面向嵌入式軟件開發的C語言程序設計課程改革探索

楊波　沈承舒

摘要：從嵌入式系統軟件開發的角度出發，探討在嵌入式系統開發方向上C語言程序設計課程的改進思路，首先闡述嵌入式軟件開發對C語言的知識和技能需求，指出現有C語言課程針對嵌入式系統開發存在的不足；在此基礎上，從課程設置、教學內容劃分、實驗設置及教學方法與手段等方面討論C語言程序設計課程的改革思路。

關鍵詞：嵌入式軟件開發；C語言；課程改革

0.引言

C語言程序設計作為程序設計語言的入門基礎課程，是各高校理工科專業中計算機程序設計類課程的普遍選擇。作為一門理工科通識課程，其目的在于使學生通過對C語言中各種語言成分的學習，初步認識計算機程序設計及進行程序設計的過程，掌握基本的程序設計思想與方法。作為通識類課程，目前各院校通常將該門課程的教學安排在一年級，每周3-4學時（含實驗），講授內容主要包含C語言的數據類型與表達式、程序結構、函數、指針、鏈表、文件等。在教學實踐中，我們發現，由于學時限制或學生接受程度等原因，常常需要對部分教學內容（如多級指針、文件操作、位操作等）進行削減，無形中降低了課程內容的深度與廣度。作為通識類課程，這樣的削減影響不太大。而對于信息類專業（計算機、電子、自動化等）而言，僅掌握通識教育中所講授的部分是遠遠不夠的。

嵌入式系統開發是信息類專業的一個主要發展方向。進入21世紀以來，融合先進的計算機技術、半導體技術、電子技術及各行業領域具體應用的嵌入式系統，已在工業控制、交通管理、信息家電、智能家居、環境監測、電子商務、機器人等領域得到了廣泛應用。

一般說來，嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可剪裁，適用于心用領域，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統。由于在成本、功耗、體積等方面的限制，對嵌入式系統中的軟件開發提出了更高的要求。嵌入式軟件開發是在特定的硬件平臺上進行，需要使用具有較強硬件操作能力的編程語言。由于C語言是具備了這一特質的高級語言，成為嵌入式系統開發的最佳選擇。

調查顯示，在信息類專業中，電子類本科專業教學計劃與嵌入式系統教學要求相脫節，電子類本科學生的軟件基礎也較弱。在這樣的背景下，對C語言程序設計課程進行相應改革，以適應嵌入式系統開發人才培養的需要是十分必要的。

1.嵌入式軟件開發對C語言的需求

在適用于嵌入式系統開發的3類主要語言中，C語言占有超過70%的份額。開發嵌入式軟件，除掌握C語言的基礎知識和基本技能外，主要還存在以下幾方面的要求：

1）指針。

指針作為C語言的主要特點，其使用十分靈活，因而也很難完全掌握。它可用于指向不同類型的普通變量、數組、字符串，甚至函數。在嵌入式軟件開發中對各類不同指針（數組指針、指針數組、指向結構體的指針、多級指針）的使用十分普遍。因此，指針相關內容的教學必須足夠深入。

2）位操作。

C語言有別于其他高級語言的一個特點是可直接對硬件進行操作。指針和位操作是這一特點得以實現的工具。通過6種位操作符，可直接對內存、寄存器或I/O端口的字節進行測試、置換或移位處理。熟練掌握位操作符的使用，是進行嵌入式軟件開發必不可少的重要基礎。在一些國內高校普遍選用的經典C語言教材（如文獻[4]）中，由于定位于普適教育，并未包含位操作部分的內容。

3）文件讀寫。

嵌入式系統中“一切皆文件”，系統的運行以文件讀/寫方式進行操作。理解文件系統的構成、掌握基本的文件操作方法也是進行嵌入式軟件開發必須掌握的技能。

4）宏定義。

在嵌入式軟件中使用宏定義，不僅可防止代碼出錯，提高可移植性、可讀性，而且是產生內嵌代碼的唯一方法，可用于替代函數調用，從而達到嵌入式系統性能要求。

以上4個方面的內容，在通識型的C語言課程中，由于課時和學生程度等原因，都不能進行針對性的特別訓練。學生在進入嵌入式系統開發階段后，顯然會成為程序設計知識方面的短板。

2.課程改革思路

基于上一節的認識，我們對C語言程序設計課程的教學提出了下面的調整思路。

2.1課程設置

作為通識課程的C語言程序設計通常安排在一年級或二年級上學期完成。信息類專業的學生在大學三年級開始進入嵌入式系統開發相關課程時，不可避免地對已學過的C語言的知識會有一定程度的遺忘。

針對嵌入式系統開發的要求，考慮將C語言程序設計課程劃分為2個階段。第1階段為c語言程序設計基礎，每周3學時，可在大學一年級下學期或二年級上學期開設；第2階段為嵌入式系統C語言程序設計，每周2學時，作為嵌入式系統開發方向的選修課，可在大學三年級上與其他嵌入式系統相關課程，如嵌入式系統、嵌入式操作系統一起開設。這樣設置一方面滿足了在低年級完成程序設計類通識課程的要求，使學生不必過早接觸C語言中較為深入、復雜的部分；另一方面，通過將與嵌入式軟件開發密切相關的知識適當推后，確保了嵌入式系統開發各門課程問的知識聯系。

2.2教學內容的劃分

由于將課程劃分為基礎部分和面向嵌入式系統開發的提高部分，則可將C語言的一般基礎（基本語句、控制結構、數組、函數、指針、結構體）劃人C語言程序設計基礎課程中，通過這部分的學習使學生掌握C語言的基本理論知識并具備基本的編程技能，達到程序設計類課程的通識教育水平。

對于與嵌入式開發密切相關的知識，將在嵌入式系統C語言程序設計課程中講授，主要包括：宏定義、位操作、文件操作和復雜指針運用。這部分內容的教學可圍繞嵌入式軟件開發實例展開，深入講解各知識點的應用。通過嵌入式系統C語言程序設計課程的學習，學生應更深入地理解和領會C語言的精華思想，同時具備基于嵌入式平臺進行軟件開發的能力。

2.3實驗內容endprint

任何程序設計語言的學習都離不開大量的實踐，實驗是學習C語言的重要組成部分。根據前面對課程的劃分，C語言程序設計基礎課程中可開設的實驗項目如表1所示。

實驗1在學習了C語言的數據類型、運算符、表達式和輸入/輸出之后進行，目的在于使學生熟悉C語言的編譯環境，逐步認識C語言語句的基本構成。實驗2涵蓋了程序的3種基本結構，便于學生統一認識關系、邏輯運算和程序結構。實驗3-6分別對應于數組、函數、指針和結構體各章節的內容，重點掌握這些語言成分的定義及使用方法。實驗7將綜合運用本課程中的知識，完成一個較小的、具備一定功能的小型軟件的開發。

嵌入式系統C語言程序設計課程的實驗內容則圍繞一個嵌入式軟件開發實例展開，實例由任課教師選定。根據所選實例，實驗內容可包含以下項目（如表2所示）。

實驗1的目的在于使學生熟悉嵌入式系統的軟件開發環境，主要介紹嵌入式Linux下的c語言編譯工具。實驗2-5則根據所選實例，選取特定的模塊有針對性地進行文件操作、宏定義、位運算及復雜指針運用方面的練習。

2.4教學方法與手段的調整

毋庸諱言，由于種種因素的影響，當前各高校中普遍存在學風怠惰現象，相當一部分學生學習積極性較低下。如何提升學生對所學課程的興趣，是每一名教師都要面對的問題。在多年的C語言程序設計課程教學過程中，我們接到學生的反饋意見最多的是“上課聽得懂，下來不會自己編程”。究其原因，大概不外乎兩種：一是學生盡管在課堂上聽了課，課下并未及時回顧整理并主動思考；二是在理論課堂上一講到底，學生要等到實驗課時才真正動手體會講過的知識，往往不能及時動手練習，進而影響消化吸收。針對第一種情況，我們采取了每一堂課以提問開始的方式，提問內容主要是對之前所學內容的回顧和脈絡梳理，同時還留出了一定的課堂練習時間，這樣能在一定程度上起到督促學生課下及時復習的作用，也便于教師及時了解學生的知識掌握情況。而對于第二種原因，可嘗試采取將理論課堂搬至機房的方式，在完成一個知識點的講授后布置即時練習，讓學生能及時體驗和理解。但當機房容量有限而班級較大時，并不適用，這樣的情形如何處理？需要我們進一步思考。

3.結語

嵌入式產品已遍及我們日常工作和生活中的各個方面，巨大的市場空間將吸引更多的專業人才投身于嵌入式系統開發的行業中。根據《2012-2013嵌入式工程師調查報告》，嵌入式企業的發展速度與專業人才的成長速度仍有一定差距，行業內專業研發工程師仍處于供不應求的狀態。在畢業生就業壓力日益增大的今天，高校的計算機、電子、自動化等相關專業的教師都在積極思考相應的課程和人才培養模式改革嵌入式系統研發工作中，軟件開發占80%以上的工作量，需要大量的嵌入式軟件開發人才。高校相關專業更應及時調整軟件設計類課程的設置，以適應嵌入式開發行業的人才需求。endprint