面向計算機專業的嵌入式系統設計金課建設研究

龍林波 劉人萍

（重慶郵電大學計算機科學與技術學院 重慶 400000）

1 背景

伴隨社會數字化、信息化與智能化的快速發展，嵌入式設備不斷與航天航空、國防軍事、工業制造、儀器儀表、辦公自動化、智能家居、智能交通、智慧城市與環境監測等眾多領域深度融合，成為物聯網、云計算、大數據及人工智能等應用技術的重要出入口及組成部分，是計算機行業發展的新趨勢與內在需求[1]。根據全球移動通信系統協會統計數據顯示，2020年全球物聯網市場規模達1.36萬億美元，其聯網的嵌入式設備數量高達126億，預計在2025年將達到246億。然而，嵌入式人才緊缺與嵌入式人才培養難的問題，也伴隨嵌入式應用的廣泛普及而愈加嚴重。根據2020年新基金產業人才發展報告，嵌入式軟件開發的CIER指數高達1.77，在所有技術崗位中排名前10。為此，打造嵌入式人才培養的金課，加快嵌入式人才的培養，助力國家新基建建設，已成為當前計算機技術發展的必然趨勢。

嵌入式系統設計是計算機專業培養嵌入式人才的關鍵課程，是以特定應用對象為中心，滿足特定功能、能耗、成本、可靠性等方面的需求，對計算機軟件、硬件進行裁剪的一系列技術[2]。目前，該課程的建設普遍存在以下幾個問題：（1）課程目標不明確，未體現學生具體能力的培養。（2）知識能力素質未能有機融合，難以支撐學生解決復雜工程問題的能力，不能有效體現課程的“高階性”。（3）嵌入式技術發展快，教材內容、課程內容以及教學形式陳舊，難以支撐學生的創新能力培養。（4）對于學生和教師，嵌入式課程極具挑戰，為此面向計算機專業的嵌入式系統設計課程，大部分集中于實時操作系統或者嵌入式軟件開發的介紹，降低了課程難度，導致該門課的挑戰度不足。綜上所述，把握實現嵌入式高質量人才培養的關鍵目標，針對嵌入式人才培養的核心課程“嵌入式系統設計”的課程目標不明確、高階性不明顯、創新性不夠、挑戰度低等不利因素，綜合考慮計算機專業學生的培養體系與課程背景等情況，論文進一步明確嵌入式系統設計金課建設目標，并設計課程的“兩性一度”，以此促進培養市場需求的嵌入式專業人才，助力數字化轉型、社會信息化建設、新興產業及新經濟的快速發展。

2 嵌入式系統設計金課建設目標

該課程的建設目標：一是保持基礎理論體系相對穩定的同時，注重課程內容的前沿性，始終保持對國際嵌入式系統研究發展的動向進行跟蹤（如FPGA、SOC、RSIC-V、3D Flash等前沿技術），有針對性地調整授課內容；二是要增強課程的應用性，知識點講授與主流嵌入式系統技術相結合。三是圍繞嵌入式系統設計和軟件開發，從開源嵌入式Linux程序設計到驅動程序開發，加強學生在嵌入式系統設計方面的綜合實踐能力；四是依據企業和市場發展要求，及時調整嵌入式系統方向和相應的課程內容，培養符合市場需求的嵌入式專業人才。五是課程思政，推進創新理論，提升育人質量，將課程設計、教案制作向人文素質、職業勝任力、社會責任感等多維度延伸。

培養學生的知識和能力要求如下：一是培養學生嵌入式系統設計的基本知識儲備，掌握嵌入式“軟件+系統+硬件”一體的知識體系，同時具備軟硬件協同設計的創新思維。二是能夠根據實際應用需求，裁剪嵌入式Linux內核、移植常用的bootloader、移植根文件系統、選擇合適的嵌入式文件系統，以實現嵌入式必要系統軟件的設計。三是運用工具的能力，能夠運用合適的編程工具，包括 GCC、GDB、MAKE工具等、交叉編譯環境、主從通信機制、交叉調試環境等，對嵌入式系統軟件進行開發。四是能夠把握嵌入式技術對信息行業發展的關鍵作用，及其對社會各行各業發展的重要意義，能夠運用先進存儲技術、低功耗設計、安全管理、創新能力等方法與技術提升工程質量，在工程實踐中自覺遵守規范；五是團隊協作能力，能夠根據嵌入式實際的應用需求，結合嵌入式開發過程中的任務類別及開發角色，團隊協同完成小型的嵌入式實踐項目。

3 嵌入式系統設計金課的“兩性一度”設計

立足于計算機專業的嵌入式系統設計課程，梳理和探究先進課程內容與創新教學模式，進行金課建設的“兩性一度”設計，充分實現嵌入式設計課程的高階性、創新性與挑戰度。

3.1 嵌入式系統設計課程的高階性分析與設計

傳統的課程內容設計未與計算機專業的其它專業課程有機結合，以典型操作系統UCOS、RTOS或其它嵌入式Linux系統為例的一門操作系統實踐課程，涉及內容單一、知識體系匱乏、知識片面，無法培養學生解決嵌入式領域實際的復雜工程問題。具體改進措施：（1）深入計算機專業的知識體系，結合專業的培養目標與能力要求，并以此為基礎進行嵌入式領域知識延伸，實現課程內容的高階性，同時以專業培養方案的復雜工程能力培養向嵌入式領域的復雜工程能力延伸。（2）創新教學方法，以計算機專業的操作系統、計算機網絡、組成原理、編譯原理為基礎，采用專題化、研討式教學模式，立足于專業知識逐漸接入嵌入式領域的知識點。

3.2 嵌入式系統設計課程的創新性分析與設計

根據嵌入式設備的特定應用對象，嵌入式工程師進行軟件、硬件、系統的定制化開發，涉及的工作內容本身需要創新設計思維。然而，傳統的課程教學內容固定、教學方法單一，難以充分調動學生的創新思維。同時，課程內容的陳舊，無法匹配嵌入式技術的快速發展，進一步阻礙了學生的創新能力培養。具體改進措施：（1）新的教學內容。每學期定期更新授課內容，圍繞嵌入式日新月異的技術發展進行分析總結，讓學生掌握最新的知識。（2）新的思維方式。嵌入式領域知識面廣泛，課程更多的體現思維方式的新，傳統固定答案的課后習題替換為無固定答案的思考題，讓學生充分調動能動性去思考嵌入式技術的發展。（3）新的課內外實踐方式。充分調動學生課內課外時間，設置開放的實踐課題供學生自主選擇，實現課內輔導課外完成為主。

3.3 嵌入式系統設計課程的挑戰度分析與設計

嵌入式系統涉及的知識面廣，課程本身極具挑戰性。但是，為了更好的讓學生理解，早期大部分嵌入式系統設計課程都進行了簡化，集中于嵌入式系統層面或者嵌入式軟件開發層面的講解，裁剪了大部分重要知識，在降低挑戰性的同時也降低了對學生的能力培養。具體改進措施：（1）充分考慮計算機專業的培養方案，以早期的學習課程為基礎，進一步延伸到嵌入式領域，形成嵌入式的一體化知識體系，提高課程挑戰度的同時將課程難度與整個專業培養方案有機結合。（2）實踐課程受限于時間，以至于降低實踐內容的挑戰度，將課內實踐的時間延伸到課外，充分利用學生學習時間，完成有難度的實踐內容。

4 結語

論文結合嵌入式人才需求的能力要求，圍繞計算機專業的嵌入式系統設計課程，梳理了該金課建設的目標，同時把握金課“兩性一度”的關鍵，對課程高階性、創新性、挑戰度進行了現狀分析與設計，為本門課程金課建設提供參考。然而，嵌入式人才的培養還需要更多的教學資料、實踐資源、創新教學理念的支撐，我們將在后期工作進一步細化與豐富，以此促進嵌入式人才的培養，助力嵌入式行業的快速發展。