黎建華，胡永良

（臺州學(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

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

針對嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，簡要分析了國內(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)、嵌入式實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)體系；結(jié)合嵌入式課程的自身特點，給出了“五階段三層次”的教學(xué)體系思路，探討了項目教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的實施流程，以此提高學(xué)生的應(yīng)用實踐和創(chuàng)新能力。

嵌入式系統(tǒng)；課程體系；實驗教學(xué)；項目教學(xué)

1 引言

2010年3 月在全國兩會上，政府工作報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遇，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為未來十年中國經(jīng)濟的關(guān)鍵詞。同年嵌入式系統(tǒng)研討會于3月27日在北京航空航天大學(xué)舉行，此次會議的主題是從物聯(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)展契機推動國內(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建設(shè)課程。在IEEE計算機協(xié)會和ACM共同制定2004版計算機類課程體系中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被列為核心課程之一［1］。

當前國內(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)揮各個課程間的協(xié)同優(yōu)勢。為發(fā)揮高校服務(wù)社會經(jīng)濟建設(shè)的作用，提高國內(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，實現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的突破，是一個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)傾向于工程實踐而非單純的知識傳授。然而嵌入式系統(tǒng)本身涉及知識面廣、綜合性和應(yīng)用性強，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，難以形成一個簡單明確的知識體系。這就要求授課教師不僅要具備計算機系統(tǒng)一般的軟硬件理論知識，而且必須真正從事過嵌入式系統(tǒng)相關(guān)項目的開發(fā)，才能對嵌入式系統(tǒng)有一個感性認識。

當前諸多高校只是為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢更改或增設(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)期單獨開設(shè)，學(xué)時少，大部分學(xué)生根本無法在很短的時間內(nèi)掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計方法，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，對嵌入式軟件開發(fā)中經(jīng)常會遇到的問題進行分析，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、實時問題、RTOS、網(wǎng)絡(luò)等，介紹嵌入式軟件開發(fā)特征相關(guān)的要點，讓學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)有一個完整的認識。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)核進行講解，比如ARM、DSP等，加深學(xué)生對嵌入式微處理器內(nèi)核的認識和理解。第三階段開設(shè)嵌入式操作系統(tǒng)，比如實時內(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，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)生的實踐應(yīng)用能力。第五階段是強化訓(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，當然這類課程建議以討論班的形式開展。對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、漸進性的學(xué)習(xí)與實踐，逐步提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的理論水平和應(yīng)用能力，對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)可以上升到系統(tǒng)級和專業(yè)級。同時從導(dǎo)論類課程開始，可考慮在計算機導(dǎo)論里面加入嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)、軟硬件設(shè)計方法以及應(yīng)用實例等方面的簡單介紹，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情；對程序設(shè)計類基礎(chǔ)課程教學(xué)最好能在Linux環(huán)境下進行，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言的起步階段即熟悉Linux環(huán)境下的程序設(shè)計、編譯和調(diào)試方法。

3 嵌入式實驗教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)體系的建立

在實施嵌入式教學(xué)的整個過程中，鑒于嵌入式應(yīng)用性為主的特點，實驗教學(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，多樣化的實驗教學(xué)內(nèi)容和方法也應(yīng)運而生。改革實驗教學(xué)手段，更新優(yōu)化實驗教學(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 嵌入式實驗教學(xué)平臺與內(nèi)容的選擇

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的各個階段，實驗教學(xué)硬件平臺是十分關(guān)鍵的。教學(xué)平臺的選擇有兩種方案，一種是自行設(shè)計簡易的實驗教學(xué)平臺，編寫簡易的實驗指導(dǎo)書。另一種是購買市面上現(xiàn)成的實驗開發(fā)箱，利用廠家提供的內(nèi)容來授課。

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

3.2 “演示驗證型－綜合設(shè)計型－研究開發(fā)型”三層次嵌入式實驗教學(xué)體系

為培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力與創(chuàng)新能力，建立“演示驗證型－綜合設(shè)計型－研究開發(fā)型”三層次的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)體系，并采取“開放式實驗教學(xué)”的思路和方法，充分利用學(xué)生的業(yè)余時間。有條件的可以將課堂轉(zhuǎn)移到實驗室，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）演示驗證型實驗主要讓學(xué)生掌握基本技能，提高學(xué)生對基本知識點的理解，比如中斷實驗，串口通信實驗，內(nèi)存管理實驗，實時時鐘實驗，LCD實驗，IIC、SPI、CAN等總線接口實驗，嵌入式操作系統(tǒng)的移植。配備基本的實驗指導(dǎo)書，提高學(xué)生對基礎(chǔ)實驗的興趣，為后面的綜合設(shè)計性實驗做準備。

（2）綜合設(shè)計型實驗要求盡可能拋開具體的實驗指導(dǎo)書，綜合整個課程的知識，對每道綜合性實驗都要進行巧妙的設(shè)計，達到訓(xùn)練學(xué)生綜合設(shè)計能力的目標，例如實時時鐘RTC實驗本為驗證性實驗，在調(diào)動起學(xué)生的興趣后，設(shè)計一個類似手機上的世界電子時鐘和日歷程序［4］。

（3）研究開發(fā)型實驗要求較高，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、課外科技活動等漸進式項目教學(xué)、討論班的形式展開，結(jié)合軟硬件協(xié)同設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用專業(yè)知識的能力及團隊精神。

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

當前國內(nèi)外針對嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)分為高校教學(xué)和社會培訓(xùn)兩類。社會培訓(xùn)一般少則一個星期，多則一個月，培訓(xùn)周期較短，學(xué)員只能對嵌入式整體構(gòu)架有一個整體認識，但優(yōu)點是以項目為主線。項目教學(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)用性特點決定了它必須和生產(chǎn)實踐相互結(jié)合。所以在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的中后期階段，鼓勵開展項目教學(xué)，項目之間也要遵循漸進性。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)橐浴绊椖繛轵?qū)動”。項目教學(xué)法實施流程如圖2所示。

圖2 項目教學(xué)實施流程

4.1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項目確定

對于地方院校，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，易深入實際獲取問題，從實踐中來到實踐中去，在高校人才培養(yǎng)中具有一定的優(yōu)勢。所以項目教學(xué)中的項目來源主要取材于當?shù)仄髽I(yè)，和當?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)生動手，開展橫向合作項目。另外也可將教師曾經(jīng)開發(fā)過的嵌入式系統(tǒng)項目拿過來，布置給學(xué)生，這樣教師易做到心中有數(shù)。

4.2 組建項目小組并進行需求分析

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

4.3 制定項目實施計劃

完成需求分析后，由項目組成員通過討論對項目進行任務(wù)分解與分工，確定初步時間安排，確定項目方案和步驟，建立起完整的項目實施計劃。

4.4 項目實施

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

4.5 項目成果展示與評價總結(jié)

項目完成后應(yīng)該對成果進行展示，介紹項目實施過程中遇到的難點和解決方法。這樣不僅對完成該項目的成員起到鼓勵作用，對項目產(chǎn)生成就感，對其它組成員也起到了激勵作用。同時還要其它項目組的同學(xué)提出問題，項目組成員給予解答。最后由指導(dǎo)教師對項目進行評價，探討遺留的問題。

5 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)作為一門應(yīng)用性極強的課程，其教學(xué)改革是一個復(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)，不斷的豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，獲取更多的實踐項目。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］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，（11）：5-8.

［3］王建萍，費躍農(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，2007，（5）：103-105.

［4］歐陽秀軍，劉啟岳，彭宣戈.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式的研究與實踐［J］.井岡山學(xué)院學(xué)報（ 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。