新工科背景下“嵌入式操作系統”教學模式改革

張廣宇

桂林信息科技學院 廣西桂林 541004

1 概述

新經濟背景下，信息技術得到了空前的發展和應用，當前我國經濟結構，呈現為以高新科技產業發展的方向、各產業向高新信息產業靠攏的發展趨勢。我國高校，旨在為社會培養輸送人才，帶動經濟發展，新經濟的背景下，誕生出新工科。“嵌入式操作系統”課程作為信息類及機電類專業的核心課程備受矚目，如何做好“嵌入式操作系統”課程教學工作，為相關學科提供引領性課程改革方案，為國家培育符合新工科標準的綜合型工程人才，引領我國高新科技產業進一步革新，是當前背景下高校課程改革的重要內容。

“嵌入式操作系統”課程是當前高新科技的技術基礎，“嵌入式操作系統”所傳授的理論體系與實踐技術，對于人工智能、大數據、物聯網等技術起著不可替代的支撐作用。嵌入式操作系統已經結合計算機互聯網技術，廣泛應用于我國各個產業，對于我國高新信息技術帶動傳統產業轉型、促進產業發展提供了巨大幫助。“嵌入式操作系統”作為計算機、物聯網、人工智能及機電類專業的核心課程，其知識體系龐大，實踐性強，對于教學質量有著較高要求。在新工科背景下，針對“嵌入式操作系統”課程，探討其教學模式的改革，優化教學策略與教學手段、拓展教學內容、進一步貼合實際、增強學生對于專業知識及專業技能的把控程度，對我國高校的信息類課程有著重要的示范作用，同時在“嵌入式操作系統”課程教學模式改革的過程中，也能很好地幫助高校在新經濟形勢下，培養輸送高質量人才。

2 “嵌入式操作系統”課程內容及教學要求

2.1 教學內容

“嵌入式操作系統”是一種實用性極強的系統軟件，其個性化突出，軟件和硬件結合緊密，在各種信息產品中應用廣泛。完整的“嵌入式操作系統”課程內容主要包括三個方面：

2.1.1 嵌入式硬件電路

嵌入式操作系統的硬件與軟件關聯性較強，因此要充分理解嵌入式操作系統中硬件電路的各個部分及連接方式，以便于從原理出發，更好地掌握嵌入式操作系統設計理念。在“嵌入式操作系統”課程中，嵌入式硬件電路部分主要包括最小系統設計、存儲系統設計、接口線路設計三方面內容。

2.1.2 處理器編程結構與軟件

處理器的編程結構質量決定著編譯效率和指令的執行速度，對于整個嵌入式操作系統的工作性能起著重要影響。嵌入式操作系統與嵌入式軟件密不可分，嵌入式軟件可分為系統軟件、應用軟件和支撐軟件三大類。嵌入式軟件必須安全可靠，并具備故障檢測與修復功能，才能更好地保障嵌入式操作系統安全。在“嵌入式操作系統”課程中，處理器編程結構與軟件部分包括：處理器編程結構、異常處理機制、匯編指令集、匯編語言程序設計、接口應用程序開發等部分。

2.1.3 嵌入式操作系統

“嵌入式操作系統”是課程內容的核心，這一部分主要闡述了嵌入式操作系統的工作原理及相關理論知識，包括BootLoader、嵌入式操作系統內核、文件系統、驅動程序開發、嵌入式GUI和應用程序設計等部分。

2.2 教學要求

從“嵌入式操作系統”課程內容來看，嵌入式操作系統涉及教學內容極其廣泛，其專業性和操作性極強。對于機電類專業來說，“嵌入式操作系統”課程，要求培養嵌入式人才，更需要注重嵌入式設計，需要加強實踐學習，以幫助學生培養嵌入式操作系統開發設計能力。而對于信息類專業來說，“嵌入式操作系統”課程更注重培養學生的系統操作能力，應融合理論知識、應用方法、工程技能和實踐經驗等綜合內容。在新工科背景下，“嵌入式操作系統”課程要側重于培養在工程領域具備系統設計、創新、分析、驗證、評測能力的工程技術人才，不僅在嵌入式領域深入學習，更要在其他高新信息領域拓展，進行學科交叉與創新，真正培育出多元型、綜合型工程技術人才。

3 嵌入式系統教學存在的問題

嵌入式系統的各項技術飛速發展、市場迅猛擴大是在近二十年完成的，雖然嵌入式系統的相關概念及理論早在20世紀60年代就已經誕生，但由于計算機網絡技術還未普及，發展速度緩慢。從嵌入式系統的理論發展及應用推廣進程來看，我國“嵌入式操作系統”課程教學也不過數十年，而在過去的幾十年中，高新科技的研究發展還未升溫，導致當時嵌入式操作系統教學模式及教學理念與現今的新工科背景存在較大出入，已不適應當今的教學模式與教學理念。結合我國各高校“嵌入式操作系統”及相關課程的教學現狀來看，當前我國嵌入式操作系統教學主要存在以下問題：

3.1 教學內容不全面

新工科背景下，“嵌入式操作系統”教學作為機電類及電子信息類專業的核心課程，要求學生充分掌握嵌入式操作系統原理、應用及設計，其教學內容應覆蓋嵌入式操作系統軟硬件各部分組成、處理器及軟件運行結構及原理等理論知識，以及系統設計與軟件開發、硬件組成等工程實踐性技能。而部分高校對于教學內容及教材沒有做到合理配置，有些偏重硬件設計和應用程序開發，而有些又只注重嵌入式操作系統理論知識，無法做到理論與實踐相結合以及課程知識內容的完整性。

我校所開設的“嵌入式操作系統”課程的主要內容主要包括：

(1)嵌入式操作系統概述。

(2)操作系統基礎知識、進程管理。

(3)Linux入門、VI使用、Shell編程。

(4)嵌入式C語言、GCC、Makefile、文件操作、信號、Linux網絡編程。

(5)嵌入式Linux系統構建、uboot移植，內核移植裁剪，文件系統的制作。

(6)驅動開發(GPIO、串口、觸摸屏、顯示屏、驅動程序結構、驅動的中斷)。

(7)嵌入式Linux應用程序開發。

可以看到所涉及的教學內容只有七部分，對應的課時也受到相應限制，同時教學內容缺乏嵌入式硬件電路及處理器編程結構內容，對于學生真正掌握“嵌入式操作系統”極其不利。此外，教學內容所涉及的實踐項目較少，無法與當前階段人工智能、物聯網技術連接起來，不利于教學內容的延展與深入。

3.2 實踐教學不過關

當前階段我國“嵌入式操作系統”教學的實踐教學內容過于單一，其評判標準也只浮于表象，無法真正考查學生對于專業知識的掌握程度。

首先，嵌入式操作系統的實踐教學應與理論教學具備同等地位。實踐教學部分與理論教學進度應契合互補，以幫助學生在進行實踐學習的過程中及時復習與鞏固相關理論知識，而不能將實踐教學與理論教學割裂開來。部分高校只注重理論教學，教師僅對教材進行講解，而實踐部分交由學生自我發揮，完全不注重學生動手能力的培養與考察，從而導致學生經過一個學期的課程學習，只是了解了幾個概念，距離真正全面地掌握課程知識體系搭建相距甚遠。

大部分高校在實踐教學往往采用非定制的嵌入式開發板或專用實驗箱。其具體實驗設備包括：嵌入式微處理器+實時操作系統和嵌入式微處理器+嵌入式Linux/Android兩類，這兩類內容只能覆蓋“嵌入式操作系統”知識體系的部分內容。

其次，由于缺乏對實驗平臺和實驗設備的創新性設計與配置，自然也無法有效培養學生的實踐與創新能力。

最后，大部分高校對于“嵌入式操作系統”課程的實踐教學考核極其不夠重視，實踐教學部分課程課時安排占比普遍偏少，其考核模式也是通過簡單的“布置項目—檢驗成果—給予分數”的方式進行，缺乏答辯與成果展示，無法真正考查學生的項目完成情況。

3.3 教學模式單一

“嵌入式操作系統”教學在當前各高校的授課中，仍然采用了傳統工科的教學方法，以課堂教授為主，往往采用教師“一言堂”的形式開展。在這種模式下，學生能夠很好地掌握課程所規定的理論知識，也能夠解決各類理論題型，但對于實際工程項目中嵌入式操作系統的理解和應用較少，無法培養學生成為綜合型工程人才。

此外，這種教學模式難以突出新工科背景下的教學需求，從而導致學生對于課程的要求與標準理解偏差，對于專業的定位不清晰，不利于學生從事相關工作以及對“嵌入式操作系統”和衍生的前沿知識進行探索與學習。

4 “嵌入式操作系統”教學模式的改革措施

為了響應新工科背景下，高校培養人才的新標準與新要求，以“嵌入式操作系統”課程為例，結合我國各高校當前教學模式與教學內容，提出以下教學模式改革措施：

4.1 加強實踐教學比重，完善教學設備

當前階段，我國各高校普遍存在“嵌入式操作系統”課程實踐教學內容較少等問題，究其原因在于，學校在設置課程時對于“嵌入式操作系統”課程的實踐部分不夠重視，或是相應的配套實踐設備或教師資源不足所造成的。因此，為了從根本上解決這類問題，學校可以通過豐富教學方式解放教學資源，通過線上、線下雙結合的形式，減輕教師理論知識教學部分壓力，進一步增加實踐教學內容。

對于實驗設備或實驗場地短缺的院校，可以充分考慮企業資源，聯系當地相關企業，提供實際項目支持學校與企業之間的合作，不僅能充分幫助學生了解到嵌入式操作系統在實際工程中的應用，也能加強學校與企業之間的合作，將高校研究成果真正應用于實際產業，從而推動產業發展。

結合我校案例，我校現采用嵌入式平臺為Samsung Cortex-A9 S5p4418開發板，操作系統采用的是嵌入式Linux。該開發板，偏重于系統型應用，實驗內容均圍繞“嵌入式操作系統”展開，而沒有預留接口實驗，缺乏對硬件電路連接和接口程序設計的支持。后續，我校考慮增加Cortex-M系列偏重控制型應用，通過兩種開發板的對比，幫助學生更好理解嵌入式操作系統的整體性，通過對比兩種平臺，在增加實踐內容的同時，也能更好幫助學生掌握專業知識。

此外，我校考慮搭建虛擬實驗開發平臺，為學生和教師提供一種自主式、開放式的實驗環境。虛擬實驗開發平臺的加入，能夠很好地增加課程的實踐內容，增強實踐教學的可行性。

4.2 豐富教學模式

新工科背景下，要求學生具備創新性意識與較強的工程實踐能力。目前，我國“嵌入式操作系統”教學模式單一，教學內容不夠全面，在這種條件下，急需教師與教研組探討新的教學模式，加入更加豐富、新穎的教學內容，以幫助學生從多個角度理解專業知識，從而激勵學生自我思考、自我探究學習，激發學生的創新實踐能力。

當前的教學模式，依然延續傳統工科教學，由理論知識傳授+日常作業+期末試題考核三個部分形成的教學模式。這種教學模式對于真正的實踐工程的應用和學科交叉與學科前沿知識的探索作用不大，難以滿足新工科背景的教學要求。

針對我國高校教學現狀，首先，可以考慮采用“小組制”與“項目制”的教學方式，課程知識傳授作為貫穿整個學期的輔助工具，幫助學生打好理論基礎。教學成果側重于各個小組之間的合作項目，以及對實踐教學內容的完成情況。其次，教師可以增加教學助理，通過助理達成與各個小組之間的緊密聯系，及時為各個小組解答困難，并監督各個小組按時完成工作。通過小組交流溝通以及導師制度，給予教師與學生更多自由，加入更多合作與自學的部分，從而激發學生的興趣。最后，由學生小組合作完成的項目可以交由老師評定，并在相關企業進行項目合作交流，進一步對優秀項目進行創意優化，與企業聯動能更好地激發各個學生的創新意識。

4.3 拓展教學內容，形成學科交叉

為了更好地完成在新工科背景下的“嵌入式操作系統”課程教學，學部教研組可以考慮延長課程學時，增加課程內容。

通過幾門課程的融合或優化，將“嵌入式操作系統”的教學內容拓寬，并與其他專業課程積極響應起來。通過延長學時，幫助學生充分理解專業知識，在教材中加入更多高新科技產業前沿技術，在激發學生興趣的同時，進一步拓寬學生的眼界，引領學生積極探索前沿信息技術領域，從而引導學生走向科研道路，為我國高新技術產業的發展添磚加瓦。

首先，教學體系要完整，部分高校對于“嵌入式操作系統”課程的教學內容進行了過度的側重，使教學內容不全面，知識體系搭建不完善，導致學生對專業知識理解偏差。

其次，教學案例要新穎。對于一些老舊的教材，應及時進行內容豐富與優化，教材應結合我國前沿產業的實際項目，從而進一步幫助學生理解新經濟形式下我國高新技術產業的發展方向。

最后，要適度進行學科交叉。“嵌入式操作系統”課程作為各信息類專業與機電類專業的核心課程，其應用范圍廣泛，應用領域深厚，學院可以充分考慮各個專業的課程設置背景，考究相應的學科交叉與融合部分，以幫助學生更好地加深對于“嵌入式操作系統”課程專業知識的多元理解。

結語

新工科背景下，我國社會產業結構對于高校的工科人才培養有了更高的要求，“嵌入式操作系統”課程作為當前高新技術的基礎性理論知識，急需進行教學模式改革，脫離傳統工科的教學模式，以滿足新工科背景下工程人才培養要求。針對當前我國高校對于該課程的教學現狀，各高校應加強實踐教學比重，增強學生實踐動手能力，豐富教學模式，拓展教學內容，幫助學生培養創新意識，形成學科交叉，為社會輸送一批卓越型工程人才，以引導和推動我國工科產業的發展，推動前沿產業蓬勃發展。