摘要：計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)嵌入式系統(tǒng)，是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其體積小、低功耗、可定制的特性，使其在當(dāng)今這個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代得到海量應(yīng)用，小到電子手表，大到通信基站，貌似不可見(jiàn)卻幾乎無(wú)處不在。廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)催生了大量的人才需求，為了更好地培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)方面的應(yīng)用型人才，本文結(jié)合多年的企業(yè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論和實(shí)踐課程的教學(xué)方法和流程進(jìn)行了嘗試性改革，讓學(xué)生用更貼近企業(yè)流程和實(shí)踐的方式去學(xué)習(xí)，縮小學(xué)校教學(xué)和企業(yè)實(shí)際操作之間的天然鴻溝，力爭(zhēng)培養(yǎng)出在企業(yè)可以更快上手的應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)理論與實(shí)踐

引言

在當(dāng)今這個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的一部分，小到可穿戴的手表，大到智能汽車(chē)；從家庭使用的掃地機(jī)器人，到戰(zhàn)場(chǎng)上參戰(zhàn)的無(wú)人機(jī)，幾乎到處可見(jiàn)嵌入式系統(tǒng)的身影。我國(guó)的新興產(chǎn)業(yè)，如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)、智能安防等，對(duì)嵌入式系統(tǒng)工程人才需求也有大幅增長(zhǎng)[1]。為了讓教學(xué)更好地服務(wù)生活，培養(yǎng)實(shí)用型人才，各高校都將嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)納入人才培養(yǎng)計(jì)劃。

IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置，是一種專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備并不是我們通常理解的PC形象，它并沒(méi)有一個(gè)固定的形象，很難從產(chǎn)品外形上直接發(fā)現(xiàn)其身影，因?yàn)槠渥陨聿](méi)有固定的形態(tài)，而是隱藏在其他產(chǎn)品的內(nèi)部，也正因?yàn)槿绱?，其擁有?yōu)越的可裁剪特性，在降低產(chǎn)品功耗的同時(shí)也降低設(shè)備成本。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)包含軟件和硬件兩個(gè)部分，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分就是我們通常所說(shuō)的BSP（board support packet）驅(qū)動(dòng)，主要是將硬件功能用軟件語(yǔ)言包裝成上層應(yīng)用可調(diào)用的函數(shù)接口，屬于硬件到軟件的功能封裝和轉(zhuǎn)化，是硬件之上的第一層軟件，是軟件層面的最底層軟件。

嵌入式系統(tǒng)課程是高等院校電子和信息專(zhuān)業(yè)一門(mén)非常重要的課程[2]，重在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常側(cè)重于理論教學(xué)，難以激發(fā)學(xué)生的興趣和主觀能動(dòng)性[3]。近年來(lái)，一些高校對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)進(jìn)行了多方位的改革嘗試[4-7]，均取得一定的成果。本文將企業(yè)規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程和要求與高校教學(xué)的目的和方法充分融合，開(kāi)發(fā)出一套適用高校嵌入式系統(tǒng)課程的與企業(yè)開(kāi)發(fā)流程緊密結(jié)合的新教學(xué)模式，使得學(xué)生能學(xué)習(xí)到更具實(shí)用性的嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)和開(kāi)發(fā)模式，以便學(xué)生走上工作崗位后能更高效、更順暢地適應(yīng)企業(yè)要求，從而增加高校教學(xué)的實(shí)用性。

1. 嵌入式系統(tǒng)課程的知識(shí)體系概覽

嵌入式系統(tǒng)課程是涉及電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等多專(zhuān)業(yè)交叉的綜合性課程[8]。嵌入式系統(tǒng)體系從知識(shí)架構(gòu)上可以歸為兩大類(lèi)，即硬件知識(shí)和軟件知識(shí)。其中，軟件包含BSP驅(qū)動(dòng)軟件以及部分應(yīng)用層軟件，各層之間涉及的知識(shí)體系如圖1所示。在低年級(jí)所學(xué)的基礎(chǔ)課程，如電子線路、模擬電子線路、數(shù)字邏輯電路、硬件語(yǔ)言等屬于硬件類(lèi)知識(shí)，查看或設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理圖以及PCB圖的時(shí)候會(huì)用到此類(lèi)知識(shí)。VHDL、verilog等硬件編程語(yǔ)言主要用來(lái)仿真或針對(duì)EPLD/FPGA等可編程器件的開(kāi)發(fā)，BSP驅(qū)動(dòng)所涉及的最主要的基礎(chǔ)課程就是C語(yǔ)言，此外還有Python語(yǔ)言等，同時(shí)輔以匯編語(yǔ)言、Makefile、Shell等工具語(yǔ)言進(jìn)行的自動(dòng)化編譯和開(kāi)發(fā)。一些較復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)設(shè)備還自帶操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)也屬底層驅(qū)動(dòng)的范疇，屬于CPU驅(qū)動(dòng)，但并不是所有嵌入式處理器都可以稱(chēng)為CPU，不帶操作系統(tǒng)的一般被稱(chēng)為嵌入式微處理器（micro processor unit，MPU）或嵌入式微控制器（micro controller unit，MCU單片機(jī)），高校嵌入式系統(tǒng)知識(shí)教學(xué)主要是圍繞單片機(jī)類(lèi)的MCU進(jìn)行的。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)代碼相當(dāng)龐大，功能非常復(fù)雜，可展示性不強(qiáng)，因此一般在商用設(shè)備中使用，不太適合用于教學(xué)，而讓單片機(jī)運(yùn)行出一個(gè)可視化的功能僅僅需要簡(jiǎn)短的代碼驅(qū)動(dòng)即可，非常適合按小時(shí)為計(jì)時(shí)單位的課堂教學(xué)和實(shí)踐。

2. 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)普遍存在的問(wèn)題

嵌入式系統(tǒng)課程是在完成眾多基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)之后開(kāi)設(shè)的一門(mén)應(yīng)用型課程，該課程所依賴(lài)的每一門(mén)獨(dú)立基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)難度都在中等偏上，且學(xué)習(xí)過(guò)程中非常依賴(lài)實(shí)踐來(lái)強(qiáng)化學(xué)習(xí)和理解。如果該課程的教學(xué)模式設(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)各種意想不到的問(wèn)題，從而影響教學(xué)效果，最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是學(xué)生入職工作崗位后，發(fā)現(xiàn)在學(xué)校所學(xué)的知識(shí)和工作實(shí)踐中用到的知識(shí)之間存在著偌大的壕溝。學(xué)生最普遍和突出的感受就是：大量在學(xué)校學(xué)習(xí)的知識(shí)在工作中貌似并沒(méi)用到，而在工作中要用的知識(shí)在學(xué)校好像又沒(méi)學(xué)到；即使某些知識(shí)還有印象，但對(duì)細(xì)節(jié)掌握不清；或者同樣的知識(shí)點(diǎn)在老師教學(xué)過(guò)程中的側(cè)重點(diǎn)以及覆蓋面與工作中的似乎并不一致，教學(xué)要求和實(shí)際應(yīng)用的要求差別也很大。這些感受明顯違背高校教學(xué)的初衷，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

產(chǎn)生這些感受的主要原因是由教學(xué)階段和工作階段兩者間的各種差異造成的。（1）行動(dòng)目標(biāo)不一樣：教學(xué)以知識(shí)傳授為目的，工程應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)功能、解決問(wèn)題為主。（2）時(shí)間投入度不一樣：由于在學(xué)校期間需要同時(shí)進(jìn)行多門(mén)課程的學(xué)習(xí)，因此不可能像在公司那樣長(zhǎng)時(shí)間純粹地去學(xué)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。（3）學(xué)習(xí)方法不一樣：學(xué)校主要以教師講授為主、實(shí)驗(yàn)為輔，而工程實(shí)踐中全靠在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。（4）學(xué)習(xí)深度不一樣：學(xué)校在教授知識(shí)時(shí)需考慮覆蓋面，因此不允許在課堂上無(wú)限制地深究細(xì)節(jié)，而具體到工作中，個(gè)人有足夠靈活的時(shí)間對(duì)某知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深挖，而且只有對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握足夠深，才能解決開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的各類(lèi)問(wèn)題，最終得到正確的功能。此外，解決故障的過(guò)程會(huì)很好地加深對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。（5）上下級(jí)知識(shí)的學(xué)習(xí)契機(jī)不一樣：在學(xué)校，因?yàn)檎n程安排的原因，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)樹(shù)上各科的學(xué)習(xí)不可能同時(shí)進(jìn)行，而是需要分布在幾個(gè)學(xué)期中先后學(xué)習(xí)，因此經(jīng)常造成學(xué)生遺忘先前已學(xué)知識(shí)的現(xiàn)象；而在工作中，一個(gè)系統(tǒng)中的各層級(jí)的知識(shí)是需要同時(shí)研究和掌握的，因此彼此間能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)和理解，更易于掌握。（6）過(guò)程管理不一樣：在課堂上開(kāi)發(fā)一個(gè)功能，完全以目標(biāo)為導(dǎo)向，只要能實(shí)現(xiàn)功能就算完成任務(wù)；而公司在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有很多額外的要求，如開(kāi)發(fā)流程規(guī)范上的要求、流程管理合規(guī)性以及工作效率等各方面的要求，因此實(shí)踐過(guò)程中需要考慮得更多。（7）考核方法和要求不一樣：在學(xué)校，對(duì)于課程的考核以筆試為主、實(shí)踐為輔，而且實(shí)踐時(shí)對(duì)于功能的驗(yàn)收屬于一過(guò)性的，只要給老師展示的時(shí)候功能運(yùn)行正常就可以通過(guò)；而在公司，沒(méi)有筆試的環(huán)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)還需要考核代碼的封裝性、可讀性、穩(wěn)定性、可移植性、運(yùn)算復(fù)雜度等各種因素。

以上差異存在于教學(xué)過(guò)程的某一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)，各教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題歸納如表1所示。

3. 教學(xué)過(guò)程的改進(jìn)

為減小學(xué)校應(yīng)用教學(xué)和企業(yè)實(shí)踐之間的差異，針對(duì)表1提出的高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，借鑒企業(yè)的開(kāi)發(fā)管理過(guò)程，融合企業(yè)管理辦法和流程，提出相應(yīng)的改進(jìn)辦法，如表2所示，從課程設(shè)置、教學(xué)過(guò)程、考核方式等三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法的改進(jìn)。

3.1 課程設(shè)置

嵌入式系統(tǒng)是一門(mén)實(shí)操性很強(qiáng)的課程，之前的教學(xué)計(jì)劃中理論課時(shí)占比偏高，實(shí)踐占比偏低，大概2：1的時(shí)間比例，較多的理論課時(shí)導(dǎo)致這門(mén)偏實(shí)操的課程沿用了理論課程的教學(xué)模式，從而導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)的偏離。在該環(huán)節(jié)的教學(xué)改革中，充分考慮了學(xué)生作為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)新手需要的學(xué)習(xí)過(guò)程，以及開(kāi)發(fā)過(guò)程的完整性，提高實(shí)踐課時(shí)的占比，將當(dāng)前的理論課時(shí)與實(shí)踐課時(shí)的占比從2：1改為1：1的設(shè)置。

3.2 教學(xué)過(guò)程

在嵌入式系統(tǒng)課程的課堂內(nèi)容中，為了強(qiáng)化課程間的銜接關(guān)系，在課堂上增加了對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程與其他相關(guān)課程的關(guān)系梳理，幫助學(xué)生及時(shí)建立課程之間的神經(jīng)鏈接，并在教學(xué)過(guò)程中引用實(shí)例驗(yàn)證，使抽象概念具體化，深化理解。

編碼是嵌入式系統(tǒng)課程中非常重要的環(huán)節(jié)，代碼走讀是學(xué)生學(xué)習(xí)如何從一個(gè)機(jī)器語(yǔ)言的學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)換成使用者的最有效的方式，因此在課堂上通過(guò)充分分析例程，增加了對(duì)學(xué)生代碼走讀能力的培養(yǎng)和檢驗(yàn)。

嵌入式系統(tǒng)課程在實(shí)踐的時(shí)候，如果僅僅以完成功能為主要目標(biāo)，那就會(huì)與公司的開(kāi)發(fā)流程和規(guī)范產(chǎn)生較明顯的脫節(jié)。對(duì)于一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)者，功能的實(shí)現(xiàn)只是目標(biāo)之一，代碼的規(guī)范性、可調(diào)性、封裝性、移植性、穩(wěn)定性、兼容性、可讀性、可維護(hù)性以及代碼復(fù)雜度等均是衡量代碼質(zhì)量的指標(biāo)，是需要在實(shí)踐過(guò)程中考慮的。因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)考慮這些性能的意識(shí)和習(xí)慣，在驗(yàn)收的時(shí)候增加了代碼性能方面的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

為更好地銜接教學(xué)和工作，在教學(xué)過(guò)程中，不僅需要關(guān)注功能是否完成，還要關(guān)注代碼的穩(wěn)定性，以及內(nèi)存泄漏、時(shí)間復(fù)雜度、CPU執(zhí)行效率等軟件質(zhì)量考核指標(biāo)，保證代碼的運(yùn)行效率，在學(xué)習(xí)階段就要對(duì)學(xué)生植入關(guān)注代碼質(zhì)量指標(biāo)的理念。除了以上正向的理念培養(yǎng)，還要通過(guò)設(shè)計(jì)不合理的代碼，進(jìn)行反向教育，讓學(xué)生親身體驗(yàn)代碼設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的煩惱，加深理解。

3.3 考核方式

嵌入式系統(tǒng)課程傳統(tǒng)的考核方式以筆試為主，筆試分占80%左右，實(shí)踐占總分的20%，這樣的占比導(dǎo)致部分學(xué)生出現(xiàn)重筆試、輕實(shí)踐的心理，因此有必要將實(shí)踐的總分提高。經(jīng)過(guò)分析討論，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中將實(shí)踐得分占比提高到50%。但要注意的是，由于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很多芯片驅(qū)動(dòng)在網(wǎng)上都能下載到代碼，有的通過(guò)人工智能就可以把芯片的功能開(kāi)發(fā)出來(lái)，因此要讓學(xué)生完成功能展示并不難，甚至出現(xiàn)了個(gè)別學(xué)生可以展示很復(fù)雜的功能，然而這些學(xué)生卻連一行代碼都解釋不了。因此，要將考核方式從功能展示為主轉(zhuǎn)化為代碼講解為主，在驗(yàn)收時(shí)對(duì)功能要求做微小調(diào)整，讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)改造功能，以檢查學(xué)生對(duì)代碼的掌握程度，除了考核功能，還需要讓學(xué)生講解他們?cè)谠O(shè)計(jì)代碼時(shí)對(duì)代碼質(zhì)量指標(biāo)的考慮。

4. 實(shí)施效果

原先大部分嵌入式系統(tǒng)教學(xué)仍然處于以理論學(xué)習(xí)為主、課程設(shè)計(jì)為輔的局面，這導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐能力得不到提升，缺乏對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)興趣[9-10]，而改進(jìn)后的教學(xué)方法，將原先的以教為主、學(xué)生被動(dòng)接收的模式改為教學(xué)和實(shí)踐并重的模式。經(jīng)過(guò)一年的實(shí)踐，從教學(xué)效果上來(lái)看，學(xué)生上課的積極性和對(duì)編程知識(shí)的掌握度均有所提高，同時(shí)由于在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中引入了公司的開(kāi)發(fā)流程和管理要求，讓學(xué)生對(duì)實(shí)踐的參與度更高了?？己四Ｊ降男薷拇蠓岣吡藢W(xué)生對(duì)實(shí)踐課的重視度；驗(yàn)收方法的改革，給學(xué)生以正向的動(dòng)力去自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率得到了明顯的提高。

結(jié)語(yǔ)

本文參考企業(yè)規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的過(guò)程和方法進(jìn)行了修正，通過(guò)對(duì)課程設(shè)置、教學(xué)過(guò)程、考核方式三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，開(kāi)發(fā)出一套更能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解知識(shí)的新教學(xué)模式。通過(guò)一學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐，新的教學(xué)方法很好地改變了學(xué)生們對(duì)實(shí)踐課時(shí)的重視程度，大大提高了他們的動(dòng)手實(shí)踐能力，通過(guò)實(shí)踐也加強(qiáng)了他們對(duì)知識(shí)的掌握和理解。

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作者簡(jiǎn)介：陸紅紅，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)嵌入式開(kāi)發(fā)；通信作者：崔艷軍，碩士研究生，cuiyanjun_njust@hotmail.com，研究方向：光電技術(shù)人工智能。