張凱龍 吳曉 苗克堅(jiān)

摘? ?要：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，是一門典型的工科類技術(shù)。因此，在常見的嵌入式系統(tǒng)課程與人才培養(yǎng)體系中，更多側(cè)重于技術(shù)原理的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐能力的培養(yǎng)。然而，在高水平研究型大學(xué)的新工科人才培養(yǎng)體系中，高層次專業(yè)人才的培養(yǎng)具有更高的要求，這就需要從新的視角來思考和重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系和人才培養(yǎng)體系。為此，文章重點(diǎn)從工程、科學(xué)的不同視角出發(fā)，分析了不同類型的知識(shí)體系，并探討如何對(duì)這些知識(shí)體系進(jìn)行融合，以促進(jìn)研究型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);計(jì)算機(jī)工程;計(jì)算機(jī)科學(xué);知識(shí)體系;思想;思維;方法

1? ? 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)的必要性及現(xiàn)狀分析

萬物互聯(lián)的智能化時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)性作用更為突出，其應(yīng)用已經(jīng)快速延伸到軍事國(guó)防、工業(yè)裝備、智能出行、醫(yī)療服務(wù)等人類社會(huì)的方方面面，成為改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)行業(yè)新興發(fā)展的重要支撐。隨著嵌入式應(yīng)用與物理世界融合程度的不斷深化、智能化水平的不斷提升以及新行業(yè)需求的不斷產(chǎn)生，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用呈現(xiàn)出更為突出的領(lǐng)域交叉、創(chuàng)新發(fā)展等特征。為此，如何培養(yǎng)具有系統(tǒng)的知識(shí)體系、深厚的專業(yè)基礎(chǔ)以及良好創(chuàng)新思維與能力的新工科專業(yè)人才成為當(dāng)下高水平研究型大學(xué)人才培養(yǎng)中亟待研究和解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1.1? 研究型大學(xué)人才培養(yǎng)特點(diǎn)

為了分析研究型大學(xué)嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，本文先討論研究型大學(xué)的本質(zhì)以及研究型大學(xué)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)。美國(guó)最早明確地劃分出研究型大學(xué)這一類型，并由美國(guó)卡耐基大學(xué)促進(jìn)基金會(huì)自1974年開始進(jìn)行分類[1]。研究型大學(xué)通常注重教學(xué)與研究的統(tǒng)一，致力于培養(yǎng)高層次研究型人才，并開展前沿的科技研發(fā)，屬于精英教育的序列。因此，研究型大學(xué)的判定標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩個(gè)方面;（1）是否培養(yǎng)出高層次的研究型人才。（2）是否產(chǎn)生高水平的學(xué)術(shù)研究成果并擁有卓越的師資隊(duì)伍。這不同于教學(xué)型大學(xué)以及技術(shù)型大學(xué)，其人才培養(yǎng)也必然具有特殊要求。

首先，研究型大學(xué)重視本科生的培養(yǎng)，實(shí)施博雅教育（即通識(shí)教育、素質(zhì)教育，Liberal Arts Education）[2]。在高等教育周期中，本科階段是培養(yǎng)、塑造大學(xué)生人格、靈魂和精神的重要時(shí)期，決定學(xué)生的教育“基因”。為此，研究型大學(xué)大都極為重視厚基礎(chǔ)的本科生教育，并注重對(duì)素質(zhì)和專業(yè)基礎(chǔ)的培養(yǎng)。鑒于博雅教育的目標(biāo)恰是培養(yǎng)具有廣博知識(shí)、創(chuàng)新精神且富有人文情懷的高素質(zhì)人才，而并非僅能掌握和運(yùn)用某些技術(shù)的專門人才，其在研究型大學(xué)也就受到更多推崇。其次，將科研與教學(xué)過程進(jìn)行多維融合與統(tǒng)一。針對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，研究型大學(xué)注重將科學(xué)研究的思想、方法、實(shí)踐、案例等全方位融入本科、碩士、博士課程的教學(xué)過程中，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題和知識(shí)的辨識(shí)能力、思維能力以及批判精神、科學(xué)精神與創(chuàng)新精神等，促進(jìn)學(xué)生全面成才。

如上所述，研究型大學(xué)人才培養(yǎng)的首要目標(biāo)是高素質(zhì)的人、高水平的人才。因此，在培養(yǎng)體系和課程建設(shè)中，對(duì)綜合素質(zhì)、系統(tǒng)思維和科學(xué)思想與方法的培養(yǎng)極為重要。就具體專業(yè)課程而言，這就要求避免陷入單一的專業(yè)知識(shí)講授或?qū)I(yè)技能訓(xùn)練模式，應(yīng)該側(cè)重專業(yè)思想、方法乃至文化的學(xué)習(xí)。對(duì)于工科特性強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)課程，亦是如此，這也是本文開展討論的初衷與動(dòng)機(jī)。

1.2? 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

鑒于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)龐大的知識(shí)體系和實(shí)踐要求，現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)課程建設(shè)更多傾向于課程體系的梳理以及教學(xué)模式與教學(xué)方法的改進(jìn)。例如，閔華松等[3]圍繞嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)，在分析嵌入式系統(tǒng)理論與技術(shù)和專業(yè)主干學(xué)科關(guān)系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于線程學(xué)習(xí)的培養(yǎng)模式，提出了將嵌入式系統(tǒng)融入基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基本思路。圍繞實(shí)踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)，沈珊瑚等[4]探討了嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，特別是創(chuàng)新答辯、學(xué)生觀摩分享、翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式以及口袋實(shí)驗(yàn)室等方面的嘗試及其效果。基于多年的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)探索和總結(jié)，筆者之前研究并構(gòu)建了從架構(gòu)、原理到設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)多維知識(shí)體系結(jié)構(gòu)[5]，并編寫了《嵌入式系統(tǒng)體系、原理與設(shè)計(jì)》專業(yè)教材。教學(xué)實(shí)踐表明，這一體系有助于學(xué)生構(gòu)建可以突出嵌入式特色的系統(tǒng)化知識(shí)體系與思維方式。總體上，這些探索和研究更側(cè)重于計(jì)算機(jī)工程與技術(shù)，也確實(shí)都促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)效果的提升。

然而，純粹的工程教育并不完全符合研究型大學(xué)高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，在很大程度上缺失了從基礎(chǔ)理論層面對(duì)學(xué)生思想思維、創(chuàng)新素質(zhì)的啟發(fā)與培養(yǎng)。為此，在嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)改革過程中，筆者進(jìn)一步從計(jì)算機(jī)科學(xué)、理論的角度對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行了探索。在自然科學(xué)范疇里歸納并建立正確的基礎(chǔ)科學(xué)理論體系或者用這樣的理論體系來指導(dǎo)實(shí)踐，是跳出萬變現(xiàn)象來徹底解決一系列科學(xué)、工程問題的根本。如愛因斯坦所言，“數(shù)學(xué)之所以有高聲譽(yù)，一個(gè)理由就是數(shù)學(xué)使得自然科學(xué)實(shí)現(xiàn)定理化，給予自然科學(xué)某種程度的可靠性?！鼻度胧较到y(tǒng)理論體系的建立和學(xué)習(xí)也是如此，會(huì)讓具體科學(xué)、工程問題的解決更為可靠，也常?？梢悦馊ピO(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)性、試驗(yàn)性工作所帶來的種種困擾。

2? ? 嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)與核心問題

嵌入式系統(tǒng)是泛指一切“嵌入”了計(jì)算裝置的應(yīng)用系統(tǒng)，不論是功能的嵌入還是計(jì)算裝置的整體嵌入。這符合IEEE Std 1003.13-2003給出的嵌入式系統(tǒng)定義，也廣泛地囊括了從早期功能嵌入到整體嵌入再到物理世界深度融合階段的所有嵌入式系統(tǒng)形態(tài)。從計(jì)算機(jī)角度看，嵌入式系統(tǒng)被定義為“以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)”?；诖?，嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上就是特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是特定計(jì)算系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，而嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)也就成了具有嵌入式特色的計(jì)算技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)的學(xué)習(xí)。由此，嵌入式系統(tǒng)的核心問題就成為一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，即如何針對(duì)特定應(yīng)用需求，“量體裁衣”地研制出資源規(guī)模、綜合效能等匹配具體應(yīng)用要求的嵌入式軟硬件。顯然，為了解決這個(gè)核心問題，或者培養(yǎng)出能夠解決該類核心問題的專業(yè)人員，就需要從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工程技術(shù)的角度來梳理、構(gòu)建相應(yīng)的知識(shí)培養(yǎng)和實(shí)踐訓(xùn)練體系。這側(cè)重于工程與技術(shù)。

與之相對(duì)應(yīng)的是計(jì)算機(jī)科學(xué)的視角。嵌入式系統(tǒng)與物理裝置、外部世界密切結(jié)合，在近來的研究中，研究者們已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到，嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)挑戰(zhàn)源自于其和物理進(jìn)程的交互而并非出自于系統(tǒng)資源的限制。美國(guó)自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目主管Helen Gill就率先提出了“信息物理融合系統(tǒng)”（Cyber-Physical Systems，CPS）這一概念，表示嵌入式系統(tǒng)問題的研究已經(jīng)邁入高階形態(tài)，著重強(qiáng)調(diào)了計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的集成。在信息物理融合系統(tǒng)中，嵌入式計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，且物理進(jìn)程與計(jì)算之間都存在相互影響的反饋環(huán)路。為此，該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就需要充分理解計(jì)算機(jī)、軟件、網(wǎng)絡(luò)以及物理進(jìn)程之間相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性。UC Berkeley電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家Edward A. Lee教授[6]認(rèn)為，信息物理融合系統(tǒng)的核心問題是要在程序的順序化執(zhí)行與物理世界并發(fā)特性之間構(gòu)建起一個(gè)橋梁，以彌合二者之間的本質(zhì)差異。那么，研究關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)性就會(huì)使嵌入式系統(tǒng)有別于其他學(xué)科。如果說計(jì)算機(jī)科學(xué)是“程序認(rèn)識(shí)論”，那么嵌入式系統(tǒng)科學(xué)就可以說是“并發(fā)特性認(rèn)識(shí)論”，知識(shí)體系的構(gòu)建則應(yīng)傾向于如何剖析物理世界的動(dòng)態(tài)并發(fā)特性、程序的順序性以及二者融合的并發(fā)特性。

3? ? 兩種知識(shí)體系分析及其融合

顯然，基于對(duì)問題本質(zhì)的不同認(rèn)知，就會(huì)構(gòu)造出不同的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系。一種出自于計(jì)算機(jī)工程的技術(shù)化視角，另一種則是出自于計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論化視角。接下來，將對(duì)兩類知識(shí)體系的特點(diǎn)、差異進(jìn)行分析和比較，結(jié)合研究型人才培養(yǎng)給出知識(shí)體系的融合方法。

3.1? 計(jì)算機(jī)工程視角

目前嵌入式系統(tǒng)教材與課程的知識(shí)體系大多都立足于計(jì)算機(jī)工程的技術(shù)化角度。分析可知，造成這一局面的主要原因有兩個(gè)：（1）信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)體系仍然側(cè)重于工科特性，基礎(chǔ)理論體系不完整且所占比重較低，對(duì)科學(xué)理論體系的支撐不夠。（2）重點(diǎn)面向市場(chǎng)的工程型人才需求，培養(yǎng)過程主要關(guān)注學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和科研實(shí)踐能力。

當(dāng)然，即使是從工程的角度出發(fā)，嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系的構(gòu)建仍然存在諸多挑戰(zhàn)。這是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的知識(shí)體系具有高度的綜合性，涉及從電子電路到包含了處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口的嵌入式硬件體系，從監(jiān)控軟件、板級(jí)支持包（BSP）、嵌入式（實(shí)時(shí)）操作系統(tǒng)、圖形庫(kù)及文件系統(tǒng)等組件到應(yīng)用軟件的嵌入式軟件體系，從硬件到軟件的設(shè)計(jì)、調(diào)試、測(cè)試、驗(yàn)證體系，從計(jì)算到應(yīng)用的領(lǐng)域交叉，知識(shí)內(nèi)容非常廣博，嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系示例，如圖1所示。另外，這些知識(shí)又是大象無形的，其中的每一個(gè)功能組件、每一個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建、每一個(gè)設(shè)計(jì)過程都可能有著非常多樣的實(shí)現(xiàn)形式。例如從類型上嵌入式處理器就可分為微控制器（MCP）、微處理器（MPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、可編程邏輯（PLD及FPGA）以及基于此的諸多組合與演化。嵌入式存儲(chǔ)器、I/O接口、嵌入式操作系統(tǒng)、軟件組件等也是如此。顯然，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與工程的視角，在有限的篇幅內(nèi)有效構(gòu)建一個(gè)如圖1所示的、涵蓋完整且突出技術(shù)性的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系和書籍都聚焦于實(shí)現(xiàn)計(jì)算裝置與物理系統(tǒng)交互的技術(shù)集合。雖然這些實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)是必要的，但這并未能構(gòu)成學(xué)科的知識(shí)核心。例如Stankovic等人支持“現(xiàn)有面向RTES（實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的技術(shù)并不能有效地支撐可靠、魯棒嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)”，更需要進(jìn)行抽象設(shè)計(jì)的這一觀點(diǎn)。那么，由此類知識(shí)體系所造成的典型教學(xué)問題就在于，在有限的課時(shí)中，要么為了保證知識(shí)體系的完整性而使得其在各個(gè)環(huán)節(jié)上都泛于表面，要么為了保證深入性而采用實(shí)例化教學(xué)，極大地破壞了一般性，限制了學(xué)生的專業(yè)視野與思維空間。顯然，這兩者都是不可取的。

3.2? 計(jì)算機(jī)科學(xué)視角

如前所述，從與物理世界交互的角度，嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上是信息物理融合系統(tǒng)。Edward A. Lee教授提出，物理世界中的進(jìn)程很少是程序化的，而是由諸多并行進(jìn)程所構(gòu)成，那么，通過設(shè)計(jì)影響這些進(jìn)程的一組動(dòng)作來評(píng)估和控制其動(dòng)態(tài)特性就率先成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。所以，并發(fā)性才是信息物理融合系統(tǒng)的核心問題。進(jìn)而從動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性的角度，更為合理的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系應(yīng)該關(guān)注于如何對(duì)軟件、網(wǎng)絡(luò)及物理進(jìn)程的關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)，其知識(shí)核心則應(yīng)定位于可以結(jié)合計(jì)算與物理動(dòng)態(tài)特性的模型和抽象。基于模型開展研究具有非常突出的優(yōu)勢(shì)，模型的形式化屬性讓我們可以給出關(guān)于模型的斷定性描述，但任何系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)都不會(huì)具備這樣絕對(duì)的斷定。因此，模型化方法也就成為從科學(xué)視角構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系的基礎(chǔ)。

目前，從科學(xué)角度出發(fā)所構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)書籍和知識(shí)體系重點(diǎn)聚焦于對(duì)軟件及網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間動(dòng)態(tài)性進(jìn)行顯式建模，并明確描述應(yīng)用固有的并發(fā)特性。例如“Modeling Embedded Systems and SoCs-Concurrency and Time in Models of Computation”論述了計(jì)算的并發(fā)模型，“Embedded System Design-Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems”闡述軟硬件行為的模型，“Model-checking for Probabilistic Real-time Systems”聚焦于信息物理融合系統(tǒng)的形式化建模、規(guī)格以及驗(yàn)證。特別地，Edward A. Lee教授在其所著的《嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論—CPS方法》（第2版）一書中較為系統(tǒng)地給出了嵌入式系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)體系（見圖2），重點(diǎn)從建模、設(shè)計(jì)、分析3個(gè)方面進(jìn)行闡述。其中，建模聚焦于動(dòng)態(tài)行為的特性模型，特別是時(shí)域中的連續(xù)動(dòng)態(tài)性、基于狀態(tài)機(jī)闡述的離散動(dòng)態(tài)性、混合系統(tǒng)、并發(fā)組合語義與并發(fā)計(jì)算模型等。設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容看似與計(jì)算機(jī)工程的內(nèi)容相同，但敘述的重點(diǎn)是模型、動(dòng)態(tài)性和并發(fā)性，其目標(biāo)是建立跨越傳統(tǒng)抽象層的思考方式。例如，傳感器與執(zhí)行器部分的重點(diǎn)是如何進(jìn)行建模，以理解其在整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性中作用，對(duì)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的討論亦是如此。分析部分聚焦于屬性的精確規(guī)格以及用于比較規(guī)格、分析規(guī)格和設(shè)計(jì)結(jié)果的技術(shù)。如不變量與時(shí)態(tài)邏輯部分闡述可以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)屬性的時(shí)態(tài)邏輯，等價(jià)與精化部分關(guān)注于模型間的關(guān)系，以語言包含和模擬關(guān)系作為比較模型動(dòng)態(tài)屬性的方法，可達(dá)性分析與模型檢驗(yàn)側(cè)重于用以分析模型所呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)行為的技術(shù)，特別強(qiáng)調(diào)以模型檢驗(yàn)作為分析這些行為的技術(shù)，定量分析則討論了對(duì)所消耗資源的邊界、能耗等嵌入式軟件定量屬性的分析等。

從科學(xué)理論角度出發(fā)構(gòu)建的知識(shí)體系更加貼近于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性本質(zhì)，學(xué)習(xí)也更側(cè)重于思想性和方法性。這符合研究型大學(xué)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的要求。然而，這類知識(shí)體系也面臨著兩大重要挑戰(zhàn)：（1）要求專業(yè)課程體系要突出計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，要求學(xué)生前期就應(yīng)已具備良好的理論素養(yǎng)。（2）學(xué)生同時(shí)要建立起良好的計(jì)算機(jī)工程基礎(chǔ)，以有能力將抽象理論與具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)到專業(yè)能力的轉(zhuǎn)化。

3.3? 兩種知識(shí)體系的融合探索

由上述分析可知，從計(jì)算機(jī)工程角度出發(fā)所構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系，更像是一個(gè)涵蓋了系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部環(huán)節(jié)的技術(shù)集合，從科學(xué)角度構(gòu)建的知識(shí)體系則更貼近于嵌入式系統(tǒng)信息、網(wǎng)絡(luò)、物理過程相融合的動(dòng)態(tài)、并發(fā)本質(zhì)。對(duì)于工科特性尤其突出的嵌入式系統(tǒng)課程，單純采用任何一個(gè)知識(shí)體系來進(jìn)行人才培養(yǎng)都是不夠的。例如采用工程化知識(shí)體系，有助于提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和開發(fā)能力，但并不利于從思想層面啟發(fā)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力?？茖W(xué)化的知識(shí)體系有助于從思想、方法層面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，基于模型的設(shè)計(jì)也會(huì)具備更好的魯棒性和可靠性，但是鑒于該類知識(shí)體系與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間目前還存在著較大的差距，純粹的理論化培養(yǎng)并不能滿足當(dāng)前對(duì)高水平專業(yè)人才的綜合要求。既然兩類知識(shí)體系都各有突出的優(yōu)缺點(diǎn)，那么將其互相借鑒并進(jìn)行融合是非常有益的。

雖然最初立意于系統(tǒng)與技術(shù)，但嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系依然可以進(jìn)一步優(yōu)化和重構(gòu)。實(shí)踐中，我們嘗試借鑒科學(xué)知識(shí)體系及其思想，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程體系進(jìn)行改革。以研究型大學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)為目標(biāo)，拓展計(jì)算機(jī)工程的知識(shí)體系，盡量開展學(xué)生的思想、思維和專業(yè)素質(zhì)的啟發(fā)與培養(yǎng)。具體思路是，對(duì)同一類型對(duì)象中的原理和方法進(jìn)行歸納和提煉，建立該類對(duì)象所對(duì)應(yīng)的共性模型，并盡量闡述其共性核心機(jī)制所蘊(yùn)含的科學(xué)思想、方法以及技術(shù)原理。這一做法的目的是將專業(yè)人才的培養(yǎng)更多地引導(dǎo)向思想學(xué)習(xí)，以達(dá)成創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的更高目標(biāo)而不是退化為職業(yè)人才培養(yǎng)。具體而言，在嵌入式系統(tǒng)課程體系的改革中，我們研究并探索了基于模型和歸納的知識(shí)體系構(gòu)建方法，以嵌入式計(jì)算系統(tǒng)體系的構(gòu)建為脈絡(luò)，并以該體系中各節(jié)點(diǎn)的共性原理歸納分析與具體實(shí)現(xiàn)實(shí)例討論相結(jié)合的方式進(jìn)行組織。以嵌入式操作系統(tǒng)的知識(shí)組織為例，當(dāng)今我們耳熟能詳?shù)那度胧讲僮飨到y(tǒng)有數(shù)百種，典型的如嵌入式Linux，Android，IOS，VxWorks，Contiki，ROS、Windows Embedded系列以及國(guó)產(chǎn)的SylixOS，Alios，Huawei LiteOS等。雖然這些操作系統(tǒng)的功能和規(guī)模有所不同，分別用于移動(dòng)設(shè)備、實(shí)時(shí)控制設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但其體系架構(gòu)卻可以分類抽象為通用可定制嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如VxWorks、SylixOS的架構(gòu)）、集成領(lǐng)域組件的嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)（如Android的架構(gòu)）以及面向領(lǐng)域的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)框架（如Contiki、ROS的架構(gòu)）?；诖耍蛇M(jìn)一步歸納出嵌入式操作系統(tǒng)中需要重點(diǎn)討論以任務(wù)管理為核心的內(nèi)核服務(wù)機(jī)制，將學(xué)習(xí)過程從技術(shù)學(xué)習(xí)深化為思想學(xué)習(xí)、原理學(xué)習(xí)和方法學(xué)習(xí)。讀者可進(jìn)一步參閱《嵌入式系統(tǒng)體系、原理與設(shè)計(jì)》一書，其中采用了這樣的組織形式[7]。

將知識(shí)體系抽象化、理論化所帶來的一個(gè)問題是如何避免弱化學(xué)生實(shí)踐能力。實(shí)際上，這就需要對(duì)教學(xué)體系進(jìn)行進(jìn)一步改革，理論教學(xué)與實(shí)例教學(xué)相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與項(xiàng)目型作業(yè)相結(jié)合等都是有效解決這一問題的方法。教學(xué)實(shí)踐表明，融合的知識(shí)體系有助于在有限的課時(shí)內(nèi)幫助學(xué)生構(gòu)建起完整的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系，兼顧了原理、方法與設(shè)計(jì)實(shí)踐，也更貼近研究型大學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

4? ? 結(jié)語

結(jié)合研究型大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，本文從計(jì)算機(jī)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度分析了嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)與核心問題，進(jìn)而剖析了相應(yīng)兩類知識(shí)體系的內(nèi)涵及其優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上融合兩種知識(shí)體系進(jìn)行教學(xué)改革的思路與具體方法進(jìn)行了探討，并給出了具體建議，以期能夠促進(jìn)新時(shí)期嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)及人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1]史靜寰，趙可，夏華.卡內(nèi)基高等教育機(jī)構(gòu)分類與美國(guó)的研究型大學(xué)[J].北京大學(xué)教育評(píng)論，2007（2）：107-119.

[2]BONNIE U.Excellence，leadership，skills，diversity：marketing liberal arts education[J].Language&Communication，2003（23）：385-408.

[3]閔華松，魏洪興，王田苗.嵌入式系統(tǒng)在電子信息類專業(yè)教學(xué)中的推廣[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（3）：5-8.

[4]沈珊瑚，姚茂群.面向?qū)嵺`創(chuàng)新人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（7）：27-30.

[5]張凱龍.從架構(gòu)、原理到設(shè)計(jì)的多維融合嵌入式系統(tǒng)知識(shí)體系構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)教育，2017（4）：98-103.

[6]EDWARD A.LEE.嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論—CPS方法[M].2版，張凱龍，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[7]張凱龍.嵌入式系統(tǒng)體系、原理與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

Abstract：Embedded system technology is very comprehensive and practical， is a typical engineering technology. Therefore， in the common embedded system curriculum and talent training system， more emphasis is placed on the learning of technical principles and the cultivation of practical ability. However， in the new engineering talents training system of high-level research universities， the cultivation of high-level professionals has higher requirements， so it is necessary to think and reconstruct the knowledge system and talent training system of embedded system from a new perspective. Therefore， this paper analyzes different types of knowledge systems from different perspectives of engineering and science and discusses how to deal with them.

Key words：embedded system; computer engineering; computer science; knowledge system; thought; thinking; method