基于工程訓(xùn)練模式的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究

萬智萍，王 鳳，王高亮

（中山大學(xué) 新華學(xué)院，廣東 廣州 510520）

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的組成部分，并以各種形式滲透到我們的生活當(dāng)中。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用涉及到多個領(lǐng)域，但嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)嚴重跟不上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何解決實踐教學(xué)中遇到的困難和問題并適應(yīng)形勢的變化和發(fā)展，培養(yǎng)社會需要的高素質(zhì)應(yīng)用、創(chuàng)新、拔尖型嵌入式人才，是一個緊迫的課題。

為培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需要的工程師，適應(yīng)經(jīng)濟社會快速發(fā)展、滿足科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的國際化要求，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （2010-2020年）》（以下稱《綱要》）中指出要通過教育和行業(yè)、高校和企業(yè)的密切合作并以實際工程為背景，工程技術(shù)為主線，著力提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力[1]?！毒V要》還指出，在人才培養(yǎng)體制改革上要更新人才培養(yǎng)觀念、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、改革教育質(zhì)量評價和人才評價制度；在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式上，要創(chuàng)新教育教學(xué)方法，探索多種培養(yǎng)方式，形成各類人才輩出、拔尖創(chuàng)新人才不斷涌現(xiàn)的局面[2]。筆者基于這一背景，把嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)與工程訓(xùn)練模式有機結(jié)合，進行了基于工程訓(xùn)練模式的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究。對社會上的應(yīng)用型本科院校在嵌入式人才培養(yǎng)上存在的問題進行了分析研究，并探索出一種創(chuàng)新、有效、更切合實際的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)方法。

1 高校嵌入式人才培養(yǎng)存在問題

1）課程設(shè)計與社會發(fā)展需求脫節(jié)

國內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)教育還處于初期階段，許多高校在計算機科學(xué)與技術(shù)、電子工程、自動化等專業(yè)開設(shè)了嵌入式相關(guān)的專業(yè)方向或者相應(yīng)增加了嵌入式系統(tǒng)作為選修課，課時相對較短，沒有形成統(tǒng)一的教學(xué)體系和人才培養(yǎng)模式，而且開設(shè)課程大多沒有結(jié)合本校實際情況和社會需求，沒有相應(yīng)側(cè)重點，都是籠統(tǒng)的知識體系，針對性較差，知識也較為陳舊。

2）專業(yè)課程之間缺乏必要的銜接

嵌入式系統(tǒng)具有綜合學(xué)科代表性，相關(guān)的教學(xué)代表了其學(xué)科教學(xué)的發(fā)展方向，具有一般參考性，并且與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)緊密結(jié)合，也覆蓋了和體現(xiàn)了其他專業(yè)課程的知識點的綜合應(yīng)用。理論課教學(xué)是培養(yǎng)嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，更在區(qū)分本科層次和他的層次上起重要作用。但很多應(yīng)用型本科院校在課程設(shè)置上有聯(lián)系的專業(yè)課程之間聯(lián)系不緊密，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到困惑，不知道學(xué)習(xí)完所學(xué)課程后可以應(yīng)用到哪些方面。

3）教學(xué)重理論教學(xué)而輕實際應(yīng)用

許多應(yīng)用型本科院校在嵌入式教學(xué)上不能結(jié)合自身實際，盲目追隨重點本科院校的教學(xué)模式，以高強度“強灌”式的教學(xué)方式向?qū)W生灌輸理論知識。在教育方法上，重“灌輸”輕“引導(dǎo)”，學(xué)生長期處于被動接受認同狀態(tài)，主體精神、主動性退化，創(chuàng)新意識、創(chuàng)造能力得不到開發(fā)[3]。對于實踐教學(xué)多以驗證性實驗為主，造成嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)上重理論而輕實踐的現(xiàn)象。同時也導(dǎo)致學(xué)生在理論和實踐的揉合上產(chǎn)生極大問題，造成學(xué)生的理論及實踐能力相對較差的結(jié)果。

4）缺乏“雙師”型教師

從現(xiàn)在社會上高校教師的流動形勢來看，教師的流的方向大多遵從高校到高校的流動方向。教師極少參與到企業(yè)的工作和研發(fā)當(dāng)中，所以大多數(shù)教師以理論知識為主，在解決實際應(yīng)用問題上局限性很大。因此教師有必要在提高自身的業(yè)務(wù)能力和不斷更新知識的同時也參與到企業(yè)的研發(fā)當(dāng)中去。而這一做法對教師來說是一種途徑提升自身能力的方法，對其自身相當(dāng)有利，而從學(xué)生方面來說，“雙師”型教師可以把自己的研發(fā)經(jīng)驗作為實踐知識傳授給學(xué)生以提高學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展的能力，是嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的一種雙贏舉措。

5）校企間不能長期合作，學(xué)生工程訓(xùn)練的實踐機會少

校企間的溝通問題很多，在利益分配中經(jīng)常產(chǎn)生沖突，使得校企間建立的合作不能長久，使得學(xué)校嵌入式人才培養(yǎng)難以與市場接軌。充分提高對產(chǎn)學(xué)研合作和實習(xí)教學(xué)的認識，積極創(chuàng)新工作思路，采取有效措施應(yīng)對存在的問題[4]。工程訓(xùn)練是高等工程教育必不可少的重要環(huán)節(jié),但近年來應(yīng)用型本科院校的實踐教學(xué)被不同程度地削弱,使工程訓(xùn)練達不到最基本的要求,嚴重影響高等工程教育的質(zhì)量[5]。

2 工程訓(xùn)練模式下的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)

如圖1所示。

1）制定嵌入式系統(tǒng)教學(xué)發(fā)展規(guī)劃，進行培養(yǎng)目標(biāo)特色定位

圖1 工程訓(xùn)練模式下的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Char of embedded composite top-notch innovative personnel training based on engineering training mode

依據(jù)市場的需求和嵌入式知識體系結(jié)構(gòu)的更新，規(guī)劃根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點和學(xué)生成長規(guī)律，以及學(xué)校的發(fā)展計劃，制定符合當(dāng)前社會發(fā)展需求的規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生制定嵌入式學(xué)習(xí)計劃。建立團隊，形成梯隊式的培養(yǎng)人才模式，形成符合專業(yè)建設(shè)的資料庫。構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)體系，完善實踐教學(xué)體系，建立多種模式和培養(yǎng)方式，根據(jù)本校特色及社會需求，最終構(gòu)建符合市場需求，人才培養(yǎng)，學(xué)生特點，學(xué)校情況等方面的創(chuàng)新教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。

2）創(chuàng)建良好的實踐教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)嵌入式創(chuàng)新實踐人才

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需要一種持續(xù)、穩(wěn)定、系統(tǒng)、活躍、開放的創(chuàng)新教育環(huán)境。應(yīng)用型本科院校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)不能忽略實踐教學(xué)，需要創(chuàng)建嵌入式實驗室和創(chuàng)新實驗室，并為學(xué)生提供必要的重要儀器設(shè)備，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計能力。根據(jù)學(xué)生特點和學(xué)校培養(yǎng)模式，著手建立嵌入式實驗室和創(chuàng)新實驗室，制定詳細的實驗室建設(shè)計劃書。并將嵌入式教學(xué)與EDA的理論教學(xué)和實踐教學(xué)及單片機教學(xué)有機相結(jié)合，以增強教學(xué)實踐性和創(chuàng)新性。

3）開放實驗室管理，建立嵌入式系統(tǒng)開放實驗教學(xué)模式

在嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中，需摒棄舊的封閉式的實驗室管理模，采用新的開放式實驗室管理,制定開放實驗室計劃。學(xué)生以獨立或團隊形式進行知識拓展，為工程項目開發(fā)、學(xué)生科研、學(xué)術(shù)競賽提供優(yōu)越的場地和學(xué)習(xí)環(huán)境，提高設(shè)備有效利用率。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)特點開放實驗教學(xué)，利用學(xué)生課外時間，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，進行實踐教學(xué)。學(xué)生根據(jù)個人興趣,在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下確定研究項目，指導(dǎo)教師在項目選題、工程類項目申報、實驗操作和研究總結(jié)等各個環(huán)節(jié)對學(xué)生進行個性化指導(dǎo)[6]。采取多樣化的方式進行實驗教學(xué)，打破時間限制和實驗課題限制，適量增加綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗的開設(shè)，進行多元化的學(xué)習(xí)和研究。實驗室實踐教學(xué)管理圖如圖2所示。

4）加強基礎(chǔ)知識教學(xué)同時注重提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力

圖2 實驗室實踐教學(xué)管理圖Fig.2 Char of laboratory practice teaching management

工程訓(xùn)練模式的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要以有教有學(xué)，“教學(xué)合一”的作為本質(zhì)，以學(xué)為主作為教育內(nèi)涵，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)、獨立思考、自主發(fā)現(xiàn)、自主創(chuàng)新的能力[7]。嵌入式技術(shù)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，與其他專業(yè)領(lǐng)域的滲透融合也日益加強，相關(guān)基礎(chǔ)知識關(guān)聯(lián)度越來越大，必須把專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)與嵌入式教學(xué)相結(jié)合，為學(xué)生奠定扎實的基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)復(fù)合型人才培養(yǎng)的課程教學(xué)設(shè)計分為軟件部分和硬件部分。硬件部分主要掌握單片機基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、微機接口、計算機組成原理和EDA技術(shù)應(yīng)用等，軟件部分則包括有嵌入式C、C++語言程序設(shè)計、嵌入式匯編語言、數(shù)據(jù)庫原理、操作系統(tǒng)和Linux驅(qū)動設(shè)計。嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計圖Fig.3 Curriculum design of embedded systems

另外，在嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)中可參考以下幾點建議：

①嵌入式C教學(xué)

嵌入式學(xué)習(xí)首先需要具備一定的C語言基礎(chǔ)，因此建議從大一開始安排嵌入式C/C++的課程，從基本語法、常用的數(shù)據(jù)存儲及處理方式（數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等）上進行詳細教學(xué)。要求學(xué)生親手敲寫代碼、分析理解具體案例代碼編寫的思路。此外，有關(guān)計算機操作系統(tǒng)工作原理以及計算機組成原理等方面也要求了解，對于進程、線程、任務(wù)調(diào)度、總線、I/O等基本概念及工作原理做到初步了解和掌握。嵌入式開發(fā)指針更顯得尤為重要，所以需要掌握指針的應(yīng)用，而且要掌握多級指針、函數(shù)指針等等，指針的教學(xué)上還需要結(jié)合內(nèi)存分配進行。還要學(xué)習(xí)模塊化編譯處理、指針與數(shù)組、gcc、Makefile、GDB、遞歸、結(jié)構(gòu)體、宏定義使用等。

②Linux教學(xué)

Linux是一個命令行組成的操作系統(tǒng)，精髓在命令行，無論圖形界面發(fā)展到什么水平這個原理是不會變的，Linux命令有許多強大的功能：從簡的磁盤操作、文件存取、到進行復(fù)雜的多媒體圖像和流媒體文件的制作，要求學(xué)生掌握50個或以上的常用命令，另外還要熟悉Gnome/KDE等X-windows桌面環(huán)境操作，掌握.rpm、.tgz等軟件包的常用安裝方法，學(xué)習(xí)添加外設(shè)，安裝設(shè)備驅(qū)動程序（比如網(wǎng)卡），熟悉Grub/Lilo引導(dǎo)器及簡單的修復(fù)操作，熟悉Linux文件系統(tǒng)和目錄結(jié)構(gòu)，掌握vi，gcc，gdb等常用編輯器，編譯器，調(diào)試器，理解shell別名、管道、I/O重定向、輸入和輸出以及shell腳本編程，懂得Linux環(huán)境下的組網(wǎng)。

③ARM教學(xué)

采取三環(huán)教學(xué)模式。第一環(huán)，從基本硬件開始教學(xué)，一般處理器及接口電路，如Flash/SRAM/SDRAM/EEPROM/Cache、UART、Timer、GPIO、Watch dog、USB 等，要求學(xué)生至少了解一種CPU的體系結(jié)構(gòu)和一種操作系統(tǒng)，如中斷、優(yōu)先級、任務(wù)通信、同步等。對于應(yīng)用編程，要求學(xué)生要掌握C語言程序設(shè)計，C++和匯編語言程序設(shè)計可由學(xué)生根據(jù)自身情況選擇性掌握。另外，學(xué)生要對處理器的體系結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、指令結(jié)構(gòu)、編程模式和應(yīng)用編程要有了解，還需要在實際工程實踐中掌握一定的實際項目開發(fā)能力。第二環(huán)，在處理器指令系統(tǒng)和應(yīng)用編程教學(xué)的基礎(chǔ)上，加強外圍功能接口應(yīng)用教學(xué)，主要是人機、通信接口（USB接口、AD轉(zhuǎn)換、GPIO、以太網(wǎng)、IIC串行數(shù)據(jù)通信、音頻接口）和觸摸屏應(yīng)用教學(xué)。第三環(huán)，通過教學(xué)使得學(xué)生熟悉至少一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟練裁剪、定制及移植、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)。

5）立足學(xué)生特點確定符合本校的培養(yǎng)方案，提高學(xué)生實踐和科研能力

立足學(xué)生特點采用針對性的培養(yǎng)模式和教學(xué)方法培養(yǎng)個性化發(fā)展的學(xué)生及團隊。在理論教學(xué)的深入過程中加大學(xué)生的實踐教學(xué)，建立相應(yīng)的創(chuàng)新實驗室為學(xué)生提供綜合設(shè)計實驗的場所，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)生科研工程項目，及創(chuàng)新類、嵌入式類學(xué)術(shù)競賽，進一步提高學(xué)生的綜合能力。突出工程研究能力培養(yǎng)，建立基于問題式、探索式等“研中學(xué)”、“做中學(xué)”教學(xué)模式，實施企業(yè)和學(xué)校雙導(dǎo)師指導(dǎo)，以研究領(lǐng)域相關(guān)工程實際項目為載體，深入企業(yè)參與實踐和項目研究，使學(xué)生具備工程創(chuàng)新拔尖型人才的潛質(zhì)，切實提升學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力[8]。

6）增強教學(xué)及專業(yè)課程的銜接性和學(xué)科交叉性，深化復(fù)合型應(yīng)用型人才的培養(yǎng)

引導(dǎo)學(xué)生多學(xué)科發(fā)展，強化自主學(xué)習(xí)能力，提升綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力，并能根據(jù)自己的特點和興趣選擇進行相關(guān)專業(yè)知識學(xué)習(xí)。由教師合理有效地對學(xué)生進行指導(dǎo)和規(guī)劃，使學(xué)生有明確的學(xué)習(xí)和就業(yè)方向。從大一開始開設(shè)相關(guān)C語言程序設(shè)計課程，然后將其慢慢引入到嵌入式編程，結(jié)合匯編基礎(chǔ)和C語言基礎(chǔ)，加強嵌入式C語言的教學(xué)培養(yǎng)，制定相應(yīng)教學(xué)計劃引導(dǎo)學(xué)生，結(jié)合微機原理及應(yīng)用，單片機等課程進一步深入嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

7）建立學(xué)生嵌入式科研團隊，增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實踐能力

鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生組建嵌入式科研團隊，參加省級以上嵌入式學(xué)術(shù)競賽，利用課余時間自主學(xué)習(xí)和自主開發(fā)和設(shè)計嵌入式作品。引導(dǎo)學(xué)生主動獲取信息、發(fā)現(xiàn)新問題、把握創(chuàng)新點、強化團隊合作意識、克服各種困難、提高創(chuàng)新能力[9]。完善獎勵機制，積極鼓勵并大力支持學(xué)生結(jié)合項目撰寫并發(fā)表學(xué)術(shù)論文，并根據(jù)其發(fā)表的刊物級別給予相應(yīng)的獎勵。對于順利完成拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目，且項目取得較為優(yōu)越的成果，或在重大競賽中取得優(yōu)異成績的學(xué)生及學(xué)生指導(dǎo)教師，結(jié)合學(xué)校相關(guān)政策給予相應(yīng)的獎勵[10]。在各級采用梯隊模式培養(yǎng)嵌入式技術(shù)人才，由教師指導(dǎo)高年級學(xué)生，高年級學(xué)生指導(dǎo)低年級學(xué)生，形成有效的培養(yǎng)模式和氛圍。

8）加深校企合作，開展嵌入式畢業(yè)設(shè)計

工程模式下的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)關(guān)鍵在于突破校企在運轉(zhuǎn)過程中各自獨立、知識溢出效應(yīng)不明顯的瓶頸，建立雙方融合、聯(lián)動發(fā)展的機制，通過建立一套行之有效的制度體系[11]。學(xué)校應(yīng)密切關(guān)注社會上相關(guān)企業(yè)的發(fā)展動態(tài)，把握好與優(yōu)秀企業(yè)進行聯(lián)系和合作的機會，深化校企合作，建立嵌入式實習(xí)基地，在此基礎(chǔ)上可以進行更廣泛的合作，并且立足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展更多符合要求的科技型實習(xí)基地。另外，讓學(xué)生可以更多的選擇更高端的嵌入式畢業(yè)設(shè)計課題，用積累的知識和動手能力進行最后的畢業(yè)設(shè)計項目開發(fā)，務(wù)求進行全程化的畢業(yè)設(shè)計跟蹤指導(dǎo)和實踐。

9）培養(yǎng)“雙師”指導(dǎo)隊伍，提高嵌入式教學(xué)師資力量

工程背景是高等工程教育改的瓶頸，學(xué)?？蓮挠泄こ瘫尘暗慕處熽犖榛蛴善髽I(yè)工程專家和技術(shù)人員組成的指導(dǎo)隊伍兩方面構(gòu)建“雙師”指導(dǎo)隊伍。把提高教師的理論水平和加深校企合作作為培養(yǎng)工程訓(xùn)練模式的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中“雙師”型教師培養(yǎng)工作的兩個重點，加強教師的工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力[12]。加強教師對新知識、新技術(shù)的學(xué)習(xí)，進行項目開發(fā)，跨學(xué)科合作，進行校級項目到省級項目到國家級項目的跳躍提升，加強與企業(yè)間的“產(chǎn)學(xué)研”合作，減少雙方間的沖突，努力營造互利共贏的局面。

3 研究結(jié)果

學(xué)生方面：可以讓學(xué)生有明確的嵌入式學(xué)習(xí)目標(biāo)及發(fā)展方向，嵌入式系統(tǒng)涉及到軟件和硬件不同方向，更深層次的體系有明確的劃分，學(xué)生可以自己根據(jù)自身的特點和學(xué)習(xí)能力涉及深入到適合自己的領(lǐng)域，系統(tǒng)完整的學(xué)習(xí)知識，深入加強到不同的方向，將興趣和就業(yè)掛鉤，可以更大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不至于盲目和被動。同時，將理論和實踐教學(xué)有機結(jié)合在一起，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情全身心投入到嵌入式系統(tǒng)的開放實驗教學(xué)當(dāng)中，加強了學(xué)生的動手實踐能力，成為真正嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新應(yīng)用人才。

教師方面：通過開展工程模式下的嵌入式系統(tǒng)的開放實驗教學(xué)，教師的能力得到了很大提高，并且以雙師型為目標(biāo)發(fā)展個人能力，同時也可以讓教師加強嵌入式方面的研究，提高科研能力，可以更好的與企業(yè)合作進行深入和廣泛的合作，教師緊追嵌入式的發(fā)展技術(shù)，不斷更新自己的知識體系結(jié)構(gòu)，進一步提高了自身的教學(xué)能力。

4 結(jié)束語

總的來說，本基于工程訓(xùn)練模式的嵌入式復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)方法是一種立足于工程訓(xùn)練模式，創(chuàng)建自身的特色課程、特色培養(yǎng)模式和特色開放實驗，讓專業(yè)上相關(guān)的學(xué)生具有更強的社會競爭力，同時可以讓學(xué)生用所學(xué)知識參加省級以上電子類、創(chuàng)新類、嵌入式類的學(xué)術(shù)競賽，進行項目開發(fā)和學(xué)生科研，在開放式實驗中提高實力，有機會取得較好成績，也可以讓學(xué)生形成你追我趕的良好學(xué)習(xí)氛圍，在培養(yǎng)專業(yè)人才方面積累寶貴的經(jīng)驗，非常值得推廣。

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