基于嵌入式系統(tǒng)課程特質的系統(tǒng)化思維與能力培養(yǎng)

張凱龍

（西北工業(yè)大學 計算機學院,陜西 西安 710129）

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術的快速發(fā)展推動了諸多行業(yè)從數(shù)字化、網(wǎng)絡化階段快速邁向物聯(lián)化、智能化階段，多學科知識交叉、人機物深度互聯(lián)、信息與物理世界深度融合的萬物智聯(lián)時代已經(jīng)到來。嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展為幾乎所有的電子設備行業(yè)注入了新的活力，在推動諸多傳統(tǒng)行業(yè)日益智能化升級發(fā)展的同時，可穿戴設備、智能家居及各類共享裝備等基于嵌入式系統(tǒng)技術的新興領域和行業(yè)也在不斷涌現(xiàn)。這一趨勢孕育出了巨大的潛在產(chǎn)業(yè)空間，也對專業(yè)人才提出了更多數(shù)量、更優(yōu)品質的迫切需求。

面對不斷演化的新特征和新需求，嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的內涵也在不斷發(fā)展與更新，那么，如何適應新形勢來組織嵌入式課程知識體系和教學模式已經(jīng)引起了高校與廣大教師的關注：文獻[1]研究探討了在電子信息類專業(yè)開展嵌入式系統(tǒng)教學改革的思路，并結合人才需要探索將嵌入式系統(tǒng)貫穿到整個課程培養(yǎng)體系的方法和模式；文獻[2]面向卓越人才培養(yǎng)特點，提出了一種具有明確教學目標、先進教學理念、教學評價激勵機制，且可以有效優(yōu)化教學方法、提升教學質量和教學效果的教學模式，期望促進嵌入式系統(tǒng)教學體系的完善；文獻[3]則圍繞培養(yǎng)面向實踐創(chuàng)新人才的目標，探索了課程教學環(huán)節(jié)及實踐模式的改革方法；文獻[4]結合面向系統(tǒng)的教學體系特點，探討了如何通過教學與實驗使學生能夠將計算機軟硬件系統(tǒng)相關知識融會貫通，并提高學生深入理解計算機系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)設計能力的方法；文獻[5]也圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)對嵌入式系統(tǒng)課程的建設思路進行了探索，分別改進了理論教學與實驗教學部分的內容設計與組織模式；文獻[6-7]圍繞系統(tǒng)化思維與能力培養(yǎng)，對嵌入式系統(tǒng)課程的知識體系的重構進行了探索。這些研究工作已經(jīng)從面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的知識體系、教學模式、實踐環(huán)節(jié)等方面進行了積極實踐，為開展更進一步的探索奠定了好的基礎。

1 知識體系的系統(tǒng)化特質

1.1 嵌入式系統(tǒng)知識體系分析

梳理、構建多維融合的嵌入式系統(tǒng)知識體系是開展系統(tǒng)化思維與能力培養(yǎng)的重要前提。從系統(tǒng)角度來看，嵌入式系統(tǒng)的知識涵蓋了硬件、軟件、開發(fā)三個主要組成部分，其知識體系組織要以硬件組成與構建、軟件組成與構建，以及開發(fā)中的調試、測試與仿真等內容為核心體系。從計算系統(tǒng)角度來看，嵌入式系統(tǒng)以計算機技術為基礎，呈現(xiàn)出面向特定應用、軟硬件可定制且具有非功能性約束等特征，是專用的計算裝置。從形態(tài)來看，嵌入式系統(tǒng)由不同復雜程度的軟硬件構成：電動玩具、冰箱空調中的控制系統(tǒng)以功能較為簡單的微控制器為核心，直接部署用于邏輯運算和I/O 控制的裸機軟件；對于智能手機、數(shù)字電視等功能更為復雜且需要多任務并發(fā)服務的嵌入式應用，其嵌入式系統(tǒng)通常會采用更為強大的嵌入式處理器，并基于嵌入式操作系統(tǒng)來部署復雜的應用軟件；對于虛擬現(xiàn)實、智能駕駛、航空航天等復雜領域應用，則可能需要構建分布式或并行架構的嵌入式系統(tǒng)。顯然，嵌入式系統(tǒng)不同于架構較為單一的通用計算系統(tǒng)，其技術本身以及應用都是形態(tài)多樣、不斷演化的。

作為一門強調“系統(tǒng)”的課程，嵌入式系統(tǒng)的知識體系具有高度綜合的系統(tǒng)化特質，可結合嵌入式系統(tǒng)的軟硬件組成來進行討論：首先，嵌入式系統(tǒng)硬件本身的知識體系覆蓋就非常廣泛，涵蓋了電路設計基礎、數(shù)字電路、計算機組成與體系結構、總線與接口以及處理器體系、存儲機制與組件、基于最小系統(tǒng)的設計與調試等；其次，嵌入式軟件部分具有與硬件密切關聯(lián)且同樣龐大的知識體系，僅系統(tǒng)軟件（包）而言，就涉及ROM Monitor（監(jiān)控程序固件）、Boot Loader、BSP、嵌入式（實時）操作系統(tǒng)、驅動軟件、通信協(xié)議棧、圖形庫、數(shù)據(jù)庫及中間件等多類組件，這些軟件組件在開發(fā)或者系統(tǒng)引導、啟動的過程中彼此關聯(lián)；最后，嵌入式系統(tǒng)還包括了開發(fā)、集成、調試、測試與部署等相關的知識。由此可見，嵌入式系統(tǒng)課程的知識體系高度綜合，必須要首先構建起縱向連通、橫向拓展、深度穿透的多維、立體知識體系，這是進行系統(tǒng)化思維和能力培養(yǎng)的基石。

1.2 以系統(tǒng)化方法構建課程內容和教學過程

除了知識構成上的綜合化特質之外，這些知識點之間還具有密切的系統(tǒng)化關聯(lián)特性，該特性的發(fā)掘可以有效促進學生對所學內容的融通掌握，這涉及課程內容的構建和教學過程的重新設計。

對于嵌入式系統(tǒng)課程如此龐大的知識體系，傳統(tǒng)的教學方式存在不足。經(jīng)過多年的教學探索，筆者認為其內容組織首要的是深度發(fā)掘知識點之間的內在聯(lián)系，以循序漸進的邏輯組織建立起知識網(wǎng)絡或者是知識樹，這是避免知識點割裂對課程系統(tǒng)特質造成破壞的重要前提，如復位電路、處理器復位邏輯與系統(tǒng)引導、軟件加載的關聯(lián)，電源電路、時鐘電路與低功耗管理的關聯(lián)，監(jiān)控程序、引導程序、操作系統(tǒng)、虛擬機之間的關聯(lián)等。在此基礎上，還必須建立呼應式的教學過程，要注意以特定軟硬件運行過程為例進行講述，從而實現(xiàn)知識點的融通，如通過分析嵌入式系統(tǒng)引導過程，就可以生動地將上電復位、ROM/Flash 指令尋址、基本的接口與內存初始化、引導代碼加載，以及監(jiān)控程序、引導程序到操作系統(tǒng)的增量式接口驅動、內存模式配置以及軟件組件等知識點有機地串聯(lián)起來。在教學實踐中，學生普遍反映這樣的方式更為生動，更有助于對知識體系的掌握。

當然，嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才最終是必須要具備將嵌入式系統(tǒng)的知識體系與領域知識相融合的能力。相較而言，這是一種更為廣義的系統(tǒng)化能力，在課程教學過程中有必要對學生進行引導和啟發(fā)。

2 強調思想學習的系統(tǒng)思維培養(yǎng)

嵌入式系統(tǒng)是典型的工科、技術型課程，對該課程的學習要側重于對各種技術的運用，但這種技術型教學模式會產(chǎn)生無法有效激發(fā)學生主動思考、主動學習等問題，造成課程培養(yǎng)能力的浪費，根本上也已不適應強調專業(yè)思維和系統(tǒng)能力的高水平專業(yè)人才培養(yǎng)新要求。嵌入式系統(tǒng)課程的課堂到底應該突出什么主題、以什么為核心思想進行組織呢？在多年的教學嘗試和探索中，筆者發(fā)現(xiàn)有必要將該課程的教學從講授技術向傳授思想方法轉型。主要原因有3 個：①嵌入式系統(tǒng)不斷發(fā)展，基礎技術不再是新概念、新事物，已演化為共性基礎；②嵌入式系統(tǒng)技術體系形態(tài)多樣、千變萬化，聚焦任何具體技術都無法有效達成系統(tǒng)化思維與能力的培養(yǎng)要求；③各種教材、手冊及技術類電子資源日益豐富，學生完全可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取資源并自學，比有限課時內的講述更透徹、更生動、更有效。

嵌入式系統(tǒng)的知識體系包羅萬象，從軟硬件體系架構到處理器、存儲器、各類接口與總線、嵌入式操作系統(tǒng)與軟件組件、領域應用都是百花齊放的，每一個點都自成體系、可成為一門課程，講什么、怎么講就成為嵌入式系統(tǒng)課程教學過程中長期存在的困惑。常見的課程組織有兩種典型方式。一種是“只見樹木、不見森林”型，其課程體系聚焦于特定的對象，如某種主流的ARM 處理器或是VxWorks 操作系統(tǒng)等。這種類型的課程偏向實用型，可以讓學生學習掌握該類技術的體系、細節(jié)和使用方法，但難免陷入一葉障目、照本宣科的情形。另一種是“只見森林、不見樹木”型，其課程是以嵌入式系統(tǒng)體系為框架進行組織，這種課程體系表面上看是貫穿了系統(tǒng)思維培養(yǎng)，但實際上要在有限的篇幅內做到體系完善且具有深度是有難度的，常常會導致課程講授流于表面、內容空洞的問題。在對這些問題進行深入探索和研究的基礎上，筆者總結并提出：嵌入式系統(tǒng)課程的教學必須在構建體系的前提下將技術原理與思想方法、課內講授與課外自學有機結合起來，這是適應新時期培養(yǎng)要求的有效途徑。

2.1 從技術原理中提煉思想方法

經(jīng)過多年的探索和驗證，筆者認為先共性模型后具體對象是解決嵌入式系統(tǒng)因形態(tài)多元導致本課程教學難度大問題的有效方法。在教學過程中，要避免將注意力聚焦在每一個具體技術的表面（如接口定義、參數(shù)范圍、調用方法等內容），而是要相信學生的能力，力爭直達知識點的原理和思想本質（如嵌入式處理器體系有諸多類型，每種類型又包含了數(shù)十上百種具體型號），這對以物言物的傳統(tǒng)教學方法實在是個難題。筆者在重構知識體系的過程中[7]，便是采用了共性模型歸納、具體示例呼應的方式來組織該部分內容。從模型講，可以歸納出嵌入式處理器的組成模型、體系架構以及指令與指令集、寄存器等共性內容，在此基礎上，采用典型實例將這些模型具體化，促進學生的理解和掌握。實際上，嵌入式操作系統(tǒng)等內容的學習也與之類似。當然，這其中也蘊含了學生如何有效進行課程學習的思路和方法。又如，學習看門狗電路是學習如何設計具有自恢復能力的可靠系統(tǒng)，而不僅是采用器件來搭建看門狗電路。由此，可以將看門狗思想延伸至可靠復雜軟硬件的設計，用諸如心跳任務來實現(xiàn)與/或邏輯的多任務可靠管理等。學習嵌入式操作系統(tǒng)的分區(qū)存儲管理技術應重點學習面向確定型應用提前分配資源，用資源開銷來提升系統(tǒng)的效率和可靠性，而不應僅是學習如何調用API來創(chuàng)建、分配、回收、銷毀分區(qū)。基于分區(qū)管理思想，我們就可以設計類似的任務生命期管理機制，避免傳統(tǒng)方式下創(chuàng)建、銷毀任務造成的效率降低和可能出現(xiàn)的邏輯錯誤。再如，優(yōu)先級繼承是解決多任務系統(tǒng)中優(yōu)先級翻轉問題的有效方法，但其思想對于物理世界中的某些場景也是同樣有效的，如用以解決救護車、公交車、私家車等不同緊急級別車輛的通行調度問題[8]。這樣的示例在嵌入式系統(tǒng)知識體系中極為豐富，需要我們在教學中不斷研究和發(fā)掘，進而通過思想的學習來充分放大這些知識的效用。

2.2 思想講授與方法自學相結合

顯然，聚焦思想的講授能有效放大課程學習的效能，但接下來的問題在于，如果課程的教學僅限于課堂且僅限于教師在課堂的理論講授，嵌入式系統(tǒng)的教學將可能脫離實際，是無法有效激活學生積極性并落地的。為了進一步提升系統(tǒng)思維與能力培養(yǎng)的效果，筆者探索了思想講授與方法自學相結合的教學組織模式。實際上，這種課內學時、課外學時相結合并非一個全新模式。在教學探索中，筆者結合嵌入式系統(tǒng)課程的知識體系特點及系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標對該模式進行了定制化改進，課內聚焦思想原理、課外側重運用方法。這主要包括兩個方面：①基于構建的多維知識體系，梳理各知識點的思想、方法、運用內涵，并對學習側重點進行有效分割；②在課堂講授思想方法的同時，要引入實例來引導學生主動學習的意識，并通過課后自學來全面掌握運用方法，如“搭積木”式的硬件、軟件設計思想，讓學生掌握了框架設計及關鍵技術的原理，但如何將技術“填充”到框架中以形成系統(tǒng)，則需要學生在課外投入大量的精力進行鉆研。

近年來的教學反饋表明，學生普遍反映改革后的嵌入式系統(tǒng)課程學習耗時間、“負擔”重，但同時也反映學習本課程的收益較之前更大。這說明，這一方法的大趨勢是正確的，值得繼續(xù)探索和優(yōu)化。

3 突出多維實踐的系統(tǒng)能力培養(yǎng)

在探索中，筆者圍繞系統(tǒng)化思維與能力培養(yǎng)的需要對嵌入式系統(tǒng)課程的內容組織、教學模式進行了改革和優(yōu)化，但本質上，該培養(yǎng)環(huán)節(jié)中仍然不能弱化其工科特色。也就是說，課程的落地最終還要依托于實踐環(huán)節(jié)來實現(xiàn)專業(yè)能力培養(yǎng)的落地。配合課程教學模式的改革，筆者在教學過程中探索了面向激發(fā)學生主動學習興趣、系統(tǒng)能力培養(yǎng)以及分類能力提升的多維融合實踐體系。首先，在課堂上引入了豐富的科研、工程案例分析，既有助于知識點從抽象到具體的生動轉化，也有助于引導、激發(fā)學生的學習興趣，可以說，脫離實例的理論講授不適合嵌入式系統(tǒng)課程的教學。其次，設立了隨課設計這一實踐環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可看作是課后作業(yè)的一種，貫穿整個教學過程。隨課設計環(huán)節(jié)要求學生在課程之初就進行分組并選定一個“難度不大但體系完整的系統(tǒng)設計”作為選題。在課程進行中，以“從最小系統(tǒng)做起、循序漸進”的方式增量地將所學內容融入系統(tǒng)設計。這種模式可有效激發(fā)學生課外學習的主動性，促進基礎知識和方法的掌握。最后，課程后期的綜合實驗環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)以專業(yè)實驗平臺為基礎，支持學生進行更為復雜的軟硬件系統(tǒng)性實驗，側重于基于復雜嵌入式軟件的資源訪問、機制運用、邏輯算法、用戶界面等設計。到此為止，這3 個融合的實驗環(huán)節(jié)可以滿足對嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才實踐化培養(yǎng)的要求。另外，作為課外培養(yǎng)的延伸，鼓勵、指導優(yōu)秀學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)設計大賽等專業(yè)競賽，同時鼓勵學生進一步發(fā)表學術論文并申報國家專利等，這些措施可以啟發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與系統(tǒng)能力。實踐表明，這種方式可以有效拓展優(yōu)秀學生品質培養(yǎng)的維度，也為其后續(xù)開展研究工作奠定了好的基礎。

4 結 語

在多科交叉融合發(fā)展、新興領域層出不窮的萬物智聯(lián)新時期，高水平研究型大學的計算機人才培養(yǎng)呈現(xiàn)出顯著的復合型、系統(tǒng)化需求。作為一門共性基礎課程，嵌入式系統(tǒng)天然具備系統(tǒng)化思維與能力培養(yǎng)的特質。在分析嵌入式系統(tǒng)課程特點的基礎上，通過重構嵌入式系統(tǒng)知識體系、改革教學模式以及強調思想方法的學習和優(yōu)化實踐體系的多個維度來進行專業(yè)人才培養(yǎng)，這一探索經(jīng)過了教學實踐的檢驗并已取得好的效果。當然，萬事萬物不斷演化，嵌入式系統(tǒng)教學及人才培養(yǎng)必然仍然需要持續(xù)探索和研究，我們將在未來的人才培養(yǎng)工作中不斷進行改革和優(yōu)化。