面向高等教育的嵌入式系统教学改革

摘要：在分析国内嵌入式系统教学改革必要性的基础上，提出具体改进建议，介绍成立专门的嵌入式专业师资、建设立细分化教材体系、增强“做中学”教学力度、工程化的人才培养和学术驱动的教学模式。

关键词：嵌入式系统；教学改革；教学模式

随着嵌入式系统应用的迅速扩展，嵌入式开发从业人员的需求量成指数增长。作为后PC时代的产物，嵌入式产品正在逐步融合桌面计算，为人们提供各种服务，其开发涉及芯片、外设、底层软件、操作系统、网络、数字媒体、Web服务等多种领域、多个层次[1-2]。

为适应市场需求和应用发展，各高校本科均逐渐开设了嵌入式系统相关课程[2]。但由于传统教学大纲的影响和课时的限制，大多数院校只是提供一门偏向于嵌入式系统综述性的课程，或者将其分成软件和硬件两门课程介绍。在最初的嵌入式系统教学中，我们发现嵌入式系统教学的内容多而乱，内容不够深入，颇有浅尝则止的问题[3]。更为严重的是学习者感觉“什么都在学，但什么都不会”，他们很快就失去了进一步学习的积极性。原因在于这种培养方式没有对整个嵌入式系统体系进行较为深入的介绍，学生也只是粗略了解相关概念、知识、应用场景等。在实验课程配置方面，受设备、场地、技术等多种因素的限制，更多的是开设一些验证性实验，与实际工程应用相差较远[4]。为此，高校嵌入式系统教学需要进一步的改革。

1嵌入式系统教学改革的必要性

当前，嵌入式系统教学存在明显的不足，改革势在必行。嵌入式系统教学改革的必要性主要体现在以下方面。

1.1师资力量不够

以往教学都是以教研室为单位开设课程，教师既要做科研，又要抓教学，这种方式必然导致教学质量不高，另外，嵌入式系统教学不太受重视。为改变教学现状，我们必须集中优势师资力量，实现高水平嵌入式教学。

1.2教材过于笼统

在传统的高校嵌入式教学大纲中，课时非常少，因而，嵌入式教学一般提供一门偏向于嵌入式系统综述性的课程，或者分成软件和硬件两门课程介绍。这种过于笼统的教材，只能是“以偏盖全，浅尝则止”，有种鸡肋的味道。

1.3教学方式陈旧

嵌入式系统的教学与以往的基础课程和理论课程不同，需要对实际的实物或应用有感性认识。然而，传统的教学模式或多或少受些“照本宣科”的影响，许多高校最终开设成为一门知识介绍性的课程。这种陈旧的教学方式，必然会消磨学生的兴趣。

1.4缺乏工程化的培养模式

嵌入式系统是一门应用学科，注定要走上工程化的道路。当前的嵌入式系统教学，缺乏以软件工程为驱动、以企业合作培养为促进的人才培养模式。

1.5缺乏学术前沿的融合

欧美发达地区高校嵌入式系统教学无一例外都是以学术前沿驱动的教学模式，遵循着“以前沿研究带动教学，以教学促进前沿普及”的模式。而在国内，由于嵌入式教学从业人员对学术前沿的把握不够，导致嵌入式教学的落后。就目前而言，国内大多高校还以传统嵌入式系统的设计和开发为基础。

2高校嵌入式系统教学改革的建议

针对国内嵌入式系统教学存在的问题，经电子科技大学示范软件学院和嵌入式系教学人员讨论，我们提出以下建议。

2.1成立专门的嵌入式系统专业

为解决嵌入式系统教学师资缺乏问题，在现有计算机学科的基础上，成立独门的嵌入式系统专业。嵌入式系统的教学行为从教研室上升为院系级，实现嵌入式系统的教学与科研人员的分离，进而为嵌入式系统教学提供更多的行政和财政资源。

电子科技大学在嵌入式方面有长久的历史，其教学历程久远。为满足当前嵌入式系统教学改革的需要，促进新型嵌入式人才的培养，电子科技大学软件学院做出尝试，即成立面向本科教育的嵌入式系统专业，这无疑将为高校嵌入式人才的培养带来福音。

2.2细分化教材体系

当前嵌入式应用的行业细分化进程飞速发展，嵌入式的教材体系和实验体系同样需要细分化的发展。当前高校可抓住“十二五”和“卓越工程师培养”规划的契机，编写系列教材。内容覆盖嵌入式系统方向的所有核心知识内容，这将为读者提供嵌入式系统开发的完整体系结构和思路，使读者能够较为容易地理解嵌入式系统及其开发的本质，掌握基本开发技术，了解并掌握典型的应用实例，为今后走向社会奠定扎实基础。对此，我们建议编写如下系统教材。

1) 嵌入式系统导论。嵌入式系统综述教材，用于激发学生对嵌入式方向的兴趣，帮助学生勾画嵌入式方向的轮廓，初步定位自己今后的发展方向。

2) 微机原理及接口技术。这是嵌入式方向的另一门重要基础课。它针对广泛应用的微型机软硬件系统知识和技术进行更深入和系统的学习。在学完本课程后，学生对计算机软硬件知识的掌握达到系统级专业水平，并为后继的专业课程(如ARM处理器、嵌入式网络、多媒体技术等)学习打下坚实的基础。

3)ARM处理器体系结构及应用。ARM处理器是目前32位以上嵌入式系统中最主流使用的处理器，号称嵌入式领域的“Intel”。因此，它是目前嵌入式方向必须掌握的基础硬件之一。教材编写以课堂理论教学和实验操作相结合的方法，使学生能够了解和掌握32位嵌入式ARM处理器的原理及其应用方法。

4)FPGA 原理与应用。教材在介绍FPGA基本原理的基础上，以Quartus II综合平台为基础，重点介绍基于Alterla FPGA的IP 设计方法和设计技巧，从系统工程的角度来详述完成一个设计需要开展的分析、仿真、实现等具体工作。配合相关实验和实训，帮助学生完全了解开发基于FPGA的实用电路的若干步骤，熟练掌握一个开发平台，达到基本胜任一项具体工作任务的目标。

5) 现代嵌入式操作系统。嵌入式OS在基本结构上与通用OS大同小异，因此教材的编写在概略介绍嵌入式OS各组成成分的基础上，重点阐述其自身的特色性成分，如实时调度、低功耗、安全、可靠等，并强调培养学生基于嵌入式OS的应用开发能力。

6) 计算机控制系统。在工程实践中，控制系统是产品智能化的核心。因此，掌握计算机控制系统的分析与设计方法并应用于嵌入式产品的研制，是嵌入式系统专业学生必须具备的基本技能。本教材系统地讲述计算机控制系统的基本原理与实现技术。

7) 嵌入式软件分析设计。教材概括嵌入式／实时软件的实时、并发特征，介绍设计过程中所使用的概念、模式和方法，讨论嵌入式软件分析设计在嵌入式系统设计开发过程中的地位，重点介绍常用的结构化实时系统设计方法和面向对象的嵌入式软件分析设计方法，培养学生掌握使用实时统一建模语言对嵌入式实时软件进行分析设计。

8) 嵌入式网络编程。本教材主要讲述嵌入式系统的各种网络接口编程技术，内容涉及嵌入式系统数据传输模式及其程序设计。书中将通过大量的实例教学，使学生深入理解嵌入式网络编程的内涵和实质，从而提高学生的实践技能。

9) 多媒体应用基础。教材主要介绍多媒体技术的概念、技术与应用。全书在介绍多媒体基本概念的基础上，重点对数字音频处理、视觉信息处理、多媒体数据压缩与编码技术、多媒体数据处理的技术标准、多媒体系统结构、超文本与超媒体技术、多媒体数据库技术、虚拟现实技术、流媒体技术、多媒体信息安全技术作了比较系统的阐述，同时重点介绍多媒体应用开发环境及应用实例。

10) 人机界面的软件设计。教材通过系统讲解人机交互理论和用户界面的设计原则，结合Windows、Linux、Web和嵌入式系统的典型软件用户界面设计，帮助读者掌握嵌入式产品用户界面的设计、测试、评估方法，培养产业化开发的基本思路。

11) 嵌入式系统应用开发。本教材的任务是通过实际应用开发实例教学，帮助学生系统深入地学习掌握嵌入式应用开发的基本技能和技巧、基本的开发测试环境，掌握典型的应用开发过程，旨在培养学生嵌入式应用开发的实践能力，初步具备全面的嵌入式应用系统分析能力与软硬件设计能力，使得学生毕业后可以直接学以致用。整个教材面向几个典型嵌入式应用领域的软件开发，主要分为三个大的部分：Brew 开发技术、J2ME开发技术和Android开发技术，包括主要的嵌入式开发技术。每个部分各具特色又相互借鉴和统一，便于对比学习。

2.3增强“做中学”教学力度

为改变传统的纯课堂讲授教学模式，我们采用“做中学”的教学模式非常必要。因此，我们建议高校增强在嵌入式教学中的“做中学”力度。它本身是对传统陈旧教学模的改革，同时也是提高嵌入式教学质量的重大举措。

“做中学”是一种新的学习知识方式，它要求学习者从实际经验中，而不仅是被动地从“讲-听”学习模式中直接获取知识。嵌入式系统正是一种以实际应用为出发的软硬件系统，课程教学必须采用“做中学”的方法，同时，我们可以从几方面加强“做中学”的力度：1)建立嵌入式专业的专门实验室，保证学习使用的嵌入式教学硬件平台的多样性和充分性；2)把嵌入式理论教学放到实验室去讲授，在实际的嵌入式开发环境下，通过教师或优秀学生代表自己动手操作的方式，提升学生的感性认识；3)加重实验教学的分值，加强学生的实践意识；4)增设嵌入式系统“细分化”课程的综合课程设计，培养学生的创新能力和团队合作能力。

2.4加强工程化的人才培养

作为国家重大战略规划，工程化人才培养是面向未来工业界，培养和造就一大批具有高创新能力，适应中国特色经济发展需要的高质量各类型工程技术人才。其最终目标是建设创新型国家，提升我国在国际社会的地位。

在嵌入式领域，工程化是培养嵌入式应用工程师为目标，着重培养学生的工程实践能力、设计能力、创新能力、团队合作能力、以及领导能力。在现有嵌入式教学的基础上，我们可以从两方面实现工程化人才培养的目标。一是以实际的工程应用为驱动，以整体项目的形式来讲解；二是通过邀请企业导师，加强嵌入式软硬件工程人才的强强联合培养。

2.5学术驱动的教学模式

在嵌入式领域，基于最新技术的课程在兴起，如基于无线传感器网络的深度嵌入式网络，嵌入式系统可信性能提升方向的课程，比如容错计算机系统、功耗感知计算机系统、防危关键嵌入式系统。因此，如果加强这方面教学，那么，嵌入式教学水平必将得到提高。

为改变嵌入式教学内容的落后状况，我们还必须实时跟进国际形势，采用学术驱动的教学模式。首先，教学人员必须跟进当前的最新研究进展。有能力的教学人员应投入到前沿研究，同时将最新学术成果放到课堂上讲，让学生去接受新知识的洗礼。其次，我们可以学术交流为目标，邀请学术达人以讲座的形式讲解前沿研究成果。电子科技大学软件学院教师在无线传感网络、可信嵌入式系统领域的研究成果较为丰富，拟计划以自身学术优势开设相关的前沿技术课程，并希望通过一些学术前沿交流课堂给学生带来新鲜技术和知识。

3结语

嵌入式系统本身是工程应用为驱动的、“软硬兼施”的课程。伴随着细分化嵌入式行业的发展，嵌入式系统教学无疑需要深入改革。我们在改革中，依托电子科技大学嵌入式系统教学改革思路，分析当前嵌入式系统教学的不足，并提出上述相应的建议，实践证明，成立专门的嵌入式专业、建立细分化的教材和实验体系、加强“做中学”模式、实现强强联合的工程化培养方式、进行学术前沿驱动的教学补充等一系列教学改革措施，改变了传统嵌入式教学带来的弊端，提升了嵌入式教学质量，希望本文的一些建议能为高校嵌入式教学改革贡献一点绵薄之力。

参考文献：

[1] 孙述和. 操作系统实验教学研究与探索[J]. 计算机教育,2010(1):93-96.

[2] 杨霞. 嵌入式系统及应用课程教学研究与实践[J]. 计算机教育,2008(5):71-74.

[3] 陈克力. 突出应用重点、强化实践环节[J]. 高等教育研究,2010(1):45-47.

[4] 谢玲. 高校开放嵌入式实验室的探索[J]. 计算机教育,2010(7):55-57.

Study of Embedded System Teaching Reform for Higher Education

JIANG Wei, SANG Nan

(School of Software, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Abstract: Teaching of embedded system is one of the most hot topics around the education world. However, there exists serious deficiency for embedded system teaching in domestic universities or colleges. Based on the analysis of reforming necessity, this paper proposes some concrete advices, which include establishing special teacher union for embedded system, constructing subdivided textbook architecture, enhancing the teaching degree of CDIO, cultivating students for engineering, using academic driven teaching method.

Key words: embedded system; teaching reform; teaching mode

(编辑：郭小明)