嵌入式系统专业课程教学存在的问题与思考

徐远超 张聪霞 关 永

摘要:近几年很多高校都相继开设了嵌入式系统专业,由于嵌入式系统本身的复杂性及课程教学体系的不成熟,使得嵌入式教学还存在很多问题有待探讨。正视、认清并结合实际情况寻找对策,才能搞好教学和专业建设,真正提高嵌入式人才培养质量。本文分析了嵌入式系统专业存在的部分问题、总结了国内高校的几点成功做法,重点对师资建设、体制管理、课程改革等问题进行了思考。

关键词:嵌入式系统;课群建设;教学改革;教学方法

中图分类号:G642 文献标识码:B

1前言

嵌入式是近几年发展最为迅速的IT领域之一,人才市场的需求量极大,因此,包括北京大学、北京航空航天大学、同济大学、浙江大学等著名大学在内的全国很多高校及高职院所都纷纷开设了嵌入式系统专业。如何提高教学质量,培养专业人才,是摆在专业建设负责人和任课教师面前的重要课题。要解决好这个问题,必须首先认清嵌入式系统的特点,以及目前存在的问题,通过分析成功的经验做法,在结合自身特点及现实情况的基础上制定一套适合自己的教学体系。

2专业特点

(1) 专业涉及面太广、综合性太强。嵌入式系统是一门“软硬兼施”、涉及多门专业基础类课程内容并具有较强应用针对性的课程,不仅要求学习者具有较好的计算机软、硬件基础知识,还要求其具有其他门类专业的常规知识(如通信,自动控制,传感器技术等),被业界认为是一科入门门槛较高的学科。

(2) 在此之前,学生在算法设计、应用层编程上接触较多,而嵌入式系统需要大量的理解底层硬件和外设的工作原理,以及内核和驱动的工作原理,涉及到复杂的C语言和操作系统的概念,学生一下子无法接受,甚至产生畏难情绪。

(3) 嵌入式系统往往与应用相关,处理器、操作系统等种类繁多,熟悉这些内容,仅仅靠课内有限的学时是远远不够的,这无疑要求学生们拿出大量的课外时间加以自学,这对他们的自学能力提出了很高的要求,而自学能力的培养普遍没有得到足够的重视或训练。

3存在的问题

(1) 随着高校的扩招,包括重点大学在内的生源质量普遍下降。很多学生只愿学马上能用、容易上手的知识,这种现象在除重点大学之外的其他高校普遍存在。学生的学习兴趣和积极性亟待提高,没有这一点作为基础,任何教学改革都是无源之水,天方夜谭。

(2) 由于涉及的知识面广,综合性强,这就对任课教师提出了更高的要求。一般的教师很难做到软、硬件都精通,很多老师都是在接受短期培训之后就给学生授课的,对相关基础缺乏全面足够的了解,实践经验有限。因此,目前学生实践活动普遍停留在应用程序开发的阶段上,底层内核移植、驱动程序的开发相对较少。

(3) 现有的嵌入式实验教学平台所配的实验,几乎都配备了详细的实验指导书,虽然老师们准备实验讲义的工作量减轻了,但学生们按照实验指导书的步骤一步一步按部就班地重复实验内容,不仅无创新可言,实验本身的效果也大打折扣。

(4) 有限的课内学时,无法满足实践教学,尤其是综合性、设计性实践的需要。由于管理体制的原因,很多院校的实验室并未完全开放,教师指导学生课外实践的积极性没有完全调动起来,课内安排的实验更多的是为了配合课内理论教学的内容,一个实验一个模块,缺乏系统性,学生无法建立完整的系统概念。

4成功的做法

纵观国内高校的成功做法,有以下几点值得借鉴。

(1) 普遍采取基于项目(Project-Organized)的学习方法,基于问题(Problem-Based)的教学方法。由此产生的实践教学目标明确,效率高。纵观实践教学成功的例子,普遍都是“Learning by Doing”,而不是“Doing by Learning”。

(2) 重视与博创、周立功、Altera、Xilinx、Microsoft、Intel、ARM等知名企业的合作,以获得最直接的技术支持。既能弥补课程资源的不足,也能有效地培养师资队伍。

(3) 重视和参加各种嵌入式大赛。很多学校,如北京工业大学,同济大学,北京航空航天大学,电子科技大学在全球性的嵌入式大赛中都取得了骄人的成绩,学生们在大赛中得到了极大的锤炼,这些经验和积累也充实到教学改革中。在历届的“博创杯”全国嵌入式大赛中,哈尔滨工程大学多次获得特等奖,足以看出该校已经形成了良好的竞赛氛围,也积累了丰富的大赛经验和技术成果,并非一蹴而就。

5思考

看到一些理工科重点大学的成功做法,我们切记一定不能完全照搬,必须充分认识本校的特点,认真思考并选择属于自己的道路。

5.1教师队伍建设

嵌入式是最近几年才逐渐发展起来的新专业,教师的教学经验普遍不足,教师队伍建设十分关键。建议形成以专业负责人为核心,全员参与的教学队伍。由于实践辅导的强度非常大,一名教师往往也无法解决实践过程中,尤其是创新实践过程中涉及的所有内容,因此我们要探索一门课以一位老师为主导、由多位老师讲授或辅导的模式。协同指导,既能减轻教师的负担,又能提高辅导的效果。所有教师都要苦练内功,丰富自己的理论水平和实践经验,并真正投入到实践辅导的队伍中。周立功曾说,与他合作的研究生导师必须亲自参与到科研项目中,不能只是指导。

5.2管理体制改革

很多嵌入式大赛取得优异成绩的高校,都得益于三个方面,一是学生积极参与,二是教师主动投入,三是领导足够重视。竞赛的主体是学生,由于竞赛是自愿性质的,面对每年各种各样的嵌入式大赛,很多高校根本就没有学生报名。原因是多方面的,除学生的个人基础外,笔者认为在于引导不够、宣传不够、激励不够。北京交通大学的做法是如果要申请保送研究生,必须有这方面的竞赛经历甚至获奖。另外,很多高校考核教师主要看科研,指导学生实践活动要占用大量的时间,投入与回报不成正比,很多教师不愿投入精力,而仅靠个别教师指导是无法形成合力的。北京工业大学在这方面做得很好,不仅有八人的教师梯队,大部分教师都直接参与指导并有着丰富的实践经验,学校也十分重视,投入专款建竞赛训练基地。

5.3教学与科研结合,形成自己的特色

实践证明,没有科研的教学是没有深度的。加州大学伯克利分校规定,课程教学必须与教师的研究领域紧密相关,他们追求深度甚于广度。国内在嵌入式领域的著名高校,都十分重视与知名企业的合作,如同济大学与微软在移动方面合作,浙江大学与Intel在多核方面合作,都形成了自己的特色。嵌入式系统与特定行业应用密不可分,泛泛的教学无法激发学生的兴趣。

5.4课群建设,课程整合

我们发现,导致学生失去兴趣的另外一个原因是课程太多,压力太大。如我院近几年相继开设了嵌入式系统基础、嵌入式汇编语言、嵌入式操作系统、嵌入式软件设计、嵌入式软件测试、课程设计等课程,要通过考试,学生们必须完成相应任课教师布置的大量作业,学生们普遍感觉很累。如果通过一个大的Project,将嵌入式汇编、软件设计、软件测试等课程内容有机的整合起来,让学生得到系统级训练,作为内容的提升,可以让学生在嵌入式软件的优化、功耗的降低、可靠性设计等方面作些研究和实验,甚至可以延续为毕业设计题目。因此,必须以专业为基础,进行课群建设。

5.5教学方式改革

嵌入式系统实践性很强,且有一定难度。建议采取自顶向下(寻根究底)的教学模式,这也符合认识事物的规律。建议学生们最好有一点单片机的基础,初期用现成的学习板,尽量简单,后期可尝试自己设计,从硬件到软件完全自己做。不仅要进行软件的设计,而且还要进行硬件电路的设计和制作,以及软硬件系统的联合调试,使学生建立相关课程之间知识的有机联系。让学生熟悉需求分析、方案设计、原理图和PCB绘制、元器件采购、电路的焊接和调试、嵌入式软件开发等各个环节,使他们的工程实践能力得到真正提高。值得注意的是,项目必须尽可能接近真实世界,因为真实的项目有很多约束,而这正是嵌入式系统的特点。考虑到学生的基础参差不齐,必须分层次要求和考核。针对实验教材过于详细的问题,建议任课教师对实验重新进行逐一设计,制造一些问题,尽管工作量很大,但确实十分必要。要发挥教师指导、教练的作用,强调学生自学能力的培养和提高。教学中要讲思路、思维方式和方法,具体知识让学生自学,并记录遇到的问题,长时间无法解决和典型、普遍性的问题再在课堂上统一讲授。建立资源库,尤其是师生互动的教学资源,建立答疑库,逐渐积累丰富。好的作品建立音视频录像永久保存。这样第二年的项目可在此基础上再有所发挥。

5.6教材建设

每个学校都有自己的侧重点,基础也不一样,建议自编讲义,结合教学大纲更多地融于自己的研究内容,在讲授的过程中思路也会更加清晰,从而可以在教学中传授更多的经验而非简单的知识,条件成熟时还可以公开出版,很多高校都有类似的做法。

6结束语

任何一个专业从新生走向成熟都需要经过几年甚至更长时间的探索与磨合。在建设的过程中,必须针对学校的特点、生源的质量制定符合自己的培养计划,根据教学反馈,实事求是,不断调整。教与学都必须苦练内功,不断积累,切忌急功近利,肤浅浮躁,只有这样,教学质量才能实质性的提高。

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