面向新工科的“國產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)模式探索與實踐

徐 燕，宋燕星*，陳 蕾，葉騏寧

（1.北京物資學(xué)院，北京 101149；2.龍芯中科技術(shù)股份有限公司，北京 100089）

0 緒論

我國經(jīng)濟(jì)整體已由粗放型發(fā)展向高質(zhì)量精細(xì)化發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，國家頂層設(shè)計不斷地調(diào)整經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、淘汰落后產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展和扶持新興產(chǎn)業(yè)以應(yīng)對全球高技術(shù)競爭[1-3]。目前國際形勢復(fù)雜，一些科學(xué)技術(shù)瓶頸問題更加凸顯，“卡脖子”技術(shù)亟待突破和解決[4]。基于此背景，國家提出了建設(shè)新工科戰(zhàn)略，以培養(yǎng)服務(wù)國家戰(zhàn)略需求、支撐新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展、引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級、迎接未來科學(xué)發(fā)展的創(chuàng)新型復(fù)合型工程技術(shù)人才，從而應(yīng)對新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)激烈競爭態(tài)勢[3]。

為了能夠更好地推進(jìn)“新工科”戰(zhàn)略的實施，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，探索如何有效地將工科課程與國家社會實際需求相結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才十分重要。

“嵌入式系統(tǒng)”課程是一門典型的工科專業(yè)課程。兼具理論性和實用性，綜合應(yīng)用性強(qiáng)，軟、硬件的結(jié)合性較強(qiáng)[5-7]。其主要講授嵌入式系統(tǒng)的組成和基本原理，闡述嵌入式主流硬件體系結(jié)構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng)，闡明嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一般原理和方法以及嵌入式系統(tǒng)的綜合開發(fā)應(yīng)用，為后續(xù)學(xué)習(xí)與工作中解決復(fù)雜電子信息與通信工程中嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)問題打下良好的基礎(chǔ)[7-9]。

目前我國嵌入式系統(tǒng)課程存在主流軟硬件平臺以國外軟硬件教學(xué)平臺為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程之后，只能在國外主流軟硬件平臺上進(jìn)行嵌入式開發(fā)，難以滿足國產(chǎn)化信息產(chǎn)業(yè)鏈對工程技術(shù)人才的需求。為了能夠更好地培養(yǎng)服務(wù)國家戰(zhàn)略需要，滿足社會實際需求的應(yīng)用型人才，北京物資學(xué)院與龍芯中科技術(shù)股份有限公司共同簽署自主化軟硬件應(yīng)用人才培養(yǎng)基地合作框架協(xié)議，按照“密切聯(lián)合、資源共享、優(yōu)勢互補、合作共贏”的原則，通過深化辦學(xué)體制機(jī)制改革，采取深度合作共建模式，籌建“自主化軟硬件應(yīng)用人才培養(yǎng)基地”，對準(zhǔn)具體產(chǎn)業(yè)實際需求，在學(xué)生培養(yǎng)、師資培養(yǎng)、教學(xué)資源建設(shè)、實驗室建設(shè)、科學(xué)研究、社會服務(wù)等方面探索產(chǎn)教研融合的有效途徑。在此背景下，北京物資學(xué)院開設(shè)《國產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實訓(xùn)》課程，該課程以龍芯系列開發(fā)板為硬件平臺，通過軟硬件相結(jié)合的設(shè)計與實際操作加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的綜合理解、應(yīng)用及工程實踐能力，旨在培養(yǎng)滿足自主先進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品的應(yīng)用型人才，同時了解國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展的艱難歷程，了解現(xiàn)階段我國國情，增強(qiáng)學(xué)生的愛國意識和民族自信心。

1 國產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)

該課程是一門綜合性、實踐性強(qiáng)的專業(yè)課程，面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生，課程實踐平臺基于龍芯嵌入式開發(fā)板。在課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定上，能夠準(zhǔn)確根據(jù)國產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)對應(yīng)用型人才的需求，結(jié)合學(xué)生的前期理論與實踐基礎(chǔ)，通過由易至難、由淺入深的重點內(nèi)容回顧與講解、實際演示、學(xué)生動手實踐、綜合實驗設(shè)計與實踐，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、積極性、互動性、合作性，加深學(xué)生對核心內(nèi)容的理解與靈活應(yīng)用，提高學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)符合國家和社會需求的應(yīng)用型人才。

課程教學(xué)目標(biāo)如下：

課程目標(biāo)1：掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念和原理，了解國產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程，能夠運用龍芯新列開發(fā)板及其軟硬件開發(fā)工具對物聯(lián)網(wǎng)工程問題的解決途徑進(jìn)行分析和改進(jìn)。

課程目標(biāo)2：掌握嵌入式系統(tǒng)分析方法，能夠分析嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和實施過程中的關(guān)鍵影響因素，并能夠?qū)で蠛侠淼脑O(shè)計方案。

課程目標(biāo)3：參與課堂小組活動，明確任務(wù)分工，能夠以團(tuán)隊協(xié)作的形式共同完成嵌入式系統(tǒng)實驗內(nèi)容的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 課程教學(xué)目標(biāo)與考核內(nèi)容及方式的對應(yīng)關(guān)系

2.1 針對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)1

引導(dǎo)學(xué)生加深掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念與基本原理，并具備基于龍芯開發(fā)板進(jìn)行硬件和軟件的分析與設(shè)計的基礎(chǔ)。考核的具體內(nèi)容：（1）嵌入式系統(tǒng)基本概念、組成和基本原理；（2）嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢；（3）嵌入式Linux文件系統(tǒng)、Linux常用操作命令和文本編輯器等；（4）龍芯CPU代表性產(chǎn)品型號、特點及應(yīng)用領(lǐng)域；（5）龍芯開發(fā)板硬件資源、啟動流程、交叉編譯方式。

考核方式：課堂操作性、演示性實驗，結(jié)課報告。

2.2 針對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)2

引導(dǎo)學(xué)生掌握龍芯嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的意識，增強(qiáng)其不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

考核具體內(nèi)容：（1）MIPS處理器介紹、主要產(chǎn)品和開發(fā)工具；（2）MIPS體系結(jié)構(gòu)發(fā)展；（3）MIPS存儲器管理及異常處理；（4）MIPS指令集；（5）設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計；（6）基礎(chǔ)實驗，包括GPIO接口實驗、PWM控制實驗；（7）進(jìn)階實驗，包括Qt圖形界面設(shè)計實驗、環(huán)境參數(shù)采集及報警實驗、圖像識別及目標(biāo)檢測實驗；（8）綜合實驗設(shè)計。

考核方式：課堂操作性、演示性、設(shè)計性、綜合性實驗，結(jié)課報告。

2.3 針對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)3

培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識，增強(qiáng)學(xué)生溝通交流能力，增強(qiáng)學(xué)生分工協(xié)作能力，使課堂活動更易于與學(xué)生競賽相結(jié)合，為學(xué)生實習(xí)、就業(yè)做好準(zhǔn)備。

考核具體內(nèi)容：（1）以2～3人為一組，每次實驗明確組員分工；（2）所有組員都要參與演示環(huán)節(jié)，共同撰寫實驗報告。

考核方式：課堂操作性、演示性、設(shè)計性、綜合性實驗，結(jié)課報告。

3 教學(xué)中重點要把握和解決的問題

在教學(xué)內(nèi)容上，根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求與要求，結(jié)合學(xué)生前期知識基礎(chǔ)編排教學(xué)內(nèi)容，形成系列化教材。同時在教學(xué)過程中介紹國產(chǎn)化嵌入式技術(shù)發(fā)展歷程、一代代科學(xué)家工程師們忘我的工作精神和堅定的愛國情懷，介紹國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展的緊迫性、重要性與對應(yīng)用型人才的迫切需求，以此提高學(xué)生的大局意識，增強(qiáng)學(xué)生的愛國意識和民族自信心。

在教學(xué)方法上，采用理論講解、授課教師實際操作演示、學(xué)生動手實踐、實驗設(shè)計相結(jié)合的方式，基于學(xué)生的前期理論基礎(chǔ)和實踐基礎(chǔ)，以教學(xué)目標(biāo)為指引，把握學(xué)生的身心發(fā)展特點，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠通過對該門課的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固先期知識，加強(qiáng)工程實踐能力，提高學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的自信與意愿。

在考核方式方面，在考查學(xué)生對基本原理、基本概念的理解，基礎(chǔ)操作以外，還需要考核學(xué)生靈活設(shè)計與實現(xiàn)綜合實驗的能力，以及學(xué)生的合作能力。將考核與國產(chǎn)化技術(shù)實際需求相結(jié)合，根據(jù)考核結(jié)果，評估與篩選熱愛嵌入式開發(fā)、具備開發(fā)能力與潛力的學(xué)生，鼓勵參加相關(guān)領(lǐng)域全國大學(xué)生賽事，以及推薦相關(guān)實習(xí)機(jī)會。

4 展望

就全國范圍來看，該課程的開設(shè)走在前列，在缺乏前期資料與經(jīng)驗的情況下，該課程對于如何教授國產(chǎn)化嵌入式技術(shù)是一次探索，該課程形成的教學(xué)資料、教學(xué)經(jīng)驗具有實際參考價值。