嵌入式系统教学体系改革探讨

黎建华，胡永良

（台州学院 数学与信息工程学院，浙江 临海 317000）

嵌入式系统教学体系改革探讨

黎建华，胡永良

（台州学院 数学与信息工程学院，浙江 临海 317000）

针对嵌入式产业发展所面临的机遇与挑战，简要分析了国内嵌入式系统教学的问题所在；建立了嵌入式课程设置体系结构、嵌入式实验教学内容和实验教学体系；结合嵌入式课程的自身特点，给出了“五阶段三层次”的教学体系思路，探讨了项目教学法在嵌入式系统教学中的实施流程，以此提高学生的应用实践和创新能力。

嵌入式系统；课程体系；实验教学；项目教学

1 引言

2010年3 月在全国两会上，政府工作报告首次专门提及物联网，这给物联网产业带来的是鼓舞更是机遇，物联网已经成为未来十年中国经济的关键词。同年嵌入式系统研讨会于3月27日在北京航空航天大学举行，此次会议的主题是从物联网谈嵌入式系统的发展，探讨如何利用物联网发展契机推动国内嵌入式系统产学研结合的步伐。嵌入式系统作为物联网的支撑技术，正逐渐成为众多高校的重点建设课程。在IEEE计算机协会和ACM共同制定2004版计算机类课程体系中，嵌入式系统已经被列为核心课程之一［1］。

当前国内高校纷纷开设了嵌入式体系结构的相关课程，但国内的嵌入式系统教育与培训还处于初期阶段，没有形成统一的教学体系和人才培养模式，课程缺乏系统性和层次性，未发挥各个课程间的协同优势。为发挥高校服务社会经济建设的作用，提高国内制造业的技术改造和转型水平，高校如何提高嵌入式体系结构相关课程的教学效果，突破传统8位单片机的教学模式［2］，培养嵌入式系统方向的高技术人才，实现信息产业由“中国制造”向“中国创造”的突破，是一个值得探讨和反思的课题。

2 嵌入式系统课程体系的建立

随着嵌入式产业规模的发展，人才的短缺成为制约产业发展的瓶颈，企业对嵌入式技术人才更是求才若渴，所以嵌入式系统的教学应倾向于工程实践而非单纯的知识传授。然而嵌入式系统本身涉及知识面广、综合性和应用性强，加上学科发展非常之快，因而学习和讲授难度都很大，难以形成一个简单明确的知识体系。这就要求授课教师不仅要具备计算机系统一般的软硬件理论知识，而且必须真正从事过嵌入式系统相关项目的开发，才能对嵌入式系统有一个感性认识。

当前诸多高校只是为了适应技术的发展趋势更改或增设了一两门嵌入式系统课程，跟嵌入式相关的许多课程的开设基本是在大三下学期或大四上学期单独开设，学时少，大部分学生根本无法在很短的时间内掌握嵌入式系统的开发和设计方法，究其根本原因是嵌入式系统相关课程的开设缺乏层次性和渐进性。通过研究与探索，本文给出了“基础导论类课程－嵌入式处理器课程－嵌入式操作系统课程－应用领域课程－讨论班课程”的五阶段课程设置体系结构，如图1所示，形成了以地方需求驱动的嵌入式课程群。

第一阶段主要开设嵌入式软件概论、嵌入式系统分析等系统分析和导论类课程，对嵌入式软件开发中经常会遇到的问题进行分析，包括处理器体系架构、C/C++编程语言、开发环境和工具、实时问题、RTOS、网络等，介绍嵌入式软件开发特征相关的要点，让学生对嵌入式系统的设计与开发有一个完整的认识。第二阶段开设嵌入式微处理器的相关课程，结合高校自身的专业特色，选择一到两种微处理器内核进行讲解，比如ARM、DSP等，加深学生对嵌入式微处理器内核的认识和理解。第三阶段开设嵌入式操作系统，比如实时内核UCOS、QNX等，多任务内核Wince、Linux等，为嵌入式开发提供一定的软件基础。第四阶段结合各地产业发展特色、具体的应用领域和行业特点，开设数字图像处理、模具控制和无线网络等课程，提升学生的实践应用能力。第五阶段是强化训练，可开设一些高层次的嵌入式系统课程，例如传感器网络、分布式嵌入式系统等课程，当然这类课程建议以讨论班的形式开展。对于嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的选择有多种，一般只需选择其中一种，从精通一种到能开发项目，为自学其它的嵌入式处理器或操作系统打下基础。

图1 “五阶段”课程设置体系结构

通过以上五阶段的分层次、渐进性的学习与实践，逐步提高学生嵌入式系统的理论水平和应用能力，对嵌入式系统的学习可以上升到系统级和专业级。同时从导论类课程开始，可考虑在计算机导论里面加入嵌入式系统的架构、软硬件设计方法以及应用实例等方面的简单介绍，激发学生对专业的学习热情；对程序设计类基础课程教学最好能在Linux环境下进行，让学生在学习程序设计语言的起步阶段即熟悉Linux环境下的程序设计、编译和调试方法。

3 嵌入式实验教学内容与教学体系的建立

在实施嵌入式教学的整个过程中，鉴于嵌入式应用性为主的特点，实验教学成为衡量嵌入式教学质量的重要环节。随着教学的改革，多样化的实验教学内容和方法也应运而生。改革实验教学手段，更新优化实验教学内容和方法，是嵌入式系统教学内容改革的重要组成部分。

3.1 嵌入式实验教学平台与内容的选择

在嵌入式系统教学的各个阶段，实验教学硬件平台是十分关键的。教学平台的选择有两种方案，一种是自行设计简易的实验教学平台，编写简易的实验指导书。另一种是购买市面上现成的实验开发箱，利用厂家提供的内容来授课。

当前大部分都是以现成的实验箱为主，教学很大程度上不是由应用来推动的，而是跟着实验箱厂家提供的内容来规划授课内容。学生的实践环节受限于教学内容和实验设备，大多只能做些验证性实验。实验环节缺乏经验和资源，教学内容上的欠缺，直接影响了学生面对实际系统时的创新能力与二次开发能力。因此在嵌入式平台和教学内容上，建议两种方案相互结合，购买部分实验开发箱，另一部分可以在教师指导下，让学生自行设计简易的实验开发板，边干边学，以干促学［3］。

3.2 “演示验证型－综合设计型－研究开发型”三层次嵌入式实验教学体系

为培养学生的动手实践能力与创新能力，建立“演示验证型－综合设计型－研究开发型”三层次的嵌入式系统实验教学体系，并采取“开放式实验教学”的思路和方法，充分利用学生的业余时间。有条件的可以将课堂转移到实验室，教师边讲、学生边干、教师边辅导的教学形式，使学生不再感到内容抽象枯燥。

（1）演示验证型实验主要让学生掌握基本技能，提高学生对基本知识点的理解，比如中断实验，串口通信实验，内存管理实验，实时时钟实验，LCD实验，IIC、SPI、CAN等总线接口实验，嵌入式操作系统的移植。配备基本的实验指导书，提高学生对基础实验的兴趣，为后面的综合设计性实验做准备。

（2）综合设计型实验要求尽可能抛开具体的实验指导书，综合整个课程的知识，对每道综合性实验都要进行巧妙的设计，达到训练学生综合设计能力的目标，例如实时时钟RTC实验本为验证性实验，在调动起学生的兴趣后，设计一个类似手机上的世界电子时钟和日历程序［4］。

（3）研究开发型实验要求较高，最好结合各地产业特色，通过校企合作、毕业设计、课外科技活动等渐进式项目教学、讨论班的形式展开，结合软硬件协同设计，培养学生灵活运用专业知识的能力及团队精神。

4 渐进式项目教学法在嵌入式系统教学中的探讨

当前国内外针对嵌入式系统的教学分为高校教学和社会培训两类。社会培训一般少则一个星期，多则一个月，培训周期较短，学员只能对嵌入式整体构架有一个整体认识，但优点是以项目为主线。项目教学法是目前高校教学改革的主要方向，而嵌入式系统自身的应用性特点决定了它必须和生产实践相互结合。所以在嵌入式系统教学的中后期阶段，鼓励开展项目教学，项目之间也要遵循渐进性。形成以“教师为中心”转变为以“学生为中心”，以“课本为主线”转变为以“项目为驱动”。项目教学法实施流程如图2所示。

图2 项目教学实施流程

4.1 嵌入式系统应用项目确定

对于地方院校，应用型人才显得更加重要。地方高校是区域创新体系的龙头和骨干，易深入实际获取问题，从实践中来到实践中去，在高校人才培养中具有一定的优势。所以项目教学中的项目来源主要取材于当地企业，和当地产业紧密联系，通过校企合作，由教师审核指导，学生动手，开展横向合作项目。另外也可将教师曾经开发过的嵌入式系统项目拿过来，布置给学生，这样教师易做到心中有数。

4.2 组建项目小组并进行需求分析

学生选择自己感兴趣的项目组成若干个项目小组，各个小组选出“项目经理”，负责人员分工与课题的完成。教师下发项目设计任务书，由项目组成员对问题进行分析讨论，可以通过企业访谈、文献搜集、网络信息等手段明确项目需求。

4.3 制定项目实施计划

完成需求分析后，由项目组成员通过讨论对项目进行任务分解与分工，确定初步时间安排，确定项目方案和步骤，建立起完整的项目实施计划。

4.4 项目实施

项目实施是整个项目的关键部分，也是遇到问题最多的阶段，项目组组长起到人员之间的组织协调工作，在实践过程中遇到问题，要求利用网络、图书馆、团队的凝聚力解决，培养解决实际问题的能力。指导教师要经常过问，必要时给予适当的引导和帮助。

4.5 项目成果展示与评价总结

项目完成后应该对成果进行展示，介绍项目实施过程中遇到的难点和解决方法。这样不仅对完成该项目的成员起到鼓励作用，对项目产生成就感，对其它组成员也起到了激励作用。同时还要其它项目组的同学提出问题，项目组成员给予解答。最后由指导教师对项目进行评价，探讨遗留的问题。

5 结束语

嵌入式系统作为一门应用性极强的课程，其教学改革是一个复杂而艰巨的任务，需要建立完整的课程设置体系结构，不断的丰富实践教学内容，获取更多的实践项目。嵌入式系统作为物联网的“大脑，中枢神经”，各大高校都在进行教学改革，但必须真正立足于各地产业发展特色，才是高校嵌入式人才培养的真正出路。

［1］IEEE Computer Society，ACM Computing Curriculm-Computer Engineering. Computing Curricula-Computer Engineering 2004 “CE2004 Final Report”［OL］.http：//www.eng.auburn.edu/ece/CCCE.

［2］马忠梅.嵌入式系统教学模式探讨［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008，（11）：5-8.

［3］王建萍，费跃农，王燕瑜.嵌入式系统“边干边学”教学模式探究［J］.电气电子教学学报，2007，（5）：103-105.

［4］欧阳秀军，刘启岳，彭宣戈.嵌入式系统教学模式的研究与实践［J］.井冈山学院学报（ 自然科学） ，2006，27（12）：43-44.

Discussion on Teaching System Reform of Embedded System

LI Jian-hua，HU Yong-liang

(School of Mathematics and Information Engineering,Taizhou University,Linhai 317000,China)

The problems of embedded system teaching are presented in this paper by analyzing the challenge and opportunity to the development of embedded industry. The course system structure and the experimental teaching system have been established.The teaching contents of embedded system have been given.The new teaching ideas,combined with its own characteristics of embedded courses,are proposed and named five phases and three levels.In order to improve the students’application and creation ability,this paper discusses the implementation process to project teaching in embedded system.

embedded system;curriculum system;experimental teaching;project teaching

耿继祥）

TG146.4

A

1672-3708（2010）06-0081-04

2010-11-05；

2010-12-01

黎建华（1980年- ），男，湖北宜昌人，讲师，硕士。胡永良（1973年- ），男，浙江临海人，副教授，硕士。