基于工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养的研究

万智萍，王 凤，王高亮

（中山大学 新华学院，广东 广州 510520）

嵌入式系统已经成为日常生活中不可或缺的组成部分，并以各种形式渗透到我们的生活当中。嵌入式系统应用涉及到多个领域，但嵌入式系统工程人才培养严重跟不上产业的发展。如何解决实践教学中遇到的困难和问题并适应形势的变化和发展，培养社会需要的高素质应用、创新、拔尖型嵌入式人才，是一个紧迫的课题。

为培养创新能力强、适应企业发展需要的工程师，适应经济社会快速发展、满足科学技术和工程应用的国际化要求，《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010-2020年）》（以下称《纲要》）中指出要通过教育和行业、高校和企业的密切合作并以实际工程为背景，工程技术为主线，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力[1]。《纲要》还指出，在人才培养体制改革上要更新人才培养观念、创新人才培养模式、改革教育质量评价和人才评价制度；在创新人才培养模式上，要创新教育教学方法，探索多种培养方式，形成各类人才辈出、拔尖创新人才不断涌现的局面[2]。笔者基于这一背景，把嵌入式复合型拔尖创新人才的培养与工程训练模式有机结合，进行了基于工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养的研究。对社会上的应用型本科院校在嵌入式人才培养上存在的问题进行了分析研究，并探索出一种创新、有效、更切合实际的嵌入式复合型拔尖创新人才培养方法。

1 高校嵌入式人才培养存在问题

1）课程设计与社会发展需求脱节

国内的嵌入式系统教育还处于初期阶段，许多高校在计算机科学与技术、电子工程、自动化等专业开设了嵌入式相关的专业方向或者相应增加了嵌入式系统作为选修课，课时相对较短，没有形成统一的教学体系和人才培养模式，而且开设课程大多没有结合本校实际情况和社会需求，没有相应侧重点，都是笼统的知识体系，针对性较差，知识也较为陈旧。

2）专业课程之间缺乏必要的衔接

嵌入式系统具有综合学科代表性，相关的教学代表了其学科教学的发展方向，具有一般参考性，并且与创新人才的培养紧密结合，也覆盖了和体现了其他专业课程的知识点的综合应用。理论课教学是培养嵌入式复合型拔尖创新人才中的一个非常重要的环节，更在区分本科层次和他的层次上起重要作用。但很多应用型本科院校在课程设置上有联系的专业课程之间联系不紧密，导致学生在学习过程中感到困惑，不知道学习完所学课程后可以应用到哪些方面。

3）教学重理论教学而轻实际应用

许多应用型本科院校在嵌入式教学上不能结合自身实际，盲目追随重点本科院校的教学模式，以高强度“强灌”式的教学方式向学生灌输理论知识。在教育方法上，重“灌输”轻“引导”，学生长期处于被动接受认同状态，主体精神、主动性退化，创新意识、创造能力得不到开发[3]。对于实践教学多以验证性实验为主，造成嵌入式复合型拔尖创新人才培养上重理论而轻实践的现象。同时也导致学生在理论和实践的揉合上产生极大问题，造成学生的理论及实践能力相对较差的结果。

4）缺乏“双师”型教师

从现在社会上高校教师的流动形势来看，教师的流的方向大多遵从高校到高校的流动方向。教师极少参与到企业的工作和研发当中，所以大多数教师以理论知识为主，在解决实际应用问题上局限性很大。因此教师有必要在提高自身的业务能力和不断更新知识的同时也参与到企业的研发当中去。而这一做法对教师来说是一种途径提升自身能力的方法，对其自身相当有利，而从学生方面来说，“双师”型教师可以把自己的研发经验作为实践知识传授给学生以提高学生适应社会发展的能力，是嵌入式复合型拔尖创新人才培养中的一种双赢举措。

5）校企间不能长期合作，学生工程训练的实践机会少

校企间的沟通问题很多，在利益分配中经常产生冲突，使得校企间建立的合作不能长久，使得学校嵌入式人才培养难以与市场接轨。充分提高对产学研合作和实习教学的认识，积极创新工作思路，采取有效措施应对存在的问题[4]。工程训练是高等工程教育必不可少的重要环节,但近年来应用型本科院校的实践教学被不同程度地削弱,使工程训练达不到最基本的要求,严重影响高等工程教育的质量[5]。

2 工程训练模式下的拔尖创新人才培养

如图1所示。

1）制定嵌入式系统教学发展规划，进行培养目标特色定位

图1 工程训练模式下的嵌入式复合型拔尖创新人才培养结构图Fig.1 Char of embedded composite top-notch innovative personnel training based on engineering training mode

依据市场的需求和嵌入式知识体系结构的更新，规划根据嵌入式系统特点和学生成长规律，以及学校的发展计划，制定符合当前社会发展需求的规律，指导学生制定嵌入式学习计划。建立团队，形成梯队式的培养人才模式，形成符合专业建设的资料库。构建嵌入式系统的教学体系，完善实践教学体系，建立多种模式和培养方式，根据本校特色及社会需求，最终构建符合市场需求，人才培养，学生特点，学校情况等方面的创新教学体系结构。

2）创建良好的实践教学环境，培养嵌入式创新实践人才

创新型人才的培养需要一种持续、稳定、系统、活跃、开放的创新教育环境。应用型本科院校嵌入式系统教学不能忽略实践教学，需要创建嵌入式实验室和创新实验室，并为学生提供必要的重要仪器设备，以培养学生的实践动手能力和创新开发设计能力。根据学生特点和学校培养模式，着手建立嵌入式实验室和创新实验室，制定详细的实验室建设计划书。并将嵌入式教学与EDA的理论教学和实践教学及单片机教学有机相结合，以增强教学实践性和创新性。

3）开放实验室管理，建立嵌入式系统开放实验教学模式

在嵌入式复合型拔尖创新人才培养中，需摒弃旧的封闭式的实验室管理模，采用新的开放式实验室管理,制定开放实验室计划。学生以独立或团队形式进行知识拓展，为工程项目开发、学生科研、学术竞赛提供优越的场地和学习环境，提高设备有效利用率。根据嵌入式系统的教学特点开放实验教学，利用学生课外时间，以学生为主体，教师为主导，进行实践教学。学生根据个人兴趣,在指导教师的指导下确定研究项目，指导教师在项目选题、工程类项目申报、实验操作和研究总结等各个环节对学生进行个性化指导[6]。采取多样化的方式进行实验教学，打破时间限制和实验课题限制，适量增加综合性、设计性、创新性实验的开设，进行多元化的学习和研究。实验室实践教学管理图如图2所示。

4）加强基础知识教学同时注重提高学生的综合应用能力

图2 实验室实践教学管理图Fig.2 Char of laboratory practice teaching management

工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养需要以有教有学，“教学合一”的作为本质，以学为主作为教育内涵，引导学生自主学习，训练和培养学生独立学习、独立思考、自主发现、自主创新的能力[7]。嵌入式技术涉及的领域非常广泛，与其他专业领域的渗透融合也日益加强，相关基础知识关联度越来越大，必须把专业基础课程教学与嵌入式教学相结合，为学生奠定扎实的基础。嵌入式系统复合型人才培养的课程教学设计分为软件部分和硬件部分。硬件部分主要掌握单片机基础、模拟电路、数字电路、微机接口、计算机组成原理和EDA技术应用等，软件部分则包括有嵌入式C、C++语言程序设计、嵌入式汇编语言、数据库原理、操作系统和Linux驱动设计。嵌入式系统课程设计图如图3所示。

图3 嵌入式系统课程设计图Fig.3 Curriculum design of embedded systems

另外，在嵌入式系统课程设中可参考以下几点建议：

①嵌入式C教学

嵌入式学习首先需要具备一定的C语言基础，因此建议从大一开始安排嵌入式C/C++的课程，从基本语法、常用的数据存储及处理方式（数组、结构体等）上进行详细教学。要求学生亲手敲写代码、分析理解具体案例代码编写的思路。此外，有关计算机操作系统工作原理以及计算机组成原理等方面也要求了解，对于进程、线程、任务调度、总线、I/O等基本概念及工作原理做到初步了解和掌握。嵌入式开发指针更显得尤为重要，所以需要掌握指针的应用，而且要掌握多级指针、函数指针等等，指针的教学上还需要结合内存分配进行。还要学习模块化编译处理、指针与数组、gcc、Makefile、GDB、递归、结构体、宏定义使用等。

②Linux教学

Linux是一个命令行组成的操作系统，精髓在命令行，无论图形界面发展到什么水平这个原理是不会变的，Linux命令有许多强大的功能：从简的磁盘操作、文件存取、到进行复杂的多媒体图像和流媒体文件的制作，要求学生掌握50个或以上的常用命令，另外还要熟悉Gnome/KDE等X-windows桌面环境操作，掌握.rpm、.tgz等软件包的常用安装方法，学习添加外设，安装设备驱动程序（比如网卡），熟悉Grub/Lilo引导器及简单的修复操作，熟悉Linux文件系统和目录结构，掌握vi，gcc，gdb等常用编辑器，编译器，调试器，理解shell别名、管道、I/O重定向、输入和输出以及shell脚本编程，懂得Linux环境下的组网。

③ARM教学

采取三环教学模式。第一环，从基本硬件开始教学，一般处理器及接口电路，如Flash/SRAM/SDRAM/EEPROM/Cache、UART、Timer、GPIO、Watch dog、USB 等，要求学生至少了解一种CPU的体系结构和一种操作系统，如中断、优先级、任务通信、同步等。对于应用编程，要求学生要掌握C语言程序设计，C++和汇编语言程序设计可由学生根据自身情况选择性掌握。另外，学生要对处理器的体系结构、组织结构、指令结构、编程模式和应用编程要有了解，还需要在实际工程实践中掌握一定的实际项目开发能力。第二环，在处理器指令系统和应用编程教学的基础上，加强外围功能接口应用教学，主要是人机、通信接口（USB接口、AD转换、GPIO、以太网、IIC串行数据通信、音频接口）和触摸屏应用教学。第三环，通过教学使得学生熟悉至少一种嵌入式操作系统，熟练裁剪、定制及移植、设备驱动程序和应用程序的开发。

5）立足学生特点确定符合本校的培养方案，提高学生实践和科研能力

立足学生特点采用针对性的培养模式和教学方法培养个性化发展的学生及团队。在理论教学的深入过程中加大学生的实践教学，建立相应的创新实验室为学生提供综合设计实验的场所，鼓励和引导学生参加学生科研工程项目，及创新类、嵌入式类学术竞赛，进一步提高学生的综合能力。突出工程研究能力培养，建立基于问题式、探索式等“研中学”、“做中学”教学模式，实施企业和学校双导师指导，以研究领域相关工程实际项目为载体，深入企业参与实践和项目研究，使学生具备工程创新拔尖型人才的潜质，切实提升学生的研究能力和创新能力[8]。

6）增强教学及专业课程的衔接性和学科交叉性，深化复合型应用型人才的培养

引导学生多学科发展，强化自主学习能力，提升综合应用创新能力，并能根据自己的特点和兴趣选择进行相关专业知识学习。由教师合理有效地对学生进行指导和规划，使学生有明确的学习和就业方向。从大一开始开设相关C语言程序设计课程，然后将其慢慢引入到嵌入式编程，结合汇编基础和C语言基础，加强嵌入式C语言的教学培养，制定相应教学计划引导学生，结合微机原理及应用，单片机等课程进一步深入嵌入式系统体系结构的学习。

7）建立学生嵌入式科研团队，增强学生学习兴趣，提高学生实践能力

鼓励和引导学生组建嵌入式科研团队，参加省级以上嵌入式学术竞赛，利用课余时间自主学习和自主开发和设计嵌入式作品。引导学生主动获取信息、发现新问题、把握创新点、强化团队合作意识、克服各种困难、提高创新能力[9]。完善奖励机制，积极鼓励并大力支持学生结合项目撰写并发表学术论文，并根据其发表的刊物级别给予相应的奖励。对于顺利完成拔尖创新人才培养项目，且项目取得较为优越的成果，或在重大竞赛中取得优异成绩的学生及学生指导教师，结合学校相关政策给予相应的奖励[10]。在各级采用梯队模式培养嵌入式技术人才，由教师指导高年级学生，高年级学生指导低年级学生，形成有效的培养模式和氛围。

8）加深校企合作，开展嵌入式毕业设计

工程模式下的嵌入式复合型拔尖创新人才培养关键在于突破校企在运转过程中各自独立、知识溢出效应不明显的瓶颈，建立双方融合、联动发展的机制，通过建立一套行之有效的制度体系[11]。学校应密切关注社会上相关企业的发展动态，把握好与优秀企业进行联系和合作的机会，深化校企合作，建立嵌入式实习基地，在此基础上可以进行更广泛的合作，并且立足当地经济发展更多符合要求的科技型实习基地。另外，让学生可以更多的选择更高端的嵌入式毕业设计课题，用积累的知识和动手能力进行最后的毕业设计项目开发，务求进行全程化的毕业设计跟踪指导和实践。

9）培养“双师”指导队伍，提高嵌入式教学师资力量

工程背景是高等工程教育改的瓶颈，学校可从有工程背景的教师队伍或由企业工程专家和技术人员组成的指导队伍两方面构建“双师”指导队伍。把提高教师的理论水平和加深校企合作作为培养工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养中“双师”型教师培养工作的两个重点，加强教师的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力[12]。加强教师对新知识、新技术的学习，进行项目开发，跨学科合作，进行校级项目到省级项目到国家级项目的跳跃提升，加强与企业间的“产学研”合作，减少双方间的冲突，努力营造互利共赢的局面。

3 研究结果

学生方面：可以让学生有明确的嵌入式学习目标及发展方向，嵌入式系统涉及到软件和硬件不同方向，更深层次的体系有明确的划分，学生可以自己根据自身的特点和学习能力涉及深入到适合自己的领域，系统完整的学习知识，深入加强到不同的方向，将兴趣和就业挂钩，可以更大激发学生的学习积极性，不至于盲目和被动。同时，将理论和实践教学有机结合在一起，促进了学生学习的热情全身心投入到嵌入式系统的开放实验教学当中，加强了学生的动手实践能力，成为真正嵌入式复合型拔尖创新应用人才。

教师方面：通过开展工程模式下的嵌入式系统的开放实验教学，教师的能力得到了很大提高，并且以双师型为目标发展个人能力，同时也可以让教师加强嵌入式方面的研究，提高科研能力，可以更好的与企业合作进行深入和广泛的合作，教师紧追嵌入式的发展技术，不断更新自己的知识体系结构，进一步提高了自身的教学能力。

4 结束语

总的来说，本基于工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养方法是一种立足于工程训练模式，创建自身的特色课程、特色培养模式和特色开放实验，让专业上相关的学生具有更强的社会竞争力，同时可以让学生用所学知识参加省级以上电子类、创新类、嵌入式类的学术竞赛，进行项目开发和学生科研，在开放式实验中提高实力，有机会取得较好成绩，也可以让学生形成你追我赶的良好学习氛围，在培养专业人才方面积累宝贵的经验，非常值得推广。

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