李文生　陸洪毅　呂燚

摘要：基于嵌入式人才的能力結(jié)構(gòu)分析，提出嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系的構(gòu)建思路，包括嵌入式系統(tǒng)相關(guān)核心課程和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、針對不同培養(yǎng)目標(biāo)的課程組合方案以及嵌入式實踐教學(xué)體系設(shè)計。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；能力結(jié)構(gòu)；教學(xué)體系

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式處理器或嵌入式控制器為核心，將其嵌入到產(chǎn)品或設(shè)備中以實現(xiàn)其功能的數(shù)字化和智能化的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了包括消費類電子、智能家電、工業(yè)控制、通訊網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車電子等多個領(lǐng)域。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，社會對嵌入式技術(shù)人才的需求也越來越旺盛。為了適應(yīng)市場需求，國內(nèi)很多高校相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程或設(shè)置了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)方向，開展了各具特色的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐。但是由于嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點、嵌入式軟硬平臺和開發(fā)工具的多樣性以及各個學(xué)校的學(xué)科背景的不同，各個學(xué)校開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程、教學(xué)內(nèi)容以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在較大的差異，沒有形成與嵌入式人才能力培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的完整教學(xué)體系。

1 嵌入式人才能力培養(yǎng)目標(biāo)

嵌入式系統(tǒng)盡管也屬于計算機系統(tǒng)的一種，但其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，系統(tǒng)形態(tài)之多，與多種技術(shù)結(jié)合之緊密，為通用計算機系統(tǒng)所不及。嵌入式應(yīng)用開發(fā)人才除了需要具備計算機基本知識和工程技能外，還必須清晰地理解嵌入式應(yīng)用開發(fā)獨有特點，如嵌入式軟硬件開發(fā)環(huán)境的多樣性、軟硬件一體化設(shè)計與開發(fā)、交叉開發(fā)和調(diào)試等。因此，在嵌入式人才培養(yǎng)過程中，應(yīng)特別注重以下嵌入式應(yīng)用開發(fā)中需要的基本能力的培養(yǎng)。

1）計算思維能力。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)通過將計算機技術(shù)與專業(yè)領(lǐng)域知識相結(jié)合，創(chuàng)造出利用計算機解決專業(yè)領(lǐng)域問題的新途徑，極大地拓展了計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向?qū)τ嬎闼季S能力的培養(yǎng)，應(yīng)緊緊抓住“抽象、自動化”這兩個本質(zhì)特征，強化學(xué)生對特定專業(yè)領(lǐng)域問題的構(gòu)造性、過程性求解方法，能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜困難的問題轉(zhuǎn)化為利用計算機技術(shù)求解它的思維方法，進而確定可以利用現(xiàn)有計算機技術(shù)對特定問題進行求解的一系列方法和步驟。

2）知識遷移能力。

嵌入式人才培養(yǎng)通常都是從某些具體的嵌入式軟硬件平臺、具體開發(fā)工具和環(huán)境開始的，即從“實例計算”開始。但在實際嵌入式應(yīng)用開發(fā)中，可能經(jīng)常涉及不同的硬件和軟件平臺、不同的開發(fā)工具和環(huán)境、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，這就需要培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力，即引導(dǎo)學(xué)生擺脫“實例計算”的思維限制，從“實例計算”提升到“類計算”，能夠從某個基于具體開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境的嵌入式應(yīng)用開發(fā)中掌握嵌入式應(yīng)用開發(fā)的基本思想、方法，能夠由此及彼、舉一反三，通過芯片數(shù)據(jù)手冊、開發(fā)工具手冊來熟悉新的嵌入式開發(fā)環(huán)境。

3）協(xié)同創(chuàng)新能力。

嵌入式技術(shù)在移動設(shè)備、數(shù)字家電、汽車電子、醫(yī)療電子、航天航空、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，往往牽涉到如何將嵌入式技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)結(jié)合起來，以達到協(xié)同創(chuàng)新的目的。所以，嵌入式開發(fā)人才必須具有一定的行業(yè)領(lǐng)域知識，具有較強的協(xié)同創(chuàng)新能力。行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)知識對于嵌入式系統(tǒng)的人才來說，不可能在大學(xué)階段完全掌握，但是必須關(guān)注學(xué)生的新知識、新技術(shù)學(xué)習(xí)能力；而協(xié)同創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應(yīng)側(cè)重交流能力、抽象能力、需求分析能力的培養(yǎng)，以便學(xué)生將來可以通過與專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜疫M行協(xié)作，有效利用嵌入式技術(shù)得到相關(guān)應(yīng)用問題的解決方案。

4）系統(tǒng)整合能力。

由于嵌入式系統(tǒng)是面向某種特殊應(yīng)用，所采用的硬件平臺、開發(fā)工具和應(yīng)用環(huán)境面向不同的應(yīng)用都會有所不同，再加上市場對大多數(shù)產(chǎn)品要求開發(fā)周期短、成本低。因此，系統(tǒng)整合能力，包括如何選擇合適的軟硬件平臺以高效地開發(fā)產(chǎn)品，如何利用現(xiàn)有的軟硬件資源，如何有效管理開發(fā)團隊中的各類人員（應(yīng)用專家、硬件工程師、軟件工程師和其他相關(guān)工程人員等）等，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的一項重要能力。這類能力的培養(yǎng)，應(yīng)側(cè)重在拓寬學(xué)生的知識面，讓學(xué)生盡可能多地了解各種嵌入式軟硬件系統(tǒng)的特性及其優(yōu)缺點，了解軟硬件協(xié)同設(shè)計思想方法，不再局限于傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法、體系結(jié)構(gòu)等。

5）系統(tǒng)工程能力。

作為工程應(yīng)用型人才，主要任務(wù)是將所學(xué)的嵌入式系統(tǒng)知識和原理轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的設(shè)計和實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)工程人才除了具備良好的學(xué)習(xí)能力、溝通能力和組織協(xié)調(diào)能力外，還應(yīng)具有較強的系統(tǒng)工程能力，包括系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)開發(fā)能力和系統(tǒng)應(yīng)用能力。

系統(tǒng)分析能力主要強調(diào)能夠?qū)δ繕?biāo)系統(tǒng)需求進行分析，運用嵌入式技術(shù)，結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域知識，給出可能的嵌入式軟硬件解決方案；強調(diào)能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)結(jié)構(gòu)進行剖析，對嵌入式系統(tǒng)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo)進行評測和評價。系統(tǒng)開發(fā)能力主要強調(diào)利用嵌入式技術(shù)有效構(gòu)建適合目標(biāo)應(yīng)用的專用系統(tǒng)，要求學(xué)生具有較強的程序設(shè)計能力、硬件設(shè)計和調(diào)試能力以及軟硬件工具平臺應(yīng)用能力，掌握解決嵌入式項目開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的能力。系統(tǒng)應(yīng)用能力主要強調(diào)與專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜疫M行交流與需求分析，通過對嵌入式系統(tǒng)進行配置或者定制，快速適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的要求。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系設(shè)計

2.1 嵌入式系統(tǒng)核心課程設(shè)置

課程體系的設(shè)計直接關(guān)系到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)能否實現(xiàn)，在建立課程體系時，不僅要考慮開設(shè)哪些課程、所開設(shè)課程的先后關(guān)系，還應(yīng)該重點關(guān)注課程的知識體系，關(guān)注課程目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的接軌，并保證所有的相關(guān)課程應(yīng)該能夠構(gòu)成支撐專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的一個完整體系。通過將嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)目標(biāo)特別是能力培養(yǎng)目標(biāo)分解細(xì)化到不同課程，同時考慮到課程之間的前后銜接、課程與培養(yǎng)目標(biāo)的一致性，并考慮本科教育教學(xué)學(xué)時的限制，可以確定嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的5門核心課程：嵌入式系統(tǒng)概論、嵌入式微控制器及其應(yīng)用、嵌入式硬件設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟件開發(fā)。這些課程涵蓋了嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā)中涉及的最基礎(chǔ)的知識，同時和計算機類核心基礎(chǔ)課程（如程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機組成原理、操作系統(tǒng)等）、電子類相關(guān)基礎(chǔ)課程（如電路分析、模擬電路、數(shù)字邏輯設(shè)計等）以及應(yīng)用領(lǐng)域的一些特色課程一起，構(gòu)成了嵌入式專業(yè)方向所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)基本能力培養(yǎng)的課程體系，如圖1所示。endprint

作為一門嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)性課程，嵌入式系統(tǒng)概論從整體上對嵌入式系統(tǒng)涉及的各種技術(shù)進行介紹，幫助學(xué)生快速了解嵌入式系統(tǒng)的基本知識和基本原理；理解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本過程，初步掌握運用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)解決實際問題的思想和方法。

嵌入式微控制器及其應(yīng)用則從具體的嵌入式控制器人手，講述嵌入式微控制器的基本概念、工作原理和應(yīng)用設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力，并通過具體的嵌入式控制應(yīng)用工程案例培養(yǎng)學(xué)生初步的系統(tǒng)工程能力和系統(tǒng)整合能力。

嵌入式操作系統(tǒng)課程在講述嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特點、內(nèi)核工作原理和實現(xiàn)思想的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生體會嵌入式系統(tǒng)硬/軟件協(xié)同工作原理，掌握根據(jù)目標(biāo)嵌入式硬件平臺對嵌入式操作系統(tǒng)進行定制的能力，掌握基于嵌入式操作系統(tǒng)進行嵌入式軟件開發(fā)的基本思想、方法和技巧。

嵌入式硬件設(shè)計主要講授嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)知識、硬件開發(fā)工具、開發(fā)流程和調(diào)試方法，培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計和開發(fā)能力。該課程從微控制器及其外圍電路的功能設(shè)計要求出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的嵌入式硬件設(shè)計方法和硬件測試方法，然后逐步過渡到嵌入式硬件高性能、高可靠性、低功耗、低成本等非功能性設(shè)計方法上。

嵌入式軟件開發(fā)主要講授嵌入式軟件開發(fā)的基本知識、方法和技術(shù)，使學(xué)生了解嵌入式軟件的組成要素與結(jié)構(gòu)，掌握嵌入式軟件開發(fā)的思想和方法，掌握嵌入式軟件開發(fā)的過程和技巧，熟練使用相關(guān)嵌入式軟件開發(fā)工具，具備初步分析問題和解決問題的能力。

需要說明的是，由于嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向具有發(fā)展迅速、知識復(fù)雜、跨學(xué)科的特點，5門課程很難完全涵蓋對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才知識和能力方面的要求，需要強調(diào)嵌入式系統(tǒng)核心知識體系與相關(guān)學(xué)科（如計算機、電子、通信）的融合。嵌入式專業(yè)方向完整的課程體系應(yīng)當(dāng)與相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)課程進行有機銜接。

2.2 嵌入式系統(tǒng)核心課程組合方案

由于嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點，所以嵌入式系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)當(dāng)明確定位于培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才。嵌入式系統(tǒng)工程應(yīng)用重點關(guān)注在一定的約束條件下，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)以達到應(yīng)用目標(biāo)要求的方法、步驟等，并通過對嵌入式系統(tǒng)軟硬件的適當(dāng)選型與定制，結(jié)合專門的專業(yè)領(lǐng)域知識，方便、快速、有效地構(gòu)建具體嵌入式產(chǎn)品和應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向培養(yǎng)的學(xué)生具有明顯的工科特征，適應(yīng)承擔(dān)嵌入式系統(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計和實現(xiàn)任務(wù)。這意味著嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)必須在適當(dāng)?shù)睦碚摶A(chǔ)上，更多關(guān)注“設(shè)計”和“應(yīng)用”形態(tài)的內(nèi)容，即站在一個嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工程師的角度來組織相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，更多關(guān)注它們的工程應(yīng)用，比如對于嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)等，更多關(guān)注它們的對外接口和應(yīng)用方法等外特性，對它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和內(nèi)核實現(xiàn)等，以理解作為基本要求。當(dāng)然也不能過度淡化理論教學(xué)，將嵌入式系統(tǒng)教學(xué)完全放在技能教育上，因為只有在適當(dāng)?shù)睦碚撝笇?dǎo)下，設(shè)計和應(yīng)用才是理性的、高水平的。

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)軟硬結(jié)合的特點以及應(yīng)用開發(fā)內(nèi)容，嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向畢業(yè)生可能從事的典型工作可以大致劃分為嵌入式硬件開發(fā)、嵌入式底層軟件設(shè)計、嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)。不同類型的開發(fā)人員面對的問題空間和工作內(nèi)容會有所不同，應(yīng)當(dāng)具備的知識和能力也會有所區(qū)別，相應(yīng)地，在培養(yǎng)過程中，可以根據(jù)不同的培養(yǎng)定位，對嵌入式系統(tǒng)相關(guān)核心課程給出不同的裁剪和組合方案，如圖2所示。

嵌入式硬件開發(fā)工作內(nèi)容主要包括系統(tǒng)需求分析、硬件方案設(shè)計、PCB電路設(shè)計和測試等。嵌入式硬件設(shè)計工程師應(yīng)當(dāng)了解嵌入式硬件開發(fā)流程，具備從需求分析到具體方案的規(guī)劃設(shè)計能力和調(diào)試能力，掌握嵌入式硬件高性能、高可靠性、低功耗、低成本等非功能性設(shè)計方法。對于該類型的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)在嵌入式系統(tǒng)概論、嵌入式微控制器及其應(yīng)用兩門課程的基礎(chǔ)上，強化嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計課程，同時需要考慮在之前對模擬電路與電子技術(shù)、數(shù)字邏輯設(shè)計等電路課程加以適當(dāng)強化，而對于嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)課程可以降低要求或者不再單獨開設(shè)。

嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)主要內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)分析與設(shè)計、嵌入式軟件編碼和測試等。嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)了解嵌入式軟件開發(fā)流程，具備從需求分析到總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計的能力，掌握主流的嵌入式軟件開發(fā)平臺和開發(fā)工具，具有較強的程序設(shè)計能力，特別是基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計能力。對于該類型的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)在嵌入式系統(tǒng)概論、嵌入式微控制器及其應(yīng)用兩門課程的基礎(chǔ)上，強化嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)課程，同時需要考慮在之前強化對程序設(shè)計相關(guān)課程的教學(xué)，而對于嵌入式硬件設(shè)計課程可以降低要求或者不再單獨開設(shè)。另外，由于嵌入式軟件一般是面向應(yīng)用領(lǐng)域，所以針對該類型的學(xué)生，還可以考慮選擇開設(shè)音視頻編解碼技術(shù)、通信協(xié)議及其編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)、DSP技術(shù)以及一些與應(yīng)用領(lǐng)域知識相關(guān)的課程。

嵌入式底層軟件設(shè)計的主要內(nèi)容是開發(fā)一些與硬件關(guān)系最密切的底層軟件，例如，針對某個嵌入式硬件平臺開發(fā)BootLoader或板級支持包BSP（往下驅(qū)動硬件、往上支持嵌入式操作系統(tǒng)），針對不同的外圍接口設(shè)備開發(fā)驅(qū)動程序，以及將嵌入式操作系統(tǒng)移植到不同的硬件平臺上。該類嵌入式開發(fā)人員需要深刻理解嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計思想，他們不僅關(guān)心嵌入式系統(tǒng)的外部特性和外圍接口，而且需要深入理解嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)、工作原理和指令系統(tǒng)，深入理解嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作原理和內(nèi)核實現(xiàn)機制，深入理解外圍接口設(shè)備的工作原理和控制方法。對于該類型的學(xué)生，在開設(shè)嵌入式系統(tǒng)概論、嵌入式微控制器及其應(yīng)用、嵌入式操作系統(tǒng)之類課程的時候，其內(nèi)容的處理除了關(guān)心嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)的外部特性和應(yīng)用方法外，還需要重點關(guān)注他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等。

2.3 嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)體系設(shè)計

由于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)定位為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才，所以實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在整個嵌入式人才培養(yǎng)中應(yīng)當(dāng)占有相當(dāng)大的比重。endprint

首先，嵌入式系統(tǒng)大部分課程以工程設(shè)計為主，在講述工程設(shè)計方法和設(shè)計流程時要涉及開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具的使用，可以借鑒“Learningby Doing”的教學(xué)理念，通過引入實際的工程案例和項目，講訓(xùn)結(jié)合，突出課程實踐意義，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用意識、動手能力和工程素養(yǎng)。

其次，需要加大實驗實踐學(xué)時，強化實驗實踐環(huán)節(jié)，同時注意有機整合實驗內(nèi)容，減少驗證性實驗，增加設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗項目，按照“一體化、多層次”的思想，設(shè)計比較合理的嵌入式專業(yè)方向的實踐教學(xué)體系。基礎(chǔ)層主要包括相關(guān)課程的課內(nèi)實驗，其主要目的在于課程知識的鞏固，一般通過課內(nèi)實驗完成。綜合設(shè)計層主要包括兩個方面：一是相關(guān)課程綜合性、設(shè)計性實驗，其主要目的在于相關(guān)課程知識的提高和綜合運用，通過課外拓展實驗完成；二是里程碑式的綜合實踐課程，即根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力的晉級階梯，在能力培養(yǎng)主線設(shè)置一些里程牌，并通過綜合性實踐課程培養(yǎng)階段性的綜合應(yīng)用能力。應(yīng)用創(chuàng)新層主要培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、設(shè)計、創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，主要通過創(chuàng)新實驗和課程設(shè)計、項目實訓(xùn)、學(xué)科競賽、學(xué)生科研和畢業(yè)設(shè)計完成。

3 結(jié)語

電子科技大學(xué)中山學(xué)院構(gòu)建了符合嵌入式應(yīng)用開發(fā)人才晉級階梯的課程體系和“一體化、多層次、分階段”的實踐教學(xué)體系。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，證明該教學(xué)體系具有較好的可行性和適應(yīng)性。不少學(xué)生畢業(yè)后都順利地走上了嵌入式技術(shù)開發(fā)工作崗位，成為企業(yè)的技術(shù)骨干。

當(dāng)然，嵌入式技術(shù)發(fā)展日新月異，嵌入式應(yīng)用需求也是越來越復(fù)雜多樣，如何適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和需求變化，適時調(diào)整嵌入式人才培養(yǎng)方案和課程體系，在課程體系和教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)最新的發(fā)展成果和應(yīng)用需求，培養(yǎng)符合市場需求的嵌入式人才，仍然需要我們不斷研究和探索。

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（編輯：郭田珍）endprint