交叉应用型嵌入式创新人才培养中实验教学的探索与实践

何剑锋， 叶志翔， 何月顺， 李 祥

（东华理工大学软件学院，江西南昌 330013）

由于自然世界的复杂多样性，其本质和内在规律的揭示单靠一门学科难以做到，必须通过跨学科的研究，采取多视角、交叉思维的方式才可能形成正确、完整的认识。而科学发展史表明，学科交叉往往是新科学的生长点，是重大科学问题得以解决的突破口。随着当今科学技术的发展，科学研究日益打破学科界限，学科交叉已成为科技发展的显著特征和前沿趋势［1］。

嵌入式系统诞生于微型PC机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的探索后，进入到嵌入式系统独立微控制器发展的后PC时代［2］。嵌入式技术在每年15万以上的旺盛人才需求推动下被IT界人士誉为应用领域最有发展前途的技术之一。然而，当前高等教育工作的根本问题是人才培养质量问题，其核心是学生创新精神和创业能力的培养，而嵌入式系统的学科交叉特点正迎合了创新人才培养的核心要求。笔者认为“嵌入式系统”的实践教学与实验平台建设是学习嵌入式系统重要环节，缺少实践环节的课程教学体系，将难以开启学生对本领域的领悟力，从而导致学生感到学习嵌入式入门“难”、认知“差”、创新“少”的问题。因此，本文重点探索交叉应用型嵌入式创新人才培养中实验教学体系，使学生创新精神与创业能力成为嵌入式系统教学中的根本出发点和落脚点。

1 嵌入式创新人才培养中实验教学

由于实验教学在整个嵌入式系统教学中占据重要的地位，而嵌入式实验是基于软、硬件协同下的一门实践性很强的交叉学科。因此，启发学生创新意识是嵌入式创新教学的核心，配备与实际工程应用开发紧密结合的实验教学设备是培养嵌入式人才的关键。但由于受到实验教学的软硬件平台及课时数的限制，如何合理安排嵌入式实验教学使学生充分认识嵌入式系统开发涉及的多学科知识，理解嵌入式系统涉及的相关技术，掌握嵌入式系统的开发过程，学会运用嵌入式系统开发方法和工具，建立规范的嵌入式系统开发思维，是嵌入式创新人才培养中实验教学成败的重要一环。要达到这些目标，就必须先直面嵌入式实验教学中存在的主要矛盾问题并找到对应的举措。

1．1 嵌入式实验教学面临的挑战

（1）嵌入式系统实验教学中的学科定位与交叉融合问题。嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。嵌入式系统领域主要涉及微电子与固体电子学科、计算机科学与技术学科、电子科学与技术学科、具体应用对象学科等4个主要学科的交叉，同时，它们学科之间又互相融合。主要表现在微电子与固体电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用开发的归宿，计算机科学与电子科学学科是嵌入式技术发展的重要保证［2］。由此可知，每个学科在嵌入式系统中都会体现出它的优势与劣势。如何准确“学科定位”应体现在每个学科充分利用自己的学科优势，并在自己的学科基础上，促进嵌入式系统的发展。如何正确认识“交叉融合”，应在学科定位的基础上，不断了解其它学科对嵌入式系统的技术发展要求，以便为嵌入式系统构筑最佳的知识平台，实现最佳的嵌入式系统应用。

（2）嵌入式系统的广泛交叉应用导致实验教学体系不完整。由于嵌入式系统的实践教学是基于应用对象相关专业中软硬件结合的嵌入式教学，而目前现有的嵌入式系统人才绝大多数是通过学校制定的通用嵌入式系统基础实验课加之工作岗位上实践联合培养起来的。为了适应社会对嵌入式人才需求，国内众多高校均把嵌入式系统作为本科或研究生阶段的一个研究方向，并对相关专业的学生开设了嵌入式相关课程来学习嵌入式系统设计应用相关知识，还少有将其设立本科或研究生的专业。由此，在实验教学中就存在“偏软”或“偏硬”从而导致学生的实践能力大大削弱。从软件工程或计算机相关专业转到嵌入式系统学习的学生，在实验中有一定的编程能力，但对嵌入式硬件知之甚少，只要实验中遇到硬件问题就往往力不从心;而从电子、通信、仪器仪表等相关专业转到嵌入式系统设计的学生，其优势是对硬件原理非常清楚，但对复杂软件系统设计实验就成了嵌入式系统应用的“软肋”［3］。因此，如何在短时间内把不同专业的学生培养成为市场急需的嵌入式人才，是嵌入式系统教学急需解决的问题。

1．2 嵌入式实验教学的应对举措

（1）准确学科定位，正确认识学科交叉融合，深化嵌入式系统实践教学改革。东华理工大学软件学院软件工程专业嵌入式方向的学科定位是:结合软件产业市场需求，面向软件工程领域的国际前沿，熟悉国际标准软件开发技术与软件工程管理流程，掌握现代软件工程规范、技术与方法，构建主流的嵌入式系统应用平台，使学生受到严格的科学实验训练和科学研究初步训练，重点要包括嵌入式系统的集成开发环境、软件工程方法、嵌入式编程语言、嵌入式程序设计方法等内容。而嵌入式系统的对象学科几乎囊括了所有的科技领域，结合学校的地学和核科学等优势学科，通过在不同企业的实践与顶岗实习或教师科研项目，使学生在嵌入式软硬件专用平台上实现最广泛的应用。由于各学科的交叉融合，每个学科的团队建设，应在自身学科基础上，吸收一定比例的其他学科人员［4，5］。例如近年来，在集成电路设计领域吸收不少嵌入式应用系统设计人才。在高等学校设立嵌入式系统专业时，多引进对象领域中的嵌入式系统的交叉应用型人才。此外，学院针对校内师资理论教学能力强但企业实践经验不足，企业师资实践经验强但教学能力有限这一问题，在嵌入式实践教学上采用校内师资与企业师资的融合培养模式。通过“2．5+0．5+1”培养模式（“2．5+0．5+1”培养模式是指“2．5 学年”完成公共基础课程、专业基础课程、专业主干课程的理论学习，“0．5学年”完成学校与企业共同定制的理论与企业生产实践相结合的学习计划，实现学校到企业实习的平滑过渡，“1学年”在企业生产实践中熟练掌握实践技能与技巧，积累丰富的实际经验，为成为创新型人才打下坚实的理论与实践基础）中的0．5年的企业定制培养，可以使其双方优势互补，取长补短。从而实现校企双方师资在实践经验与教学能力上的大幅提升。通过嵌入式实验教学改革与创新进一步深化了校企合作的培养模式。

（2）注重学科交叉应用，调整实践教学内容，进一步完善嵌入式系统实验教学体系。东华理工大学软件学院嵌入式方向的实验教学体系已实施五年，由于嵌入式技术更新快，新技术推出周期短，因此每年应对实践教学内容进行适当调整，其实验项目的制定遵循从基础实验到综合实验，从验证实验到设计实验、从实训项目到创新实验等过程，从实际嵌入式系统应用开发的角度出发，按每学年规划嵌入式课程体系和实验体系，包括嵌入式理论基础课、嵌入式专业课、嵌入式开发环境的建立、嵌入式处理器开发与设计、操作系统的移植、基于嵌入式操作系统的软件开发及上层应用等方面的实验。构建了一个完整的嵌入式方向课程体系及实验新体系，如图1所示。

图1 嵌入式课程教学与实验教学新体系

图1中的嵌入式实验体系注重基础与前沿、经典与现代的结合，注重与科研、工程和社会实践应用紧密联系，并及时融入科技创新和实验教学改革成果。实验项目的设置科学合理，包含基本实验、提高型实验（综合性、设计性、应用性等）、研究创新型实验。每学年更新实验项目数一般应达到实验项目总数的5%。同时，充分利用实验室的软、硬件资源，最大限度地发挥实验室资源优势，正确选择嵌入式实验教学硬件平台;了解常用的嵌入式操作系统的基本结构和基本概念，掌握嵌入式系统软件开发的技巧和方法，合理选择嵌入式操作系统实验;鼓励学生参与嵌入式各类竞赛科技活动，合理调整各类型实验的比重，重点加强自主创新实验的力度，要让学生拓宽自己的思路，使学生有更大的独立思考和自主设计空间，把实验当作一种开发过程来完成，从而拓宽学生的知识面，加深学生对嵌入式系统有更深层次的理解。进而促进嵌入式课程教学与实验教学体系的自我完善与发展。

2 实验教学中创新人才培养的方法与手段

当前，提高大学生的创新精神和创新能力是时代的要求，也是提高教学质量的重点和难点。软件学院在嵌入式创新人才培养中将通过深化实验教学改革，优化实验教学体系，创新管理运行机制，建设满足现代实验教学需要的实验教学师资队伍，实现仪器设备先进、资源共享、开放管理、全面提高实验教学水平的实验室效益，满足新时期实施素质教育和培养创新人才的需要。实验教学符合学生的认知规律和实际水平，根据软件学院专业设置的特点，建立以学生为中心、学生自我训练为主的教学模式。实验安排由简单到综合，由平台到应用，充分培养学生对实验的兴趣，调动学生学习的主动性与积极性。基础实验原则上1人1组，根据需要其它部分实验可2人一组，少数大型实验同组人数可适当增加。注重培养学生实事求是的科学态度、百折不挠的工作作风、相互协作的团队精神、勇于开拓的创新意识［6］。有条件的学校要积极倡导高年级学生参与教师的科研工作，使学生得到科研方法方面的训练。

图2 人才培养层次模式

实验教学融于理论教学，激发了学生的求知欲，有助于学生对基本概念的理解、基本方法的掌握和基本理论的应用，有助于提高学生理论联系实际的能力、定性分析与定量分析的能力。创新人才培养是指具有综合能力和突出专业创新能力的人才培养，基于上述思路，明确了分层次的实践教学人才培养模式，包括人才培养、人才创新培养和创新人才培养三个层次，如图2所示。

对应于上述层次模式，在实践教学中对应的教学环节是基础综合型实验、探索创新型实验和科研项目转化为教学实验。当然，最底层的应该是基础型实验。为此，在实验教学改革中确定了“抓两头、促中间”的指导思想，体现了夯实基础、拓展创新、推进工程系统级实验的改革思路。一头抓基础实验，另一头重视创新型实验，通过这两头带动和促进中间的探索创新型实验水平的提高。其基本思路是经过一段时间的实验教学，对实验项目和内容的整体布局做出必要的调整，可将部分成熟的科研转化为实验教学内容下放到探索创新内容中，而探索创新内容可以适当下放到基础实验内容中。这样，既达到提高了整体教学水平的目标，而且兼顾了各层次人才培养的实际需求。

3 结束语

目前，软件学院嵌入式实验教学改革与实践在继续深入，根据交叉学科发展和人才培养需求，积极开展实验教学内容、实验教学方法、实验教学手段以及实验教学管理等方面的研究。及时把科研项目和科研成果应用到实验教学中，转化为实验项目。同时，嵌入式教学中坚持以创新型人才培养模式改革为切入点，以培养学生创新能力为目标，建立大学生创新教育的课程体系，完善学生的知识结构，提高学生创新能力和实践能力，预示着作为交叉学科的嵌入式系统在创新人才培养中有着巨大的发展空间［7］。

［1］彭济根．交叉应用型数学优秀人才培养模式的探索与实践［J］．教育部高等学校教学指导委员会通讯，2011（12）:18-22．

［2］何立民．嵌入式系统支柱学科的交叉与融合［J］．单片机与嵌入式系统应用，2008（5）:5-8．

［3］黄晓玲，段凤云，赵建科．嵌入式系统实验教学体系的探索与实践［J］．实验技术与管理，2006（4）:85-87．

［4］曹俊武，何剑锋，何月顺，等．嵌入式系统平台下创新实验方案的探究与实践［J］．东华理工大学学报:社会科学版，2013（1）:81-83．

［5］何剑锋，黄建仁，何月顺，等．以ARM-Linux为载体进行嵌入式系统教学关键点的研究［J］，东华理工大学学报:社会科学版，2011（3）:287-290．

［6］田浩．嵌入式实验教学体系研究［J］．湖北经济学院学报:人文社会科学版，2011（11）:129-130．

［7］彭秋发，李农勤，农燕．影响当前高校教学质量几个因素的再探讨［J］．东华理工大学学报:社会科学版，2010（3）:279-282．