面向高等教育的嵌入式系統教學改革

　　摘要：在分析國內嵌入式系統教學改革必要性的基礎上，提出具體改進建議，介紹成立專門的嵌入式專業師資、建設立細分化教材體系、增強“做中學”教學力度、工程化的人才培養和學術驅動的教學模式。
　　關鍵詞：嵌入式系統；教學改革；教學模式
　　
　　隨著嵌入式系統應用的迅速擴展，嵌入式開發從業人員的需求量成指數增長。作為后PC時代的產物，嵌入式產品正在逐步融合桌面計算，為人們提供各種服務，其開發涉及芯片、外設、底層軟件、操作系統、網絡、數字媒體、Web服務等多種領域、多個層次[1-2]。
　　為適應市場需求和應用發展，各高校本科均逐漸開設了嵌入式系統相關課程[2]。但由于傳統教學大綱的影響和課時的限制，大多數院校只是提供一門偏向于嵌入式系統綜述性的課程，或者將其分成軟件和硬件兩門課程介紹。在最初的嵌入式系統教學中，我們發現嵌入式系統教學的內容多而亂，內容不夠深入，頗有淺嘗則止的問題[3]。更為嚴重的是學習者感覺“什么都在學，但什么都不會”，他們很快就失去了進一步學習的積極性。原因在于這種培養方式沒有對整個嵌入式系統體系進行較為深入的介紹，學生也只是粗略了解相關概念、知識、應用場景等。在實驗課程配置方面，受設備、場地、技術等多種因素的限制，更多的是開設一些驗證性實驗，與實際工程應用相差較遠[4]。為此，高校嵌入式系統教學需要進一步的改革。
　　1嵌入式系統教學改革的必要性
　　當前，嵌入式系統教學存在明顯的不足，改革勢在必行。嵌入式系統教學改革的必要性主要體現在以下方面。
　　1.1師資力量不夠
　　以往教學都是以教研室為單位開設課程，教師既要做科研，又要抓教學，這種方式必然導致教學質量不高，另外，嵌入式系統教學不太受重視。為改變教學現狀，我們必須集中優勢師資力量，實現高水平嵌入式教學。
　　1.2教材過于籠統
　　在傳統的高校嵌入式教學大綱中，課時非常少，因而，嵌入式教學一般提供一門偏向于嵌入式系統綜述性的課程，或者分成軟件和硬件兩門課程介紹。這種過于籠統的教材，只能是“以偏蓋全，淺嘗則止”，有種雞肋的味道。
　　1.3教學方式陳舊
　　嵌入式系統的教學與以往的基礎課程和理論課程不同，需要對實際的實物或應用有感性認識。然而，傳統的教學模式或多或少受些“照本宣科”的影響，許多高校最終開設成為一門知識介紹性的課程。這種陳舊的教學方式，必然會消磨學生的興趣。
　　1.4缺乏工程化的培養模式
　　嵌入式系統是一門應用學科，注定要走上工程化的道路。當前的嵌入式系統教學，缺乏以軟件工程為驅動、以企業合作培養為促進的人才培養模式。
　　1.5缺乏學術前沿的融合
　　歐美發達地區高校嵌入式系統教學無一例外都是以學術前沿驅動的教學模式，遵循著“以前沿研究帶動教學，以教學促進前沿普及”的模式。而在國內，由于嵌入式教學從業人員對學術前沿的把握不夠，導致嵌入式教學的落后。就目前而言，國內大多高校還以傳統嵌入式系統的設計和開發為基礎。
　　2高校嵌入式系統教學改革的建議
　　針對國內嵌入式系統教學存在的問題，經電子科技大學示范軟件學院和嵌入式系教學人員討論，我們提出以下建議。
　　2.1成立專門的嵌入式系統專業
　　為解決嵌入式系統教學師資缺乏問題，在現有計算機學科的基礎上，成立獨門的嵌入式系統專業。嵌入式系統的教學行為從教研室上升為院系級，實現嵌入式系統的教學與科研人員的分離，進而為嵌入式系統教學提供更多的行政和財政資源。
　　電子科技大學在嵌入式方面有長久的歷史，其教學歷程久遠。為滿足當前嵌入式系統教學改革的需要，促進新型嵌入式人才的培養，電子科技大學軟件學院做出嘗試，即成立面向本科教育的嵌入式系統專業，這無疑將為高校嵌入式人才的培養帶來福音。
　　2.2細分化教材體系
　　當前嵌入式應用的行業細分化進程飛速發展，嵌入式的教材體系和實驗體系同樣需要細分化的發展。當前高校可抓住“十二五”和“卓越工程師培養”規劃的契機，編寫系列教材。內容覆蓋嵌入式系統方向的所有核心知識內容，這將為讀者提供嵌入式系統開發的完整體系結構和思路，使讀者能夠較為容易地理解嵌入式系統及其開發的本質，掌握基本開發技術，了解并掌握典型的應用實例，為今后走向社會奠定扎實基礎。對此，我們建議編寫如下系統教材。
　　1) 嵌入式系統導論。嵌入式系統綜述教材，用于激發學生對嵌入式方向的興趣，幫助學生勾畫嵌入式方向的輪廓，初步定位自己今后的發展方向。
　　2) 微機原理及接口技術。這是嵌入式方向的另一門重要基礎課。它針對廣泛應用的微型機軟硬件系統知識和技術進行更深入和系統的學習。在學完本課程后，學生對計算機軟硬件知識的掌握達到系統級專業水平，并為后繼的專業課程(如ARM處理器、嵌入式網絡、多媒體技術等)學習打下堅實的基礎。
　　3)ARM處理器體系結構及應用。ARM處理器是目前32位以上嵌入式系統中最主流使用的處理器，號稱嵌入式領域的“Intel”。因此，它是目前嵌入式方向必須掌握的基礎硬件之一。教材編寫以課堂理論教學和實驗操作相結合的方法，使學生能夠了解和掌握32位嵌入式ARM處理器的原理及其應用方法。
　　4)FPGA 原理與應用。教材在介紹FPGA基本原理的基礎上，以Quartus II綜合平臺為基礎，重點介紹基于Alterla FPGA的IP 設計方法和設計技巧，從系統工程的角度來詳述完成一個設計需要開展的分析、仿真、實現等具體工作。配合相關實驗和實訓，幫助學生完全了解開發基于FPGA的實用電路的若干步驟，熟練掌握一個開發平臺，達到基本勝任一項具體工作任務的目標。
　　5) 現代嵌入式操作系統。嵌入式OS在基本結構上與通用OS大同小異，因此教材的編寫在概略介紹嵌入式OS各組成成分的基礎上，重點闡述其自身的特色性成分，如實時調度、低功耗、安全、可靠等，并強調培養學生基于嵌入式OS的應用開發能力。
　　6) 計算機控制系統。在工程實踐中，控制系統是產品智能化的核心。因此，掌握計算機控制系統的分析與設計方法并應用于嵌入式產品的研制，是嵌入式系統專業學生必須具備的基本技能。本教材系統地講述計算機控制系統的基本原理與實現技術。
　　7) 嵌入式軟件分析設計。教材概括嵌入式／實時軟件的實時、并發特征，介紹設計過程中所使用的概念、模式和方法，討論嵌入式軟件分析設計在嵌入式系統設計開發過程中的地位，重點介紹常用的結構化實時系統設計方法和面向對象的嵌入式軟件分析設計方法，培養學生掌握使用實時統一建模語言對嵌入式實時軟件進行分析設計。
　　8) 嵌入式網絡編程。本教材主要講述嵌入式系統的各種網絡接口編程技術，內容涉及嵌入式系統數據傳輸模式及其程序設計。書中將通過大量的實例教學，使學生深入理解嵌入式網絡編程的內涵和實質，從而提高學生的實踐技能。
　　9) 多媒體應用基礎。教材主要介紹多媒體技術的概念、技術與應用。全書在介紹多媒體基本概念的基礎上，重點對數字音頻處理、視覺信息處理、多媒體數據壓縮與編碼技術、多媒體數據處理的技術標準、多媒體系統結構、超文本與超媒體技術、多媒體數據庫技術、虛擬現實技術、流媒體技術、多媒體信息安全技術作了比較系統的闡述，同時重點介紹多媒體應用開發環境及應用實例。
　　10) 人機界面的軟件設計。教材通過系統講解人機交互理論和用戶界面的設計原則，結合Windows、Linux、Web和嵌入式系統的典型軟件用戶界面設計，幫助讀者掌握嵌入式產品用戶界面的設計、測試、評估方法，培養產業化開發的基本思路。
　　
　　11) 嵌入式系統應用開發。本教材的任務是通過實際應用開發實例教學，幫助學生系統深入地學習掌握嵌入式應用開發的基本技能和技巧、基本的開發測試環境，掌握典型的應用開發過程，旨在培養學生嵌入式應用開發的實踐能力，初步具備全面的嵌入式應用系統分析能力與軟硬件設計能力，使得學生畢業后可以直接學以致用。整個教材面向幾個典型嵌入式應用領域的軟件開發，主要分為三個大的部分：Brew 開發技術、J2ME開發技術和Android開發技術，包括主要的嵌入式開發技術。每個部分各具特色又相互借鑒和統一，便于對比學習。
　　2.3增強“做中學”教學力度
　　為改變傳統的純課堂講授教學模式，我們采用“做中學”的教學模式非常必要。因此，我們建議高校增強在嵌入式教學中的“做中學”力度。它本身是對傳統陳舊教學模的改革，同時也是提高嵌入式教學質量的重大舉措。
　　“做中學”是一種新的學習知識方式，它要求學習者從實際經驗中，而不僅是被動地從“講-聽”學習模式中直接獲取知識。嵌入式系統正是一種以實際應用為出發的軟硬件系統，課程教學必須采用“做中學”的方法，同時，我們可以從幾方面加強“做中學”的力度：1)建立嵌入式專業的專門實驗室，保證學習使用的嵌入式教學硬件平臺的多樣性和充分性；2)把嵌入式理論教學放到實驗室去講授，在實際的嵌入式開發環境下，通過教師或優秀學生代表自己動手操作的方式，提升學生的感性認識；3)加重實驗教學的分值，加強學生的實踐意識；4)增設嵌入式系統“細分化”課程的綜合課程設計，培養學生的創新能力和團隊合作能力。
　　2.4加強工程化的人才培養
　　作為國家重大戰略規劃，工程化人才培養是面向未來工業界，培養和造就一大批具有高創新能力，適應中國特色經濟發展需要的高質量各類型工程技術人才。其最終目標是建設創新型國家，提升我國在國際社會的地位。
　　在嵌入式領域，工程化是培養嵌入式應用工程師為目標，著重培養學生的工程實踐能力、設計能力、創新能力、團隊合作能力、以及領導能力。在現有嵌入式教學的基礎上，我們可以從兩方面實現工程化人才培養的目標。一是以實際的工程應用為驅動，以整體項目的形式來講解；二是通過邀請企業導師，加強嵌入式軟硬件工程人才的強強聯合培養。
　　2.5學術驅動的教學模式
　　在嵌入式領域，基于最新技術的課程在興起，如基于無線傳感器網絡的深度嵌入式網絡，嵌入式系統可信性能提升方向的課程，比如容錯計算機系統、功耗感知計算機系統、防危關鍵嵌入式系統。因此，如果加強這方面教學，那么，嵌入式教學水平必將得到提高。
　　為改變嵌入式教學內容的落后狀況，我們還必須實時跟進國際形勢，采用學術驅動的教學模式。首先，教學人員必須跟進當前的最新研究進展。有能力的教學人員應投入到前沿研究，同時將最新學術成果放到課堂上講，讓學生去接受新知識的洗禮。其次，我們可以學術交流為目標，邀請學術達人以講座的形式講解前沿研究成果。電子科技大學軟件學院教師在無線傳感網絡、可信嵌入式系統領域的研究成果較為豐富，擬計劃以自身學術優勢開設相關的前沿技術課程，并希望通過一些學術前沿交流課堂給學生帶來新鮮技術和知識。
　　3結語
　　嵌入式系統本身是工程應用為驅動的、“軟硬兼施”的課程。伴隨著細分化嵌入式行業的發展，嵌入式系統教學無疑需要深入改革。我們在改革中，依托電子科技大學嵌入式系統教學改革思路，分析當前嵌入式系統教學的不足，并提出上述相應的建議，實踐證明，成立專門的嵌入式專業、建立細分化的教材和實驗體系、加強“做中學”模式、實現強強聯合的工程化培養方式、進行學術前沿驅動的教學補充等一系列教學改革措施，改變了傳統嵌入式教學帶來的弊端，提升了嵌入式教學質量，希望本文的一些建議能為高校嵌入式教學改革貢獻一點綿薄之力。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 孫述和. 操作系統實驗教學研究與探索[J]. 計算