应用型自动化专业嵌入式课程体系和教学方法研究

潘秀琴 卢勇 张洪 中央民族大学信息工程学院 100081

应用型自动化专业嵌入式课程体系和教学方法研究

潘秀琴 卢勇 张洪 中央民族大学信息工程学院 100081

嵌入式系统课程体系和教学方法研究是高校教学改革的主要内容之一，本文以中央民族大学自动化专业嵌入式系统教学为例，对课程体系、教学方法等方面进行研究，分析总结了嵌入式系统教学特点，结合社会需求，提出了当今自动化专业面向嵌入式系统方向的课程体系、教学方法改革思路。

嵌入式系统；课程体系；教学方法

一、引言

近年来，随着网络、通信、多媒体、智能化技术的发展，为嵌入式系统的发展和应用提供了有力的技术支持和巨大的应用市场，嵌入式系统已经被广泛地应用在通信、消费电子、智能终端、汽车电子、工业控制、航天航空、仪器仪表等诸多领域。社会对嵌入式技术的需求日趋上升，嵌入式技术及其产品的快速发展已经成为当今IT业发展的显著特征之一，嵌入式技术也成了当代最具活力和竞争力的新技术之一。然而在我国嵌入式技术人才培养与市场需求却呈现出脱节现象。嵌入式系统需要的是软硬件紧密结合的复合型人才，而计算机专业的偏软、电子信息专业的偏硬，在嵌入式系统人才培养上都存在先天不足，自动化专业虽然是以“控制和系统”为核心，从专业本身特点来看，应该是最有条件从事嵌入式系统人才培养，但是由于嵌入式系统的实践性、应用性极强的特点，多数院校由于嵌入式系统教学起步较晚、普遍存在设备更新缓慢，教学改革研究经费难以保障、人才储备不足等因素的影响，在嵌入式系统人才培养上存在着一些客观障碍，嵌入式系统人才的缺乏逐渐成为嵌入式产业可持续发展的瓶颈问题之一。因此，如何接受嵌入式技术带来的挑战、学习嵌入式、研究嵌入式、应用嵌入式，加强完善高校嵌入式系统教学改革研究、探索嵌入式系统课程体系，构建嵌入式系统课程群，寻找有效的嵌入式系统教学方法，对于深化高校教学改革，培养适合社会需求的嵌入式系统人才具有重要意义。

二、嵌入式系统课程教学特点分析

嵌入式系统通常定义为一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可以裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格限制的计算机系统。嵌入式系统教学突出特点主要有：交叉性、复合性和实践性。交叉性主要是指嵌入式系统涉及多领域专业知识，如计算机、电子信息、通信、自动化等众多专业领域，是多个专业交叉融合而形成的新兴专业方向；复合性主要是指嵌入式系统需要软硬件捆绑和协同设计；实践性主要是体现在嵌入式技术的工程应用性，是只有在做的过程中才能加深理解和应用能力培养的技术。

从上述分析来看，嵌入式系统教学不仅涉及多专业领域，同时还要求软硬协同，因此从教学内容上来看，不是一门课程就能讲授的；从教学方法上来看，由于嵌入式系统以“应用为中心”，以培养学生嵌入式系统综合设计与开发能力为目标，因此仅仅依靠课堂讲授也无法完成对嵌入式系统人才实践能力培养，需要从工程项目的角度来训练学生的综合实践能力；从课程考核方法来看，仅仅依靠传统的考核方式无论对老师还是学生都是不符合客观实际情况。鉴于上述分析，嵌入式系统课程内容、教学方法改革等问题值得进行深入探讨和研究。

三、嵌入式系统课程体系设置

从嵌入式系统教学内容特点来看，嵌入式系统课程体系应该是一个包括专业基础课和专业课的课程群。课程群中所涉及的各门课程具有关联性。课程之间相互衔接或交叉、承上启下或相辅相成。

3.1 专业基础课

中央民族大学自动化专业嵌入式系统方向的专业基础课主要包括数字电路、计算机组成原理、单片机原理与应用、数字系统设计基础、接口技术、程序设计基础（如C/C++）等课程。数字电路是从事嵌入式系统设计开发的必备基础，重点在于培养学生的逻辑思维能力；C／C++语言的可移植、可维护、易读性以及强大的内存操作能力， 成为嵌入式系统开发的首选语言。计算机组成原理、数字系统设计基础、单片机原理及应用、接口技术等课程主要使学生能够正确设计、配置、组成计算机系统，培养学生对计算机系统的整体认识及软硬件联合开发的基础技能，提高学生工程设计能力，为嵌入式系统课程学习奠定坚实的基础。

3.2 专业课

嵌入式系统专业课程主要包括《嵌入式系统导论》、《嵌入式处理器》、《嵌入式操作系统》、《WinCE 嵌入式系统设计基础》、《嵌入式系统综合实践》系列课程。

《嵌入式系统导论》课程主要对嵌入式系统所涉及的主要内容、特点、应用和分类等进行学习，通过基础简单实验熟悉嵌入式系统设计的一般流程、外围设备、软硬件接口、仿真与调试的主流工具等的基本使用方法。

《嵌入式处理器》嵌入式处理器的种类较多，在嵌入式领域中广泛应用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微处理器。ARM公司引发了嵌入式领域的一场革命，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位，是目前32位市场中使用最广泛的微处理器，学习以ARM为架构的嵌入式技术具有非常广阔的前景。

《嵌入式操作系统》：目前比较适合用于本院教学主要有Linux(uClinux)、Windows CE、VxWorks、uC/OS等。基于Linux内核稳定可靠、源码免费开放等优势成了教学和学习嵌入式操作系统的首选。嵌入式的软件开发从智能手机开发SYMBIAN)、J2ME程序设计、数字媒体终端等实践编程。嵌入式软件开发语言主要有汇编语言、C／C++语言、Java语言等。

上述课程的实验多为基础实验，主要目的是让学生了解熟悉开发流程、掌握实验开发工具的使用方法、熟悉软件编程环境，学生能够根据一定的指示进行实验的调试，读懂实验源程序和程序的运行调试过程，能够进行修改、组合和补充式的基础应用编程。如ARM集成开发环境的使用与仿真调试等。每门课程安排7～10个实验。

《WinCE 嵌入式系统应用设计》和《嵌入式系统综合实践》这两门课程属于嵌入式系统应用设计的高级课程，在授课过程中采用“Learning By Doing ”的教学理念。

四、“Learning by Doing"教学模式在嵌入式系统教学中探索

4.1 目前高校教育模式存在的问题分析

在我国长期以来形成的应试教育的环境影响下，大学教育模式存在如下主要特点：

（1）听课是获取知识的主要途径

（2）学习目标以获取高分而不是以能力培养为目标

（3）学习知识和应用知识相分离

（4）传播知识和传播技能相分离

（5）知识的重要性由传播知识的角色确定而不是由受用角色确定。

我们在来分析一下，这种教学模式带来的后果是什么呢？一方面，这种模式结果是把知识书本化、程式化，学生学习过程中感觉学的东西犹如雾里看花，达不到学以致用的目的；另一方面，学生所受的教育，所学的知识与社会需求严重脱节，从而造成，高校学生就业困难，而企业无法招聘到合适的设计开发人员，必须通过必要的专业培训才能上岗。造成上述后果的主要原因在于人才培养过程中将知识传授和能力培养割裂，尤其是在诸如嵌入式系统、软件工程等实践性较强的课程。针对上述问题，在嵌入式系统教学中探索有效的解决方法越来越引起人们的重视。

4.2 “Learning.by Doing”与嵌入式系统教学的结合

“Learning by Doing”是由美国卡内基·梅隆大学率先提出的一种教学模式，其目的在于加强工科学生全面综合实践能力和工程素养培养的教学理念。这种教学理念是由教育创新者Dr.Roger Schank所设计。“Leaming by Doing”，顾名思义，就是要让学生在“做”的过程中，深刻掌握相关知识和技能，从而取得理想教学效果。“Learning by Doing”教学模式是以产品或项目为出发点，完整地模拟从事产品研发或商务过程的各个环节，最终使产品推向市场化和实用化。 这一过程中教师的主要任务就是全力辅导学生，尽可能减少理论讲授环节，学生也无须参加课堂活动或考试。

《Windows CE嵌入式系统设计基础》课程是中央民族大学本科自动化专业嵌入式系统方向一门专业选修课程，共2学分，每周3学时。考虑到该课程是一门工程实践性很强的课程，在授课过程中，采用learning by doing 的教学模式。将课程中的每部分授课内容设计成一个个相对独立的环节，每个环节作为一个课程项目，学生完成了一个项目经过教师或指定工程师审核之后，才能进入下一个课程项目。若干名学生组成一组，形成一个项目设计开发小组，每个同学在小组中担任一定的角色，同学之间具有明确的分工，每个小组需要完成，项目需求分析、功能设计、代码编写或硬件电路开发、测试、文档书写以及项目进度管理等基本环节的工作内容，同一小组的同学建立相对稳定的沟通交流机制。在成绩评估中，运用具有一定代码量的课程项目代替传统的笔试。

经过一学期的学习，到课程结束时，我们发现学生不仅代码编写的能力得到了很好的锻炼，而且，学生在分析设计测试文档项目进度管理等方面也具备了基本的工程设计开发能力，课程开始初期出现的项目结束时间“赶项目”、团队分工不明确、项目文档书写无从下手等问题，在课程结束时有了很大程度的改善与提高。“Learning by doing”教学模式不仅能够使学生在做的过程中获取知识，更重要的是使学生与工程实践零距离接触，使其工程素养得到了很好的锻炼。从而弥补了嵌入式系统人才需求与高校嵌入式系统教育之间存在的差距，使学校嵌入式人才培养能力越来越符合市场对人才的需求。

五、总结

近年来，随着相关技术和行业的发展，嵌入式系统技术的发展也非常迅速，但是其发展历史还比较短，尤其是在嵌入式系统教学上，诸如嵌入式系统课程体系和有效的教学模式尚没有形成统一的规范，在嵌入式系统教学内容和教学方法的研究与改革还有待于进一步深入。在师资队伍建设、实验室建设、共享教学资源建设等方面还需要在教学工作中不断积累、不断完善。自动化专业的嵌入式方向教学需要从事嵌入式系统教学的老师不断研究、不断改革、不断探索，不断创新，才能培养出社会所需要的复合型高素质嵌入式系统专门技术人才。

[1]李耀波，杜丽敬．高校嵌入式系统课程群规划的探讨[J]．科技信息.2007．(19)：25，59．

[2]何宗键,覃文忠.Learning by doing 教学模式探索[J]. 计算机教育.2005（12）：26-27.

[3]蒋晶.应用型本科嵌入式方向课程教学改革探讨[J].科技教育.2008（33）：154-156.

[4]李岩，王小玉，孙永春.嵌入式系统教学研究[J].电气电子教学学报.2008（3）：45-47.

[5]邹华容，黄力.高校嵌入式教学发展趋势与策略[J].高教研究.2005（22）：116-117.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.129