劉麗娜

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

應(yīng)用型高校的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)探討＊

劉麗娜

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

根據(jù)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用,并借鑒國(guó)內(nèi)部分高校在嵌入式系統(tǒng)課程的經(jīng)驗(yàn),提出了針對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才高校的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)設(shè)想。

嵌入式系統(tǒng);教學(xué)方法;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)是以具體應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),采用可裁減的軟硬件,適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)作為當(dāng)今發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的主要技術(shù)之一,已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、信息家電、醫(yī)療儀器、智能儀器儀表、汽車電子、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。在IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)和ACM共同制定的2004版計(jì)算機(jī)類課程體系中,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被列為核心課程之一[1]。

我國(guó)擁有世界最大的嵌入式技術(shù)市場(chǎng),對(duì)于嵌入式人才的需求巨大。進(jìn)入21世紀(jì),國(guó)內(nèi)部分高校紛紛開(kāi)設(shè)了與嵌入式技術(shù)相關(guān)的課程,電子工程、軟件、自動(dòng)化等學(xué)科也將陸續(xù)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。因此,基于不同的學(xué)科專業(yè),在嵌入式系統(tǒng)的授課內(nèi)容上也要有所區(qū)別、側(cè)重,對(duì)各學(xué)科嵌入式系統(tǒng)課程的研究與實(shí)踐將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

1 國(guó)內(nèi)主要高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的高校根據(jù)不同的專業(yè)設(shè)置,教學(xué)內(nèi)容有不同的側(cè)重,基本分為計(jì)算機(jī)類專業(yè)以及電子和自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的嵌入式教學(xué)兩種。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)課程體系的設(shè)置也多注重理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐并重,強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。

浙江大學(xué)在2002年開(kāi)設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)”課程,是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的大學(xué)。該課程涉及嵌入式計(jì)算機(jī)硬軟件以及應(yīng)用的綜合性計(jì)算機(jī)課程,主要學(xué)習(xí)嵌入式計(jì)算機(jī)硬軟件構(gòu)成、嵌入式系統(tǒng)的主流操作系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。課程分為嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。而且在教學(xué)過(guò)程中,針對(duì)不同專業(yè)和年級(jí)的學(xué)生,教學(xué)側(cè)重點(diǎn)也不同。計(jì)算機(jī)學(xué)院偏重原理理論與設(shè)計(jì),軟件學(xué)院偏重軟件產(chǎn)品的使用。

北京大學(xué)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的培養(yǎng)方案和課程體系注重能力培養(yǎng)與工業(yè)實(shí)踐,強(qiáng)調(diào)學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí),尤其是嵌入式軟件工程理論、技術(shù)及各種開(kāi)發(fā)、調(diào)試和測(cè)試工具,并具備嵌入式系統(tǒng)軟件、中間件與應(yīng)用軟件,以及嵌入式終端、數(shù)字家庭產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)能力。只招收研究生。

北京航空航天大學(xué)提出了“32位嵌入式微處理器+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)+工程實(shí)踐”的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式。在授課內(nèi)容方面,課程以32位ARM嵌入式微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II作為主要內(nèi)容,重點(diǎn)介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念、設(shè)計(jì)方法、ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)、C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核分析、C/OS-II操作系統(tǒng)在ARM微處理器的移植方法、基于ARM的硬件設(shè)計(jì)和基于C/OS-II的嵌入式軟件設(shè)計(jì)等課程內(nèi)容[2]。實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)置目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際的嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)能力,除了基本實(shí)驗(yàn)外,還安排了類似游戲和無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)類型的開(kāi)放式大作業(yè),鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

天津大學(xué)的理論教學(xué)側(cè)重嵌入式操作系統(tǒng)原理和嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā),實(shí)驗(yàn)采用基礎(chǔ)型、綜合型和研究型的三層實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。

2 應(yīng)用型高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的思路及設(shè)想

基于國(guó)內(nèi)高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),在開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程時(shí),應(yīng)結(jié)合應(yīng)用型高校的自身特點(diǎn)。

2.1 教學(xué)對(duì)象的選擇

課程設(shè)置主要針對(duì)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生。國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的高校多數(shù)成立了單獨(dú)的嵌入式系統(tǒng)系部,并且形成一整套嵌入式系統(tǒng)課程體系,又根據(jù)不同的嵌入式研究分支劃分了不同的專業(yè)方向。因此,這些高校的培養(yǎng)目標(biāo)多為研究生。而以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的高校,可以給相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。因?yàn)橐呀?jīng)具備了數(shù)字電路技術(shù)和單片機(jī)、微機(jī)原理、C語(yǔ)言編程、匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)通訊接口等專業(yè)基礎(chǔ)課程,所以,易于知識(shí)的理解接受。由于嵌入式系統(tǒng)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及當(dāng)前嵌入式人才的短缺情況,高年級(jí)學(xué)生可以把嵌入式系統(tǒng)作為擇業(yè)和進(jìn)一步研修的方向,提高嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)積極性。

2.2 教學(xué)的主要內(nèi)容

1998年教育部頒布的自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程7個(gè)電氣信息類專業(yè)中[3],除計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用專業(yè)主要從體系結(jié)構(gòu)、編譯原理、操作系統(tǒng)等方面進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)研究,其他學(xué)科都是根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)和應(yīng)用入手進(jìn)行嵌入式教研。由于在現(xiàn)在的嵌入式項(xiàng)目中,軟件所占的比重越來(lái)越大,復(fù)雜程度也越來(lái)越高,因此對(duì)于自動(dòng)化、電信等專業(yè)的學(xué)生同樣需要對(duì)嵌入式軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行重點(diǎn)教授。

2.2.1 以應(yīng)用為主的教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)人才培養(yǎng)方向以應(yīng)用為主,需要學(xué)生掌握某種嵌入式平臺(tái)軟、硬件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),掌握應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力,因此在培養(yǎng)方向上側(cè)重“懂”和“用”,針對(duì)成績(jī)比較好的同學(xué)培養(yǎng)其“研”的能力?！岸笔且髮W(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程、特點(diǎn),知道嵌入式系統(tǒng)的基本構(gòu)成(微處理器、存儲(chǔ)器、I/O、外設(shè)驅(qū)動(dòng)和接口、電源管理、總線、硬件調(diào)試等)。“用”是要求學(xué)生了解嵌入式操作系統(tǒng)的概念,理解操作系統(tǒng)的內(nèi)核,能夠?qū)?nèi)核進(jìn)行移植、修改和裁減,熟練使用某一種嵌入式操作系統(tǒng),能夠構(gòu)建嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境,掌握嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具的操作方法及使用,能夠編寫嵌入式設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。表現(xiàn)比較優(yōu)秀的同學(xué)可以在此基礎(chǔ)上,培養(yǎng)其具備一定的嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)能力。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)是嵌入式系統(tǒng)課程非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn),可以充分理解和掌握理論知識(shí),理解實(shí)驗(yàn)背后的實(shí)際意義。在實(shí)驗(yàn)中,可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)深入了解如何建立嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境、嵌入式驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)不能僅僅局限于課本教材,還應(yīng)該涉及當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的最新技術(shù),緊密聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容可以由多基礎(chǔ)驗(yàn)證型向多綜合設(shè)計(jì)型過(guò)渡?；A(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、研發(fā)環(huán)境和流程,掌握開(kāi)發(fā)工具的使用方法,熟悉編程環(huán)境,根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示調(diào)試。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)用,利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的資源,構(gòu)建一個(gè)具有實(shí)際意義的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件結(jié)合體,因此,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上可以包含硬件電路的設(shè)計(jì)制作和軟件的編譯開(kāi)發(fā),以及硬軟件之間的聯(lián)合調(diào)試,這樣學(xué)生就能夠在不同學(xué)科間建立聯(lián)系,鍛煉各學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。這種涵蓋面廣的大型實(shí)驗(yàn)可以作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。同時(shí),由于嵌入式系統(tǒng)也是自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)方向,因此,可以隨著嵌入式教學(xué)的深入,逐漸把嵌入式系統(tǒng)納入到自動(dòng)化、測(cè)控等專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放能夠發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生可以利用課余時(shí)間,熟悉調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于失敗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可以重新調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案再次嘗試,或者采用不同的方案對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室可以安排本課程老師及時(shí)針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行輔導(dǎo),宜采用啟發(fā)式,引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手、互相討論尋找答案,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和協(xié)同合作能力。

2.3 考核形式多樣性

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)注重實(shí)踐的特性,考查方式可以綜合筆試、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、課程設(shè)計(jì)、大作業(yè)或論文的成績(jī)。這些方面按比例綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。其中課程設(shè)計(jì)、大作業(yè)可以通過(guò)統(tǒng)一選題,學(xué)生分組完成。一方面可以促進(jìn)學(xué)生間的互相學(xué)習(xí)、小組協(xié)同工作;另一方面課程設(shè)計(jì)可以考查學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力以及相關(guān)文獻(xiàn)資料的搜集運(yùn)用能力。

2.4 采用多種形式培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力

嵌入式系統(tǒng)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程,把應(yīng)用型人才作為培養(yǎng)目標(biāo)的同時(shí),還應(yīng)努力增強(qiáng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力。

2.4.1 校企合作

聘請(qǐng)高新技術(shù)企業(yè)技術(shù)人員、業(yè)界專家來(lái)校講座,通過(guò)講授最新的嵌入式技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)流程,結(jié)合實(shí)物產(chǎn)品的展示,可以激發(fā)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)積極性,了解行業(yè)趨勢(shì)。還可以在高新技術(shù)企業(yè)中構(gòu)建一個(gè)學(xué)生實(shí)踐基地,學(xué)生可以了解嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程,參與到實(shí)際的項(xiàng)目研發(fā)中,不僅能夠?qū)碚摰膶?shí)踐應(yīng)用有了深刻的理解,還能通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的參與,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程管理能力。

2.4.2 鼓勵(lì)學(xué)生參加各種類型的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,培養(yǎng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力

2002年,嵌入式系統(tǒng)專題競(jìng)賽作為全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的一部分首次舉辦,至今已經(jīng)成功舉辦了4屆。該專題競(jìng)賽的開(kāi)展,不僅對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的更新、整合、改革以及課程建設(shè)起了促進(jìn)作用,而且可以充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智,發(fā)揮他們的創(chuàng)造力和團(tuán)隊(duì)合作能力,這也正是倡導(dǎo)的素質(zhì)教育的重要內(nèi)容。

2.4.3 加強(qiáng)師資力量建設(shè)

在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中,老師扮演了一個(gè)非常重要的角色。但是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)老師的專業(yè)背景大多為計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子、信息工程和自動(dòng)控制等。由于知識(shí)結(jié)構(gòu)有所側(cè)重,所以,在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中就要不斷學(xué)習(xí)完善?？梢苑e極組織老師參加全國(guó)范圍的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研討會(huì)和培訓(xùn)班,一方面可以讓老師深入了解嵌入式技術(shù)的發(fā)展,另一方面對(duì)于提高老師自身的專業(yè)科研水平也大有幫助。同時(shí),老師在教學(xué)的過(guò)程中,也應(yīng)該持續(xù)不斷的學(xué)習(xí),主動(dòng)獲取更多的幫助,例如,可以主動(dòng)跟國(guó)內(nèi)外公司聯(lián)系,索取資料、技術(shù)支持等。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著嵌入式系統(tǒng)理論、技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)也處在一個(gè)不斷發(fā)展、完善的過(guò)程中。應(yīng)用型高?？梢詳U(kuò)大嵌入式系統(tǒng)課程的授課面,增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí),多開(kāi)設(shè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),建立開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教學(xué)內(nèi)容要與時(shí)俱進(jìn),引進(jìn)專業(yè)技術(shù)人員、專家的講座,開(kāi)闊學(xué)生視野,了解嵌入式最新技術(shù)產(chǎn)品和社會(huì)需求。加強(qiáng)師資建設(shè),提高嵌入式系統(tǒng)方面的科研力量,加強(qiáng)與有經(jīng)驗(yàn)高校的交流學(xué)習(xí),來(lái)共同構(gòu)建良好的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與科研環(huán)境。

[1]IEEE Computer Society/ACM Task Force on Computing Curriculum,Computing Curricula-Computer Enginnering:I-ron-Man Draft"[EB/OL].(2004-06-08).http://www.eng.auburn.edu/ece/CCCE/.

[2]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā):基于ARM微處理器與μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社, 2003.

[3]教育部高教司.普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹[M].北京:高等教育出版社,1998.

[4]仲偉波,包亞萍,付躍文,等.關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(12):1565-1568.

[5]周德祥.《嵌入式系統(tǒng)》教學(xué)方法分析[J].科技信息:學(xué)術(shù)研究,2007,(31):99.

(責(zé)任編輯:肖恩忠)

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1671-4288(2010)02-0143-03

2010-01-25

劉麗娜(1979-),女,山東濰坊人,濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院講師。