張曉東, 盧 濤, 曹 毅, 王艷芳

(河南工業(yè)大學 電氣工程學院, 河南 鄭州 450007)

1 嵌入式系統(tǒng)課程的特點

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,對功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。何立民教授曾將嵌入式系統(tǒng)定義為嵌入到對象體系內(nèi)部的專用計算機系統(tǒng),其本質(zhì)涵蓋了嵌入性、專用性和計算機系統(tǒng)3個重要因素[2]。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)技術(shù)融合了傳統(tǒng)的計算機軟、硬件設(shè)計技術(shù),主要涉及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理及方法,已經(jīng)成為后PC時代電子工程技術(shù)人員必備的專業(yè)技能之一[3]。

近年來,隨著智能手機、數(shù)碼設(shè)備等消費電子產(chǎn)品的快速發(fā)展以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)通訊、航空航天、國防軍事、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等行業(yè)的廣泛應用,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)已經(jīng)成為當前IT行業(yè)最熱門的研究領(lǐng)域之一[4-5]。作為一門以正在快速發(fā)展中的新技術(shù)為應用背景的高校新興課程,其主要授課目的是使學生了解嵌入式系統(tǒng)的體系組成和基本原理,學習ARM體系結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計的基本方法,掌握嵌入式系統(tǒng)的具體開發(fā)流程,培養(yǎng)學生解決嵌入式系統(tǒng)實際應用問題的綜合創(chuàng)新能力和實踐動手能力,為后續(xù)實踐嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 教學存在的主要問題

我校是一所以培養(yǎng)“基礎(chǔ)扎實,適應性強,具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應用型人才”為培養(yǎng)目標的行業(yè)特色院校。具體到我院的“嵌入式系統(tǒng)”課程,其知識體系涉及到了電子、通信、自動化、計算機等多個專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識。要求主講教師專業(yè)知識面寬廣,課堂內(nèi)容講授難度較大。同時,作為高年級學生的專業(yè)課程,其先修基礎(chǔ)課程包括“微機原理與接口”“計算機組成原理”“電路原理”“單片機技術(shù)”“計算機網(wǎng)絡(luò)”“操作系統(tǒng)”“程序設(shè)計”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等,對選課學生的綜合學習能力要求較高[6]。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來了巨大的市場潛力和廣闊的用人需求,但我國高校嵌入式系統(tǒng)系列課程教育的起步時間較晚,當前嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式相對滯后,授課內(nèi)容對嵌入式系統(tǒng)最新研發(fā)技術(shù)的更新時延性較大。部分高校嵌入式系統(tǒng)課程存在授課知識體系陳舊、實驗條件不完善、嵌入式專業(yè)教師缺乏工程背景等問題。受制于實驗室硬件條件的限制,通常較為注重理論知識的傳授而忽略了對學生實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計與指導。課堂實驗大多屬于演示性、驗證性實驗,缺乏綜合性、設(shè)計性實驗的鍛煉。導致培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)方向的畢業(yè)生專業(yè)知識薄弱、動手能力較差,已經(jīng)無法適應各大研發(fā)企業(yè)的實際用人需要[7]。如何緊跟嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展腳步,培養(yǎng)符合用人市場實際需求的應用型嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)人才,已經(jīng)成為吸引各大高校嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)聚焦的熱門課題[8]。

3 加強教改研究,踐行應用型嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)人才培養(yǎng)

3.1 嵌入式系統(tǒng)教學平臺的選擇

嵌入式系統(tǒng)教學平臺是整個嵌入式系統(tǒng)理論課程與實驗教學的基礎(chǔ)。選擇一款適合學生的ARM嵌入式系統(tǒng)教學平臺,在后期的教學實踐環(huán)節(jié)中可以起到事半功倍的效果[9]。在綜合比較目前市場上常見的嵌入式系統(tǒng)實驗箱和開發(fā)板之后,從接口豐富程度、易操作性、可擴展性、廠商售后支持力度等幾個因素出發(fā),選擇了北京博創(chuàng)智聯(lián)UP-NETARM2410、UP-CUP2440等系列的模塊化教學科研平臺。這些平臺以通用的三星S3C2410或S3C2440微處理器為核心,外部接口及平臺軟、硬件資源較為豐富，方便移植Linux、μC/OS II、WinCE等多種嵌入式操作系統(tǒng),可擴展CAN總線、USB攝像頭、紅外對射、溫濕度傳感器、霍爾開關(guān)、廣譜氣體傳感器、紅外通信、GPS/GPRS等多種模塊，既可以滿足大部分學生學習嵌入式系統(tǒng)軟、硬件基礎(chǔ)知識的基本需求,又可以方便后續(xù)開放實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等多個教學實踐環(huán)節(jié)的開展。

3.2 課堂教學模式改革

嵌入式系統(tǒng)以用戶應用為中心,實用性與創(chuàng)新性設(shè)計決定了所設(shè)計開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品的市場價值[10]。培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力和解決實際應用問題的能力,是本課程的側(cè)重點之一。為此,在理順嵌入式系統(tǒng)相關(guān)理論基礎(chǔ)知識教學思路的同時,嘗試增加課堂演示實驗學時的比重,增強了學生的學習興趣。此外,重點引入項目教學法,加強了對學生綜合性、設(shè)計性、團隊合作實踐項目的訓練。項目教學法就是以嵌入式系統(tǒng)小型實際工程應用項目為例,教師按照真實項目的運行需求設(shè)計整個教學實驗過程。要求學生以小組形式完成整個課題的設(shè)計,了解項目的設(shè)計過程和運作要求,掌握嵌入式系統(tǒng)軟、硬件的具體設(shè)計步驟與方法。小組成員根據(jù)自己的特點和技術(shù)擅長進行項目分工協(xié)作,開發(fā)過程中對遇到的問題可以進行團隊交流協(xié)商,最終團隊共同完成整個項目的設(shè)計報告并進行課堂演示答辯。

3.3 課程精品教材建設(shè)

在授課過程中,需要將理論知識與科研及工程實踐項目有機地結(jié)合起來[11]。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程教材注重理論知識的講授,主要章節(jié)缺乏配套的動手實例介紹。在歷屆授課過程中,嵌入式系統(tǒng)教學團隊迫切需要一本能密切結(jié)合我校教學實際的應用型精品教材。在試用自編校內(nèi)講義和總結(jié)多年教學實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,嵌入式系統(tǒng)實驗室組織經(jīng)驗豐富的團隊教師新編寫了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》教材,并已經(jīng)成功入選普通高等教育電氣工程與自動化(應用型)“十二五”規(guī)劃教材,其具體內(nèi)容安排如表1所示。

表1 《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》新教材的內(nèi)容安排

在該教材中,以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應用開發(fā)為基礎(chǔ),注重實踐應用。在介紹完每個章節(jié)的理論知識以后,主要章節(jié)都配套了相應的動手實例講解。特別是在最后一章 “嵌入式系統(tǒng)的工程開發(fā)實例”中,著重介紹了幾個嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)實例。這些實例絕大部分來自于課程組教師的縱向科研課題或橫向工程項目,具有較強的實踐代表性和工程應用背景。該教材由機械工業(yè)出版社順利出版之后,在我校嵌入式系統(tǒng)系列課程上進行了多次試用,獲得了學生與讀者良好的反饋。

3.4 增強師生之間的互動交流

在嵌入式系統(tǒng)課程學習過程中,學生隨時會有各種疑問需要解答。特別是在課后學生進行嵌入式系統(tǒng)綜合性、設(shè)計性項目開發(fā)過程中,隨時都可能遇到形形色色的各種小問題。甚至一個簡單的軟件參數(shù)設(shè)置問題,學生就有可能卡在那里,許久找不到答案,影響整個項目后續(xù)開發(fā)步驟的實施[12]。此時，如果教師能盡快回應學生提出的疑問,無疑會提高學生學習嵌入式系統(tǒng)系列課程的效率。

為了增強師生之間的實時互動交流,嵌入式系統(tǒng)實驗室建立了師生互動交流學習QQ群。由于智能手機的廣泛普及,學生已經(jīng)人手1機。在實驗課前,教師可以將課堂實驗講義、課件、程序包等資料提前發(fā)到QQ群中,供學生下載預習。在每堂課之后,師生可以及時在QQ群中討論今天的課堂內(nèi)容和授課效果,便于教師對班級的整體學習情況進行把握,方便教師對后續(xù)課程的進度和難度進行微調(diào)。在整個嵌入式系統(tǒng)課外學習過程中,學生也可以利用QQ手機在線模式,隨時隨地在QQ群里提出問題,與教師進行實時互動交流。

3.5 校企合作,以賽促學

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以應用為中心,特別注重學生實踐動手能力的培養(yǎng)。在學習嵌入式系統(tǒng)課程過程中,必須進一步深化實踐教學改革,鍛煉學生解決工程綜合問題的實際動手能力,培養(yǎng)符合企業(yè)用人需求的“訂單式”人才[13]。為此,我校電氣工程學院在2015年暑期與浙江大學華嵌信息技術(shù)有限公司聯(lián)合舉辦了“樂馬營”嵌入式培訓班；近年來,也一直與深圳信盈達電子有限公司保持校企合作,聯(lián)合舉辦了多期嵌入式ARM培訓班。其培訓內(nèi)容涵蓋了Linux嵌入式操作系統(tǒng)、C語言、ARM體系結(jié)構(gòu)及應用等嵌入式開發(fā)技術(shù)的主要組成部分。經(jīng)過校企聯(lián)合培訓,為低年級學生后續(xù)進行嵌入式系統(tǒng)方向的課程設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)打下了堅實的基礎(chǔ)。部分面臨畢業(yè)的大四學生在接受這些專業(yè)的校企聯(lián)合強化訓練之后,甚至被培訓企業(yè)直接推薦到深圳、杭州等地的嵌入式相關(guān)行業(yè)的知名企業(yè)去工作,薪酬遠遠領(lǐng)先于我院同屆畢業(yè)生的平均工資水平。該現(xiàn)象反映了目前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)崗位用人需求的火爆程度,同時也驗證了校企聯(lián)合培訓對培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)應用型人才的重要性。

此外,大學生學科競賽與科技競賽也是激發(fā)學生學習興趣,培養(yǎng)學生頑強拼搏的精神、自學能力和團隊協(xié)作能力的重要途徑。電氣工程學院于2017年舉辦了河南工業(yè)大學第一屆單片機設(shè)計專業(yè)競賽，與杭州哲嘉科技有限公司聯(lián)合舉辦了2017年首屆“哲嘉杯”河南省大學生物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計大賽，每年組織學生參加教育部倡導的全國大學生電子設(shè)計競賽。我院取得的眾多競賽優(yōu)秀成績表明,大學生科技競賽充分調(diào)動了廣大學生學習嵌入式系統(tǒng)的熱情,為我院培養(yǎng)應用型高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才踐行了一條較為成功的改革之路。

4 結(jié)語

我院嵌入式系統(tǒng)實驗室自2006年籌建以來,人才培養(yǎng)模式及開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)系列課程就處在不斷的改革實踐與完善過程中。通過師生10多年的不懈努力,實驗室已經(jīng)逐漸走上了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課—課程設(shè)計—開放實驗室—創(chuàng)新設(shè)計—大學生科技競賽—畢業(yè)設(shè)計的良性循環(huán),培養(yǎng)并增強了大學生的創(chuàng)新精神與實踐動手能力,為用人企業(yè)輸送了一大批高素質(zhì)的嵌入式系統(tǒng)應用型技術(shù)人才。

在下一步的“應用型”嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式改革中,我院將統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點,積極配合我校工程教育認證和本科教學工作審核評估,進一步優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)課程教學大綱和理論講授內(nèi)容,并繼續(xù)完善該課程的實踐教學體系建設(shè)和實驗教材建設(shè)。