應用型自動化專業嵌入式課程體系和教學方法研究

潘秀琴 盧勇 張洪 中央民族大學信息工程學院 100081

應用型自動化專業嵌入式課程體系和教學方法研究

潘秀琴 盧勇 張洪 中央民族大學信息工程學院 100081

嵌入式系統課程體系和教學方法研究是高校教學改革的主要內容之一，本文以中央民族大學自動化專業嵌入式系統教學為例，對課程體系、教學方法等方面進行研究，分析總結了嵌入式系統教學特點，結合社會需求，提出了當今自動化專業面向嵌入式系統方向的課程體系、教學方法改革思路。

嵌入式系統；課程體系；教學方法

一、引言

近年來，隨著網絡、通信、多媒體、智能化技術的發展，為嵌入式系統的發展和應用提供了有力的技術支持和巨大的應用市場，嵌入式系統已經被廣泛地應用在通信、消費電子、智能終端、汽車電子、工業控制、航天航空、儀器儀表等諸多領域。社會對嵌入式技術的需求日趨上升，嵌入式技術及其產品的快速發展已經成為當今IT業發展的顯著特征之一，嵌入式技術也成了當代最具活力和競爭力的新技術之一。然而在我國嵌入式技術人才培養與市場需求卻呈現出脫節現象。嵌入式系統需要的是軟硬件緊密結合的復合型人才，而計算機專業的偏軟、電子信息專業的偏硬，在嵌入式系統人才培養上都存在先天不足，自動化專業雖然是以“控制和系統”為核心，從專業本身特點來看，應該是最有條件從事嵌入式系統人才培養，但是由于嵌入式系統的實踐性、應用性極強的特點，多數院校由于嵌入式系統教學起步較晚、普遍存在設備更新緩慢，教學改革研究經費難以保障、人才儲備不足等因素的影響，在嵌入式系統人才培養上存在著一些客觀障礙，嵌入式系統人才的缺乏逐漸成為嵌入式產業可持續發展的瓶頸問題之一。因此，如何接受嵌入式技術帶來的挑戰、學習嵌入式、研究嵌入式、應用嵌入式，加強完善高校嵌入式系統教學改革研究、探索嵌入式系統課程體系，構建嵌入式系統課程群，尋找有效的嵌入式系統教學方法，對于深化高校教學改革，培養適合社會需求的嵌入式系統人才具有重要意義。

二、嵌入式系統課程教學特點分析

嵌入式系統通常定義為一種以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可以裁減，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格限制的計算機系統。嵌入式系統教學突出特點主要有：交叉性、復合性和實踐性。交叉性主要是指嵌入式系統涉及多領域專業知識，如計算機、電子信息、通信、自動化等眾多專業領域，是多個專業交叉融合而形成的新興專業方向；復合性主要是指嵌入式系統需要軟硬件捆綁和協同設計；實踐性主要是體現在嵌入式技術的工程應用性，是只有在做的過程中才能加深理解和應用能力培養的技術。

從上述分析來看，嵌入式系統教學不僅涉及多專業領域，同時還要求軟硬協同，因此從教學內容上來看，不是一門課程就能講授的；從教學方法上來看，由于嵌入式系統以“應用為中心”，以培養學生嵌入式系統綜合設計與開發能力為目標，因此僅僅依靠課堂講授也無法完成對嵌入式系統人才實踐能力培養，需要從工程項目的角度來訓練學生的綜合實踐能力；從課程考核方法來看，僅僅依靠傳統的考核方式無論對老師還是學生都是不符合客觀實際情況。鑒于上述分析，嵌入式系統課程內容、教學方法改革等問題值得進行深入探討和研究。

三、嵌入式系統課程體系設置

從嵌入式系統教學內容特點來看，嵌入式系統課程體系應該是一個包括專業基礎課和專業課的課程群。課程群中所涉及的各門課程具有關聯性。課程之間相互銜接或交叉、承上啟下或相輔相成。

3.1 專業基礎課

中央民族大學自動化專業嵌入式系統方向的專業基礎課主要包括數字電路、計算機組成原理、單片機原理與應用、數字系統設計基礎、接口技術、程序設計基礎（如C/C++）等課程。數字電路是從事嵌入式系統設計開發的必備基礎，重點在于培養學生的邏輯思維能力；C／C++語言的可移植、可維護、易讀性以及強大的內存操作能力， 成為嵌入式系統開發的首選語言。計算機組成原理、數字系統設計基礎、單片機原理及應用、接口技術等課程主要使學生能夠正確設計、配置、組成計算機系統，培養學生對計算機系統的整體認識及軟硬件聯合開發的基礎技能，提高學生工程設計能力，為嵌入式系統課程學習奠定堅實的基礎。

3.2 專業課

嵌入式系統專業課程主要包括《嵌入式系統導論》、《嵌入式處理器》、《嵌入式操作系統》、《WinCE 嵌入式系統設計基礎》、《嵌入式系統綜合實踐》系列課程。

《嵌入式系統導論》課程主要對嵌入式系統所涉及的主要內容、特點、應用和分類等進行學習，通過基礎簡單實驗熟悉嵌入式系統設計的一般流程、外圍設備、軟硬件接口、仿真與調試的主流工具等的基本使用方法。

《嵌入式處理器》嵌入式處理器的種類較多，在嵌入式領域中廣泛應用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微處理器。ARM公司引發了嵌入式領域的一場革命，在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位，是目前32位市場中使用最廣泛的微處理器，學習以ARM為架構的嵌入式技術具有非常廣闊的前景。

《嵌入式操作系統》：目前比較適合用于本院教學主要有Linux(uClinux)、Windows CE、VxWorks、uC/OS等。基于Linux內核穩定可靠、源碼免費開放等優勢成了教學和學習嵌入式操作系統的首選。嵌入式的軟件開發從智能手機開發SYMBIAN)、J2ME程序設計、數字媒體終端等實踐編程。嵌入式軟件開發語言主要有匯編語言、C／C++語言、Java語言等。

上述課程的實驗多為基礎實驗，主要目的是讓學生了解熟悉開發流程、掌握實驗開發工具的使用方法、熟悉軟件編程環境，學生能夠根據一定的指示進行實驗的調試，讀懂實驗源程序和程序的運行調試過程，能夠進行修改、組合和補充式的基礎應用編程。如ARM集成開發環境的使用與仿真調試等。每門課程安排7～10個實驗。

《WinCE 嵌入式系統應用設計》和《嵌入式系統綜合實踐》這兩門課程屬于嵌入式系統應用設計的高級課程，在授課過程中采用“Learning By Doing ”的教學理念。

四、“Learning by Doing"教學模式在嵌入式系統教學中探索

4.1 目前高校教育模式存在的問題分析

在我國長期以來形成的應試教育的環境影響下，大學教育模式存在如下主要特點：

（1）聽課是獲取知識的主要途徑

（2）學習目標以獲取高分而不是以能力培養為目標

（3）學習知識和應用知識相分離

（4）傳播知識和傳播技能相分離

（5）知識的重要性由傳播知識的角色確定而不是由受用角色確定。

我們在來分析一下，這種教學模式帶來的后果是什么呢？一方面，這種模式結果是把知識書本化、程式化，學生學習過程中感覺學的東西猶如霧里看花，達不到學以致用的目的；另一方面，學生所受的教育，所學的知識與社會需求嚴重脫節，從而造成，高校學生就業困難，而企業無法招聘到合適的設計開發人員，必須通過必要的專業培訓才能上崗。造成上述后果的主要原因在于人才培養過程中將知識傳授和能力培養割裂，尤其是在諸如嵌入式系統、軟件工程等實踐性較強的課程。針對上述問題，在嵌入式系統教學中探索有效的解決方法越來越引起人們的重視。

4.2 “Learning.by Doing”與嵌入式系統教學的結合

“Learning by Doing”是由美國卡內基·梅隆大學率先提出的一種教學模式，其目的在于加強工科學生全面綜合實踐能力和工程素養培養的教學理念。這種教學理念是由教育創新者Dr.Roger Schank所設計。“Leaming by Doing”，顧名思義，就是要讓學生在“做”的過程中，深刻掌握相關知識和技能，從而取得理想教學效果。“Learning by Doing”教學模式是以產品或項目為出發點，完整地模擬從事產品研發或商務過程的各個環節，最終使產品推向市場化和實用化。 這一過程中教師的主要任務就是全力輔導學生，盡可能減少理論講授環節，學生也無須參加課堂活動或考試。

《Windows CE嵌入式系統設計基礎》課程是中央民族大學本科自動化專業嵌入式系統方向一門專業選修課程，共2學分，每周3學時。考慮到該課程是一門工程實踐性很強的課程，在授課過程中，采用learning by doing 的教學模式。將課程中的每部分授課內容設計成一個個相對獨立的環節，每個環節作為一個課程項目，學生完成了一個項目經過教師或指定工程師審核之后，才能進入下一個課程項目。若干名學生組成一組，形成一個項目設計開發小組，每個同學在小組中擔任一定的角色，同學之間具有明確的分工，每個小組需要完成，項目需求分析、功能設計、代碼編寫或硬件電路開發、測試、文檔書寫以及項目進度管理等基本環節的工作內容，同一小組的同學建立相對穩定的溝通交流機制。在成績評估中，運用具有一定代碼量的課程項目代替傳統的筆試。

經過一學期的學習，到課程結束時，我們發現學生不僅代碼編寫的能力得到了很好的鍛煉，而且，學生在分析設計測試文檔項目進度管理等方面也具備了基本的工程設計開發能力，課程開始初期出現的項目結束時間“趕項目”、團隊分工不明確、項目文檔書寫無從下手等問題，在課程結束時有了很大程度的改善與提高。“Learning by doing”教學模式不僅能夠使學生在做的過程中獲取知識，更重要的是使學生與工程實踐零距離接觸，使其工程素養得到了很好的鍛煉。從而彌補了嵌入式系統人才需求與高校嵌入式系統教育之間存在的差距，使學校嵌入式人才培養能力越來越符合市場對人才的需求。

五、總結

近年來，隨著相關技術和行業的發展，嵌入式系統技術的發展也非常迅速，但是其發展歷史還比較短，尤其是在嵌入式系統教學上，諸如嵌入式系統課程體系和有效的教學模式尚沒有形成統一的規范，在嵌入式系統教學內容和教學方法的研究與改革還有待于進一步深入。在師資隊伍建設、實驗室建設、共享教學資源建設等方面還需要在教學工作中不斷積累、不斷完善。自動化專業的嵌入式方向教學需要從事嵌入式系統教學的老師不斷研究、不斷改革、不斷探索，不斷創新，才能培養出社會所需要的復合型高素質嵌入式系統專門技術人才。

[1]李耀波，杜麗敬．高校嵌入式系統課程群規劃的探討[J]．科技信息.2007．(19)：25，59．

[2]何宗鍵,覃文忠.Learning by doing 教學模式探索[J]. 計算機教育.2005（12）：26-27.

[3]蔣晶.應用型本科嵌入式方向課程教學改革探討[J].科技教育.2008（33）：154-156.

[4]李巖，王小玉，孫永春.嵌入式系統教學研究[J].電氣電子教學學報.2008（3）：45-47.

[5]鄒華容，黃力.高校嵌入式教學發展趨勢與策略[J].高教研究.2005（22）：116-117.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.129