應用型嵌入式系統人才培養模式研究與實踐

張曉東, 盧 濤, 曹 毅, 王艷芳

(河南工業大學 電氣工程學院, 河南 鄭州 450007)

1 嵌入式系統課程的特點

嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可裁剪,對功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴格要求的專用計算機系統[1]。何立民教授曾將嵌入式系統定義為嵌入到對象體系內部的專用計算機系統,其本質涵蓋了嵌入性、專用性和計算機系統3個重要因素[2]。嵌入式系統的設計與開發技術融合了傳統的計算機軟、硬件設計技術,主要涉及嵌入式系統設計原理及方法,已經成為后PC時代電子工程技術人員必備的專業技能之一[3]。

近年來,隨著智能手機、數碼設備等消費電子產品的快速發展以及嵌入式系統技術在儀器儀表、網絡通訊、航空航天、國防軍事、醫療設備、汽車電子等行業的廣泛應用,嵌入式系統設計與開發已經成為當前IT行業最熱門的研究領域之一[4-5]。作為一門以正在快速發展中的新技術為應用背景的高校新興課程,其主要授課目的是使學生了解嵌入式系統的體系組成和基本原理,學習ARM體系結構和軟硬件設計的基本方法,掌握嵌入式系統的具體開發流程,培養學生解決嵌入式系統實際應用問題的綜合創新能力和實踐動手能力,為后續實踐嵌入式系統項目開發奠定良好的基礎。

2 教學存在的主要問題

我校是一所以培養“基礎扎實,適應性強,具有創新精神和實踐能力的高素質應用型人才”為培養目標的行業特色院校。具體到我院的“嵌入式系統”課程,其知識體系涉及到了電子、通信、自動化、計算機等多個專業領域的基礎知識。要求主講教師專業知識面寬廣,課堂內容講授難度較大。同時,作為高年級學生的專業課程,其先修基礎課程包括“微機原理與接口”“計算機組成原理”“電路原理”“單片機技術”“計算機網絡”“操作系統”“程序設計”“數據結構”等,對選課學生的綜合學習能力要求較高[6]。

嵌入式系統技術的飛速發展帶來了巨大的市場潛力和廣闊的用人需求,但我國高校嵌入式系統系列課程教育的起步時間較晚,當前嵌入式系統人才培養模式相對滯后,授課內容對嵌入式系統最新研發技術的更新時延性較大。部分高校嵌入式系統課程存在授課知識體系陳舊、實驗條件不完善、嵌入式專業教師缺乏工程背景等問題。受制于實驗室硬件條件的限制,通常較為注重理論知識的傳授而忽略了對學生實踐環節的設計與指導。課堂實驗大多屬于演示性、驗證性實驗,缺乏綜合性、設計性實驗的鍛煉。導致培養嵌入式系統方向的畢業生專業知識薄弱、動手能力較差,已經無法適應各大研發企業的實際用人需要[7]。如何緊跟嵌入式系統技術的快速發展腳步,培養符合用人市場實際需求的應用型嵌入式系統高素質人才,已經成為吸引各大高校嵌入式系統相關專業聚焦的熱門課題[8]。

3 加強教改研究,踐行應用型嵌入式系統高素質人才培養

3.1 嵌入式系統教學平臺的選擇

嵌入式系統教學平臺是整個嵌入式系統理論課程與實驗教學的基礎。選擇一款適合學生的ARM嵌入式系統教學平臺,在后期的教學實踐環節中可以起到事半功倍的效果[9]。在綜合比較目前市場上常見的嵌入式系統實驗箱和開發板之后,從接口豐富程度、易操作性、可擴展性、廠商售后支持力度等幾個因素出發,選擇了北京博創智聯UP-NETARM2410、UP-CUP2440等系列的模塊化教學科研平臺。這些平臺以通用的三星S3C2410或S3C2440微處理器為核心,外部接口及平臺軟、硬件資源較為豐富，方便移植Linux、μC/OS II、WinCE等多種嵌入式操作系統,可擴展CAN總線、USB攝像頭、紅外對射、溫濕度傳感器、霍爾開關、廣譜氣體傳感器、紅外通信、GPS/GPRS等多種模塊，既可以滿足大部分學生學習嵌入式系統軟、硬件基礎知識的基本需求,又可以方便后續開放實驗、課程設計、創新設計、畢業設計等多個教學實踐環節的開展。

3.2 課堂教學模式改革

嵌入式系統以用戶應用為中心,實用性與創新性設計決定了所設計開發的嵌入式產品的市場價值[10]。培養學生的自主創新能力和解決實際應用問題的能力,是本課程的側重點之一。為此,在理順嵌入式系統相關理論基礎知識教學思路的同時,嘗試增加課堂演示實驗學時的比重,增強了學生的學習興趣。此外,重點引入項目教學法,加強了對學生綜合性、設計性、團隊合作實踐項目的訓練。項目教學法就是以嵌入式系統小型實際工程應用項目為例,教師按照真實項目的運行需求設計整個教學實驗過程。要求學生以小組形式完成整個課題的設計,了解項目的設計過程和運作要求,掌握嵌入式系統軟、硬件的具體設計步驟與方法。小組成員根據自己的特點和技術擅長進行項目分工協作,開發過程中對遇到的問題可以進行團隊交流協商,最終團隊共同完成整個項目的設計報告并進行課堂演示答辯。

3.3 課程精品教材建設

在授課過程中,需要將理論知識與科研及工程實踐項目有機地結合起來[11]。傳統的嵌入式系統課程教材注重理論知識的講授,主要章節缺乏配套的動手實例介紹。在歷屆授課過程中,嵌入式系統教學團隊迫切需要一本能密切結合我校教學實際的應用型精品教材。在試用自編校內講義和總結多年教學實踐經驗的基礎上,嵌入式系統實驗室組織經驗豐富的團隊教師新編寫了《嵌入式系統設計》教材,并已經成功入選普通高等教育電氣工程與自動化(應用型)“十二五”規劃教材,其具體內容安排如表1所示。

表1 《嵌入式系統設計》新教材的內容安排

在該教材中,以嵌入式系統設計與應用開發為基礎,注重實踐應用。在介紹完每個章節的理論知識以后,主要章節都配套了相應的動手實例講解。特別是在最后一章 “嵌入式系統的工程開發實例”中,著重介紹了幾個嵌入式系統應用開發實例。這些實例絕大部分來自于課程組教師的縱向科研課題或橫向工程項目,具有較強的實踐代表性和工程應用背景。該教材由機械工業出版社順利出版之后,在我校嵌入式系統系列課程上進行了多次試用,獲得了學生與讀者良好的反饋。

3.4 增強師生之間的互動交流

在嵌入式系統課程學習過程中,學生隨時會有各種疑問需要解答。特別是在課后學生進行嵌入式系統綜合性、設計性項目開發過程中,隨時都可能遇到形形色色的各種小問題。甚至一個簡單的軟件參數設置問題,學生就有可能卡在那里,許久找不到答案,影響整個項目后續開發步驟的實施[12]。此時，如果教師能盡快回應學生提出的疑問,無疑會提高學生學習嵌入式系統系列課程的效率。

為了增強師生之間的實時互動交流,嵌入式系統實驗室建立了師生互動交流學習QQ群。由于智能手機的廣泛普及,學生已經人手1機。在實驗課前,教師可以將課堂實驗講義、課件、程序包等資料提前發到QQ群中,供學生下載預習。在每堂課之后,師生可以及時在QQ群中討論今天的課堂內容和授課效果,便于教師對班級的整體學習情況進行把握,方便教師對后續課程的進度和難度進行微調。在整個嵌入式系統課外學習過程中,學生也可以利用QQ手機在線模式,隨時隨地在QQ群里提出問題,與教師進行實時互動交流。

3.5 校企合作,以賽促學

嵌入式系統技術以應用為中心,特別注重學生實踐動手能力的培養。在學習嵌入式系統課程過程中,必須進一步深化實踐教學改革,鍛煉學生解決工程綜合問題的實際動手能力,培養符合企業用人需求的“訂單式”人才[13]。為此,我校電氣工程學院在2015年暑期與浙江大學華嵌信息技術有限公司聯合舉辦了“樂馬營”嵌入式培訓班；近年來,也一直與深圳信盈達電子有限公司保持校企合作,聯合舉辦了多期嵌入式ARM培訓班。其培訓內容涵蓋了Linux嵌入式操作系統、C語言、ARM體系結構及應用等嵌入式開發技術的主要組成部分。經過校企聯合培訓,為低年級學生后續進行嵌入式系統方向的課程設計、創新設計和畢業設計等實踐環節打下了堅實的基礎。部分面臨畢業的大四學生在接受這些專業的校企聯合強化訓練之后,甚至被培訓企業直接推薦到深圳、杭州等地的嵌入式相關行業的知名企業去工作,薪酬遠遠領先于我院同屆畢業生的平均工資水平。該現象反映了目前嵌入式系統技術研發崗位用人需求的火爆程度,同時也驗證了校企聯合培訓對培養嵌入式系統高素質應用型人才的重要性。

此外,大學生學科競賽與科技競賽也是激發學生學習興趣,培養學生頑強拼搏的精神、自學能力和團隊協作能力的重要途徑。電氣工程學院于2017年舉辦了河南工業大學第一屆單片機設計專業競賽，與杭州哲嘉科技有限公司聯合舉辦了2017年首屆“哲嘉杯”河南省大學生物聯網和嵌入式設計大賽，每年組織學生參加教育部倡導的全國大學生電子設計競賽。我院取得的眾多競賽優秀成績表明,大學生科技競賽充分調動了廣大學生學習嵌入式系統的熱情,為我院培養應用型高素質嵌入式系統人才踐行了一條較為成功的改革之路。

4 結語

我院嵌入式系統實驗室自2006年籌建以來,人才培養模式及開設的嵌入式系統系列課程就處在不斷的改革實踐與完善過程中。通過師生10多年的不懈努力,實驗室已經逐漸走上了嵌入式系統專業課—課程設計—開放實驗室—創新設計—大學生科技競賽—畢業設計的良性循環,培養并增強了大學生的創新精神與實踐動手能力,為用人企業輸送了一大批高素質的嵌入式系統應用型技術人才。

在下一步的“應用型”嵌入式系統人才培養模式改革中,我院將統籌規劃、突出重點,積極配合我校工程教育認證和本科教學工作審核評估,進一步優化嵌入式系統課程教學大綱和理論講授內容,并繼續完善該課程的實踐教學體系建設和實驗教材建設。