驗內(nèi)容可包含以下項目（如表2所示）。

實驗1的目的在于使學(xué)生熟悉嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，主要介紹嵌入式Linux下的c語言編譯工具。實驗2-5則根據(jù)所選實例，選取特定的模塊有針對性地進行文件操作、宏定義、位運算及復(fù)雜指針運用方面的練習(xí)。

2.4教學(xué)方法與手段的調(diào)整

毋庸諱言，由于種種因素的影響，當(dāng)前各高校中普遍存在學(xué)風(fēng)怠惰現(xiàn)象，相當(dāng)一部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較低下。如何提升學(xué)生對所學(xué)課程的興趣，是每一名教師都要面對的問題。在多年的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)過程中，我們接到學(xué)生的反饋意見最多的是“上課聽得懂，下來不會自己編程”。究其原因，大概不外乎兩種：一是學(xué)生盡管在課堂上聽了課，課下并未及時回顧整理并主動思考；二是在理論課堂上一講到底，學(xué)生要等到實驗課時才真正動手體會講過的知識，往往不能及時動手練習(xí)，進而影響消化吸收。針對第一種情況，我們采取了每一堂課以提問開始的方式，提問內(nèi)容主要是對之前所學(xué)內(nèi)容的回顧和脈絡(luò)梳理，同時還留出了一定的課堂練習(xí)時間，這樣能在一定程度上起到督促學(xué)生課下及時復(fù)習(xí)的作用，也便于教師及時了解學(xué)生的知識掌握情況。而對于第二種原因，可嘗試采取將理論課堂搬至機房的方式，在完成一個知識點的講授后布置即時練習(xí)，讓學(xué)生能及時體驗和理解。但當(dāng)機房容量有限而班級較大時，并不適用，這樣的情形如何處理？需要我們進一步思考。

3.結(jié)語

嵌入式產(chǎn)品已遍及我們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪械母鱾€方面，巨大的市場空間將吸引更多的專業(yè)人才投身于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的行業(yè)中。根據(jù)《2012-2013嵌入式工程師調(diào)查報告》，嵌入式企業(yè)的發(fā)展速度與專業(yè)人才的成長速度仍有一定差距，行業(yè)內(nèi)專業(yè)研發(fā)工程師仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。在畢業(yè)生就業(yè)壓力日益增大的今天，高校的計算機、電子、自動化等相關(guān)專業(yè)的教師都在積極思考相應(yīng)的課程和人才培養(yǎng)模式改革嵌入式系統(tǒng)研發(fā)工作中，軟件開發(fā)占80%以上的工作量，需要大量的嵌入式軟件開發(fā)人才。高校相關(guān)專業(yè)更應(yīng)及時調(diào)整軟件設(shè)計類課程的設(shè)置，以適應(yīng)嵌入式開發(fā)行業(yè)的人才需求。endprint