基于应用的高校嵌入式系统方向培养模式

　　摘要：基于嵌入式系统行业发展的新需求，本文根据当前嵌入式系统的教学状况，提出高校嵌入式方向的培养模式，将面向应用的嵌入式课程知识体系与课内实验、开放性实验、实训基地与企业实际项目相结合起来，形成完整的嵌入式培养体系；并在嵌入式系统课程教学方法上提出理论知识点细化与难点形象化演示，提高嵌入式方向课程教学质量。
　　关键词：嵌入式系统；培养模式；实验实践教学；教学方法
　　
　　进入21世纪，嵌入式技术以排山倒海之势占据了人们的生产、生活和娱乐方式。未来对掌握嵌入式技术的人才的需求会越来越大，因此各个重点大学纷纷开设了嵌入式方向课程，并在计算机或软件工程的体系下出现了嵌入式专业方向。作为一个新的专业方向，关于它的培养模式和教学方法的研究已经有了一定的成果。在文献中探讨了基于嵌入式系统工程专业，单片机课程在教学内容、教学方法和考核方法方面的问题，改善了教学效果。文献强调嵌入式课程应突出以应用为教学重点，通过构建课程实验、课程设计、专业实习及毕业实习等强化实践环节。本文基于嵌入式系统行业发展的新需求，提出了面向应用的嵌入式方向的培养体系，形成了理论内容与实验相结合，课内实验与开放性实验室相结合，实训基地与企业实际项目相结合的联合教学模式。
　　
　　1　面向应用的嵌入式培养模式
　　
　　1.1　课程知识体系
　　嵌入式专业方向培养学生具有基础理论扎实、解决实际问题能力强，掌握工程型技术、软件硬件于一体的嵌入式专业人才。嵌入式系统最大的特点是软件硬件的综合体，在培养体系中应该软件硬件一起抓，而且两手都要硬。嵌入式系统专业类课程培养知识体系如图1所示。在基础理论中我们要注重课程前后的知识衔接关系，电路课为更好的掌握硬件接口打基础，对PC机的软件结构有了更好的掌握后，在此基础上引入专用的微控制器(单片机、ARM嵌入式微处理器)，再将课程一步步过渡到高级语言编程上(嵌入式C、C++程序设计和Linux图形界面设计等)。在教学的每一个环节都要与课程实验相结合，加强学生对理论知识的理解能力。
　　
　　嵌入式系统专业类课程体系的制订是影响所培养人才素质的最重要部分，因此每一门专业课的选择要从以下几个方面进行考虑。
　　1)硬件开发环境。当前嵌入式处理器主要有8位、16位、32位等几种，在基础类课程中单片机原理我们一般以8位MCS51单片机为例进行介绍，学生对MCU这个概念有一个初步的认识。当前嵌入式产品开发硬件主流芯片就是32位的ARM系列处理器，ARM的成功在于它有极好的性能和极低的功耗，使得它能够优越于MIPS和PowerPC等嵌入式处理器。基于ARM核的嵌入式芯片在汽车电子、消费娱乐产品、数字化音频与影像产品、工业控制产品、网络产品、无线手持设备等诸多领域广泛的应用。可以预见，在未来的一段时间内，ARM处理器将主宰32位嵌入式处理器的市场。因此嵌入式专业培养硬件要以ARM处理器为核心芯片。
　　2)软件开发环境。在这一层面上我们要结合硬件平台来进行选取，ARM920及其以后的版本获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有：Linux、Windows CE、uC-OS、VxWorks、Nucleus、Palm OS等，其中Linux、uC-OS为源代码开放的嵌入式操作系统。考虑到研究产权的自主性，uC-OS源码公开，是一个简易的实时内核；Linux的层次结构和内核完全开放、网络功能强大、完整的开发工具、广泛的硬件支持、遵循通用的国际标准。因此要以uC-OS为基础，以Linux为核心介绍嵌入式操作系统。另外微软公司的Windows CE具有良好的界面和技术支持，使得在嵌入式产品中的应用占有重要地位，因此Windows CE也作为嵌入式系统培养的一个重要分支。
　　3)智能终端的嵌入式软件开发。智能手机软件的开发是嵌入式产品在手持设备上的典型应用。J2ME对其有较好的支持，可以给学生作选修课，增加嵌入式培养的知识面。
　　4)嵌入式技术与当前的热门行业相结合。工业控制和无线传感器网络等领域成为当前应用和研究的热点，要把学生所学的知识与应用和研究结合在一起，使嵌入式的培养更具活力。这类课程可以作为选学课程，为学有余力的嵌入式学生开拓视野。
　　
　　1.2　嵌入式系统实验，实践教学
　　实验环节在嵌入式培养体系中占有重要的地位，它是理论讲解的验证与升华。文献提出了一种BDO的3级课程实验教学体系，但随着嵌入式系统的发展，每级所包含的内容在广度和深度上都需要增加。木文将实验和实训结合起来，形成实验实训教学体系如图2所示。
　　
　　1.2.1　实验教学
　　基础类实验是学生在课上所学习理论的验证，可以由专任的实验教师来指导，如果有条件最好请本门课的任课教师来指导或由任课教师和实验教师来同时指导，这样在实验的过程中可以和任课教师有一个互动，及时解决疑点，使基础理论教学与实验教学相配合起来。
　　设计类实验是在完成基础类实验和高级的嵌入式OS后开设的实验课，这部分实验可以采用课程设计的形式，每个实验利用几天或更长的时间让学生动手设计嵌入式OS的驱动，教师可以不定期的去答疑，重点在启发学生进行嵌入式编程，为学生提供一些解决问题的方法。
　　每次完成实验后，有的学生可能还没有完全领会实验的内容，所以除上课的时间以外还可以把实验室开放，让一些学生继续实验，开放式实验室要由本专业的实验教师来指导和维护。另外开放式实验室还应该提供扩充版的实验指导书(除了课程要求的必修实验以外的实验)，供学有余力的学生用，扩展嵌入式学习的知识量。
　　1.2.2　工程实践能力的培养
　　工程实践是学生走向企业的一个桥梁，通过在实训基地半年时间的实训，学生可以掌握企业项目的实施机制，为毕业后快速进入项目开发打下良好和基础。
　　在工程实践项目选择上，应该尽量选择企业的实际项目，必要时可以与管理规范的公司联合建立实训基地。项目的内容要尽可能覆盖嵌入式领域的内容。比如嵌入式项目一般包括需求分析、硬件平台设计、软件平台设计(包括嵌入式OS的选择)、应用程序的开发与系统测试几个方面。使学生能够利用所学的知识，并进行一定的扩展，相关内容还要查阅一定的资料来解决工程实际中的问题
　　在工程实践项目管理上，可能会出现项目经理人数不足的情况，可以在学生中选取项目组组长，来协助项目经理解决问题。整个实训基地采取层层负责制，使每个项目成员各就其职，定期例会，及时解决在项目开发中所遇到的问题。
　　
　　2　嵌入式系统教学方法的改进
　　
　　嵌入式系统专业人才培养目标是面向市场需求，培养不同层次的基础扎实、学科交叉、具有较强的工程实践能力、交流沟通能力的高层次、复合型、应用型软件工程技术和软件管理人才。学生学习嵌入式系统工程的基本知识、基本概念、基本方法和技能，掌握目前流行的嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、嵌入式程序设计、接口设计、常用电路设计以及软硬件系统设计的基础知识，并具有一定的动手能力和独立解决问题的能力，具有工程实践能力和外语应用能力，能够在相关领域从事嵌入式系统设计与开发工作。基于这一目标，要在教学方法和手段上下功夫。
　　
　　2.1　知识点细化
　　在嵌入式系统理论教学方面，要将知识点细化，让学生深入到理论中去。例如，在讲解ARM中断原理与指令流水线执行关系时，可以作如下分析：ARM处理器中断的发生具有不确定性，与当前所执行的指令没有任何关系。在中断发生时，ARM处理器总是会执行完当前正被执行的指令，然后才会去响应中断。如图3所示，在0x9000处的指令ADD执行期间IRQ中断发生了，但这时要等待ADD指令执行完毕。ADD执行完毕后，IRQ立即获得了执行单元，ARM处理器开始处理IRQ中断，进行保存程序返回地址并调整程序指针指向0x18内存单元。在0x18处有IRQ中断向量(也就是跳向IRQ中断服务的指令)，接下来执行跳转指令转向中断服务程序，因此流水线又被阻断了，执行0x18处指令的过程同带有分支指令的流水线。
　　
　　
　　2.2　难点分解与形象化演示
　　嵌入式系统是软件和硬件的综合体，学生往往对硬件知识的掌握比较困难，在嵌入式系统硬件知识教学方面，要将知识点分解并制作相应的动画，使学生增加感性认识。例如，在讲解ARM嵌入式体系结构的LCD接口与显示原理时，可以制作如图4所示的Flash动画，用单步的方式描述其通信原理，增强学生的感性认识，使学生易于接授理论知识，从而提高教学效果。
　　
　　
　　3　结语
　　
　　嵌入式技术的高速发展，必然要求高校的培养体系与教学模式不断改进并与之相适应。本文基于嵌入式系统行业发展的新需求，制订培养目标，并在此基础上提出了嵌入式方向的培养课程体系，在嵌入式系统教学中要注重实验教学，将课内实验与开放性实验室相结合起来，使学生打好基础功底。最后将学生送入实训基地做企业实际项目，为学生走向工作岗位打下良好的基础。在嵌入式系统课程教学方法上提出理论知识点细化、难点分解与动画形象化演示，改进教学方法，提高教学质量。
　　
　　
　　
　　(编辑：白