以设计能力为主线的嵌入式系统教学改革
2014-10-30李志军子红昊文祥
李志军 子红 昊 文祥
摘 要：在分析了嵌入式系统与专业对应关系的基础上，以设计能力为主线，对嵌入式课程体系进行了探讨，阐述了嵌入式人才培养的教学改革，实践结果表明，改革后的教学可提高学生的设计能力和创新能力，培养出的学生更适合市场需求。
关键词：嵌入式系统；课程体系；人才培养；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）10-00-02
0 引 言
嵌入式系统是目前IT应用领域的热门技术之一，随着智能传感器、物联网等技术的迅速发展，基于新体系结构的嵌入式处理器、新软件技术不断推出，市场急需嵌入式系统软硬件开发的综合型设计人才[1]。
面对市场的大量需求，国内各大院校都开设了嵌入式相关课程，也有很多院校开设了嵌入式系统专业。虽然如此，但目前国内高校在嵌入式系统人才培养模式方面大多仍沿用传统培养模式，这使学生能力与市场需求产生脱节，远远不能满足市场需求。尤其在学生创新意识、实践设计能力培养方面，急需探索新的嵌入式系统人才培养模式。基于对嵌入式系统多年的教学和科研体会，本文从学生设计能力培养角度对高校中的嵌入式课程体系构建与人才培养方式进行探讨。
1 嵌入式系统分层体系与专业对应关系
嵌入式系统属于典型的多学科交叉，高校中相应开设的课程也是多种多样，有侧重硬件的、有侧重软件的，多数是和其他专业合并开设的。由于不同大学的办学定位、不同专业学生的知识背景不同，课程内容也相差较大[2]。
在教学中，为更好地培养学生设计能力，采用嵌入式系统的分层与专业对应原则，根据专业不同，相应所开设的嵌入式课程侧重点也不同。
嵌入式系统分为4层，硬件层、驱动层、操作系统层和应用层，和专业对应的关系如表1所列。
硬件层是嵌入式系统的硬件平台，同时是驱动层的基础平台。该层适合电子信息、通信工程、自动化、机电一体化等专业的学生学习。
表1 嵌入式系统的分层与专业对应关系
嵌入式系统分层 对应专业
应用层 计算机
操作系统层 计算机
驱动层 电子信息、通信工程、机电一体化
硬件层 电子信息、通信工程、机电一体化、自动化
驱动层为难度最大的一层，但其薪资在嵌入式系统设计行业中是最高的。从事驱动设计的人员既要精通硬件层又要精通操作系统内核。该层适合电子信息、通信工程、机电一体化等专业尤其是计算机偏体系结构类专业的学生学习。
操作系统层的设计大多只是系统的移植，移植操作系统涉及系统任务的调试、磁盘和文件的管理等，该层强调系统的实时性，这部分比较适合计算机专业的学生学习。
应用层相对来讲是较为容易的，如果会在Windows环境下进行接口函数调用，那么在嵌入式操作系统下只是编译和开发环境有所改变而已，应用层适合计算机软件专业的学生学习。
基于以上的分析，如果针对不同专业的学生，其相应的学习侧重点不同，在嵌入式教学中灵活调整对应层次进行教学，可以更好更快地提高学生的设计能力。
2 以设计能力为主线的嵌入式系统课程体系构建
在分析了嵌入式体系与专业设置分层对应关系后，现在对高校中的嵌入式课程体系构建进行初步探讨。
2.1 嵌入式开发的相关基础课程设置
嵌入式设计最初只是单片机的设计，随着处理器的发展，现在很多嵌入式应用系统越来越复杂，从而引入了嵌入式操作系统。
从事嵌入式开发，基础课程如数字电路、计算机组成原理、单片机设计等硬件课程是较为重要的。另外，汇编语言、C/C++、数据结构、操作系统等软件基础课也是十分重要的。
2.2 嵌入式处理器体系结构课程设置
嵌入式处理器课程较枯燥，主要原因是硬件课程都较抽象。从事嵌入式设计的人员应对ARM处理器工作原理和接口技术熟练掌握，包括ARM的汇编指令系统。学汇编的目的主要是为了掌握处理器工作原理，只有熟悉汇编语言，才能在该处理器上写出最优的C语言代码。在嵌入式开发的一些关键部分，有时必须用汇编，如Bootloader设计。
2.3 嵌入式操作系统课程设置
大多数嵌入式操作系统的实时性都很强，所以也称为实时操作系统RTOS（Real Time Operating System）。从事嵌入式设计的人员至少须掌握一个嵌入式操作系统，这在嵌入式的所有技术中是最为关键的。目前高校开设的RTOS课程主要包括：
（1）传统的经典RTOS
在传统的RTOS中，最主要的是Vxworks操作系统， Vxworks出现较早，实时性强，并且内核可微，可靠性高，特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎都采用Vxworks。像华为、中兴、Lucent等通信企业在开发产品时，很多产品采用Vxworks。与Vxworks类似的比较有名的实时操作系统还有μc/OS-Ⅲ、pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。
（2）嵌入式Linux操作系统
Linux除作为服务器操作系统外，最成功的便是在嵌入式系统领域的应用，原因是免费、支持软件多、开源、参考资料多，采用该操作系统嵌入式产品成本会大大降低。目前嵌入式Linux操作系统主要应用在ARM9及更高体系结构的处理器上面。
（3）Windows CE嵌入式操作系统
该系统目前已占据了很大市场份额，应用在PDA、手机、显示仪表等界面要求较高或者要求快速开发的场合。WinCE开发平台主要为WinCE Platform Builder，有时也用EVC环境开发一些较上层的应用， WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。
（4）Android操作系统
Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平台的开源移动操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Android系统在国内的发展主要在对Android系统的二次开发上，目前以Android系统源码为基础，再深度定制改版而成的操作系统主要有创新工场投资的点心公司开发的点心操作系统、中国移动的Ophone、联想的乐Phone、阿里云手机操作系统及雷军的小米科技开发的MIUI。
综合分析，高校中开设的嵌入式操作系统能很好地满足市场需要。我校针对市场热点，增加开设了目前火热的Android操作系统。
2.4 嵌入式开发的其它相关课程设置
从事嵌入式开发设计，若再能熟悉嵌入式应用的一些主要领域，这样人才培养就会与企业需求更加密切结合，培养出的学生更受企业欢迎。主要的相关领域及课程包括：
（1）数字图像压缩技术
这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一，主要是应掌握MPEG编解码算法和技术，如高清电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问题。
（2）通信协议及编程技术
包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet，这些是通过TCP/IP协议及其编程实现的。其次，无线通信是目前的大趋势，所以掌握无线通信协议及编程也是很重要的。
（3）网络与信息安全技术
如加密技术，数字证书CA等。
3 以设计能力为主线的嵌入式人才培养教学改革
当前，提高大学生的设计能力和创新能力是时代的要求，也是提高教学质量的难点[3]。一个优秀的嵌入式系统工程师应具备良好的综合素质，包括扎实的专业基础、多学科的知识结构、科学的逻辑思维能力、较强的动手实践能力和设计能力，还要求有追求新的热点和技术的心态。
3.1 理论教学与实践结合，培养设计能力
课堂教学是教学的主要手段，也是学生最重要的学习途径。目前较好的方式是理论教学与实践教学相结合，同时强化学生的实践动手能力与综合设计能力。
通过课堂教学将嵌入式系统开发的相关原理与技术传授给学生，整合课堂资源，让学生在课堂上就能掌握嵌入式开发的基本理论与基本技能，根据课堂教学的实际情况，精心设计与课堂讲授相对应的实践内容。通过具有针对性的实践设计，让学生对嵌入式系统开发的基本流程有清楚的认识，初步培养学生的设计能力。
3.2 建立先进的嵌入式实验室，强化实践能力
实验教学是课堂教学的补充和实际应用，具有综合性与创新性特点，在教学过程中对培养学生的动手能力、知识运用能力和解决问题能力有特别重要的作用，是学生掌握嵌入式系统开发及应用知识到实际的关键性环节。在实验的设计上，根据程序开发的难易程度，将实验分为验证性实验和设计性实验，通过实验教学使学生循序渐进地掌握软件编程技巧[4]。
针对目前普遍的学生动手实践能力薄弱、知识结构单一、专业面较窄、实践教学素质培养不足等弊端，我校新建了嵌入式系统实验室，平台为目前最先进的cortex-A8处理器，可以开设ARM、Linux和Android等实验课程，并且可以进行二次开发和综合设计。
实验室采取开放式管理，让学生拥有更多自我设计的空间和选择学习的机会，加强实践环节，重视综合实践训练，科学管理与弹性学习机制相结合[5]，使学生始终保持热情和激情去学习。
3.3 参加电子设计竞赛，提升综合能力
嵌入式系统是软硬件相结合的系统，嵌入式硬件设计完成后，各种功能就靠软件来实现了，这就要求学生具有很强的综合能力。
基于这个原因，我们鼓励学生积极参加全国大学生电子设计竞赛、“博创杯”嵌入式系统设计竞赛、“毕昇杯”电子设计竞赛等各种实践活动，同时还鼓励他们积极参加教师的科研项目和学校的大学生科研立项，整个过程中都有专业老师全程指导，此种方式培养了学生的基本科研素养，锻炼了学生综合科研能力和独立分析、解决问题的能力，为他们将来走向社会参加科研工作打下了坚实的基础。通过竞赛和科研项目的历练不但让学生提高了工程实践能力，而且还让他们逐渐形成前沿理念与创新意识。而这些也正是一位优秀的嵌入式系统开发人才应具备的综合能力素质。
4 结 语
嵌入式系统的课程体系构建和人才培养涉及到多个方面，本文通过对嵌入式这两方面的研究与探索，提出相应的思路，探索出以嵌入式系统应用设计为特长的新型人才培养模式。实践结果表明，通过采用以上措施，使学生的综合素质教育真正落实到了课程教学中，更好地适应了社会的需求，同时也对高校嵌入式系统课程建设起到了示范作用。
参考文献
[1]丁文龙，李志军.ARM嵌入式系统基础与开发教程[M].北京：北京大学出版社，2010.
[2]陈乃金，周鸣争. “嵌入式系统”课程群的改革与实践[J].长春大学学报，2013（8）：1044-1046.
[3]何剑锋，叶志翔.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[J].东华理工大学学报，2013（12）：489-493.
[4]钱诚，彭馨馨.计算机应用专业嵌入式系统课程教学探讨[J].中国电力教育，2014（8）：144-145.
[5]李志军，张智勇，陈丽娟.通信工程专业实训基地建设与实践[J].实验室研究与探索，2009（6）：146-149.
（4）Android操作系统
Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平台的开源移动操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Android系统在国内的发展主要在对Android系统的二次开发上，目前以Android系统源码为基础，再深度定制改版而成的操作系统主要有创新工场投资的点心公司开发的点心操作系统、中国移动的Ophone、联想的乐Phone、阿里云手机操作系统及雷军的小米科技开发的MIUI。
综合分析，高校中开设的嵌入式操作系统能很好地满足市场需要。我校针对市场热点，增加开设了目前火热的Android操作系统。
2.4 嵌入式开发的其它相关课程设置
从事嵌入式开发设计，若再能熟悉嵌入式应用的一些主要领域，这样人才培养就会与企业需求更加密切结合，培养出的学生更受企业欢迎。主要的相关领域及课程包括：
（1）数字图像压缩技术
这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一，主要是应掌握MPEG编解码算法和技术，如高清电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问题。
（2）通信协议及编程技术
包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet，这些是通过TCP/IP协议及其编程实现的。其次，无线通信是目前的大趋势，所以掌握无线通信协议及编程也是很重要的。
（3）网络与信息安全技术
如加密技术，数字证书CA等。
3 以设计能力为主线的嵌入式人才培养教学改革
当前，提高大学生的设计能力和创新能力是时代的要求，也是提高教学质量的难点[3]。一个优秀的嵌入式系统工程师应具备良好的综合素质，包括扎实的专业基础、多学科的知识结构、科学的逻辑思维能力、较强的动手实践能力和设计能力，还要求有追求新的热点和技术的心态。
3.1 理论教学与实践结合，培养设计能力
课堂教学是教学的主要手段，也是学生最重要的学习途径。目前较好的方式是理论教学与实践教学相结合，同时强化学生的实践动手能力与综合设计能力。
通过课堂教学将嵌入式系统开发的相关原理与技术传授给学生，整合课堂资源，让学生在课堂上就能掌握嵌入式开发的基本理论与基本技能，根据课堂教学的实际情况，精心设计与课堂讲授相对应的实践内容。通过具有针对性的实践设计，让学生对嵌入式系统开发的基本流程有清楚的认识，初步培养学生的设计能力。
3.2 建立先进的嵌入式实验室，强化实践能力
实验教学是课堂教学的补充和实际应用，具有综合性与创新性特点，在教学过程中对培养学生的动手能力、知识运用能力和解决问题能力有特别重要的作用，是学生掌握嵌入式系统开发及应用知识到实际的关键性环节。在实验的设计上，根据程序开发的难易程度，将实验分为验证性实验和设计性实验，通过实验教学使学生循序渐进地掌握软件编程技巧[4]。
针对目前普遍的学生动手实践能力薄弱、知识结构单一、专业面较窄、实践教学素质培养不足等弊端，我校新建了嵌入式系统实验室，平台为目前最先进的cortex-A8处理器，可以开设ARM、Linux和Android等实验课程，并且可以进行二次开发和综合设计。
实验室采取开放式管理，让学生拥有更多自我设计的空间和选择学习的机会，加强实践环节，重视综合实践训练，科学管理与弹性学习机制相结合[5]，使学生始终保持热情和激情去学习。
3.3 参加电子设计竞赛，提升综合能力
嵌入式系统是软硬件相结合的系统，嵌入式硬件设计完成后，各种功能就靠软件来实现了，这就要求学生具有很强的综合能力。
基于这个原因，我们鼓励学生积极参加全国大学生电子设计竞赛、“博创杯”嵌入式系统设计竞赛、“毕昇杯”电子设计竞赛等各种实践活动，同时还鼓励他们积极参加教师的科研项目和学校的大学生科研立项，整个过程中都有专业老师全程指导，此种方式培养了学生的基本科研素养，锻炼了学生综合科研能力和独立分析、解决问题的能力，为他们将来走向社会参加科研工作打下了坚实的基础。通过竞赛和科研项目的历练不但让学生提高了工程实践能力，而且还让他们逐渐形成前沿理念与创新意识。而这些也正是一位优秀的嵌入式系统开发人才应具备的综合能力素质。
4 结 语
嵌入式系统的课程体系构建和人才培养涉及到多个方面，本文通过对嵌入式这两方面的研究与探索，提出相应的思路，探索出以嵌入式系统应用设计为特长的新型人才培养模式。实践结果表明，通过采用以上措施，使学生的综合素质教育真正落实到了课程教学中，更好地适应了社会的需求，同时也对高校嵌入式系统课程建设起到了示范作用。
参考文献
[1]丁文龙，李志军.ARM嵌入式系统基础与开发教程[M].北京：北京大学出版社，2010.
[2]陈乃金，周鸣争. “嵌入式系统”课程群的改革与实践[J].长春大学学报，2013（8）：1044-1046.
[3]何剑锋，叶志翔.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[J].东华理工大学学报，2013（12）：489-493.
[4]钱诚，彭馨馨.计算机应用专业嵌入式系统课程教学探讨[J].中国电力教育，2014（8）：144-145.
[5]李志军，张智勇，陈丽娟.通信工程专业实训基地建设与实践[J].实验室研究与探索，2009（6）：146-149.
（4）Android操作系统
Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平台的开源移动操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Android系统在国内的发展主要在对Android系统的二次开发上，目前以Android系统源码为基础，再深度定制改版而成的操作系统主要有创新工场投资的点心公司开发的点心操作系统、中国移动的Ophone、联想的乐Phone、阿里云手机操作系统及雷军的小米科技开发的MIUI。
综合分析，高校中开设的嵌入式操作系统能很好地满足市场需要。我校针对市场热点，增加开设了目前火热的Android操作系统。
2.4 嵌入式开发的其它相关课程设置
从事嵌入式开发设计，若再能熟悉嵌入式应用的一些主要领域，这样人才培养就会与企业需求更加密切结合，培养出的学生更受企业欢迎。主要的相关领域及课程包括：
（1）数字图像压缩技术
这是嵌入式最重要最热门的应用领域之一，主要是应掌握MPEG编解码算法和技术，如高清电视、机顶盒等都涉及MPEG高速解码问题。
（2）通信协议及编程技术
包括传统的TCP/IP协议和热门的无线通信协议。大多数嵌入式设备都要连入局域网或Internet，这些是通过TCP/IP协议及其编程实现的。其次，无线通信是目前的大趋势，所以掌握无线通信协议及编程也是很重要的。
（3）网络与信息安全技术
如加密技术，数字证书CA等。
3 以设计能力为主线的嵌入式人才培养教学改革
当前，提高大学生的设计能力和创新能力是时代的要求，也是提高教学质量的难点[3]。一个优秀的嵌入式系统工程师应具备良好的综合素质，包括扎实的专业基础、多学科的知识结构、科学的逻辑思维能力、较强的动手实践能力和设计能力，还要求有追求新的热点和技术的心态。
3.1 理论教学与实践结合，培养设计能力
课堂教学是教学的主要手段，也是学生最重要的学习途径。目前较好的方式是理论教学与实践教学相结合，同时强化学生的实践动手能力与综合设计能力。
通过课堂教学将嵌入式系统开发的相关原理与技术传授给学生，整合课堂资源，让学生在课堂上就能掌握嵌入式开发的基本理论与基本技能，根据课堂教学的实际情况，精心设计与课堂讲授相对应的实践内容。通过具有针对性的实践设计，让学生对嵌入式系统开发的基本流程有清楚的认识，初步培养学生的设计能力。
3.2 建立先进的嵌入式实验室，强化实践能力
实验教学是课堂教学的补充和实际应用，具有综合性与创新性特点，在教学过程中对培养学生的动手能力、知识运用能力和解决问题能力有特别重要的作用，是学生掌握嵌入式系统开发及应用知识到实际的关键性环节。在实验的设计上，根据程序开发的难易程度，将实验分为验证性实验和设计性实验，通过实验教学使学生循序渐进地掌握软件编程技巧[4]。
针对目前普遍的学生动手实践能力薄弱、知识结构单一、专业面较窄、实践教学素质培养不足等弊端，我校新建了嵌入式系统实验室，平台为目前最先进的cortex-A8处理器，可以开设ARM、Linux和Android等实验课程，并且可以进行二次开发和综合设计。
实验室采取开放式管理，让学生拥有更多自我设计的空间和选择学习的机会，加强实践环节，重视综合实践训练，科学管理与弹性学习机制相结合[5]，使学生始终保持热情和激情去学习。
3.3 参加电子设计竞赛，提升综合能力
嵌入式系统是软硬件相结合的系统，嵌入式硬件设计完成后，各种功能就靠软件来实现了，这就要求学生具有很强的综合能力。
基于这个原因，我们鼓励学生积极参加全国大学生电子设计竞赛、“博创杯”嵌入式系统设计竞赛、“毕昇杯”电子设计竞赛等各种实践活动，同时还鼓励他们积极参加教师的科研项目和学校的大学生科研立项，整个过程中都有专业老师全程指导，此种方式培养了学生的基本科研素养，锻炼了学生综合科研能力和独立分析、解决问题的能力，为他们将来走向社会参加科研工作打下了坚实的基础。通过竞赛和科研项目的历练不但让学生提高了工程实践能力，而且还让他们逐渐形成前沿理念与创新意识。而这些也正是一位优秀的嵌入式系统开发人才应具备的综合能力素质。
4 结 语
嵌入式系统的课程体系构建和人才培养涉及到多个方面，本文通过对嵌入式这两方面的研究与探索，提出相应的思路，探索出以嵌入式系统应用设计为特长的新型人才培养模式。实践结果表明，通过采用以上措施，使学生的综合素质教育真正落实到了课程教学中，更好地适应了社会的需求，同时也对高校嵌入式系统课程建设起到了示范作用。
参考文献
[1]丁文龙，李志军.ARM嵌入式系统基础与开发教程[M].北京：北京大学出版社，2010.
[2]陈乃金，周鸣争. “嵌入式系统”课程群的改革与实践[J].长春大学学报，2013（8）：1044-1046.
[3]何剑锋，叶志翔.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[J].东华理工大学学报，2013（12）：489-493.
[4]钱诚，彭馨馨.计算机应用专业嵌入式系统课程教学探讨[J].中国电力教育，2014（8）：144-145.
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