面向计算机专业的嵌入式系统设计金课建设研究

龙林波 刘人萍

（重庆邮电大学计算机科学与技术学院 重庆 400000）

1 背景

伴随社会数字化、信息化与智能化的快速发展，嵌入式设备不断与航天航空、国防军事、工业制造、仪器仪表、办公自动化、智能家居、智能交通、智慧城市与环境监测等众多领域深度融合，成为物联网、云计算、大数据及人工智能等应用技术的重要出入口及组成部分，是计算机行业发展的新趋势与内在需求[1]。根据全球移动通信系统协会统计数据显示，2020年全球物联网市场规模达1.36万亿美元，其联网的嵌入式设备数量高达126亿，预计在2025年将达到246亿。然而，嵌入式人才紧缺与嵌入式人才培养难的问题，也伴随嵌入式应用的广泛普及而愈加严重。根据2020年新基金产业人才发展报告，嵌入式软件开发的CIER指数高达1.77，在所有技术岗位中排名前10。为此，打造嵌入式人才培养的金课，加快嵌入式人才的培养，助力国家新基建建设，已成为当前计算机技术发展的必然趋势。

嵌入式系统设计是计算机专业培养嵌入式人才的关键课程，是以特定应用对象为中心，满足特定功能、能耗、成本、可靠性等方面的需求，对计算机软件、硬件进行裁剪的一系列技术[2]。目前，该课程的建设普遍存在以下几个问题：（1）课程目标不明确，未体现学生具体能力的培养。（2）知识能力素质未能有机融合，难以支撑学生解决复杂工程问题的能力，不能有效体现课程的“高阶性”。（3）嵌入式技术发展快，教材内容、课程内容以及教学形式陈旧，难以支撑学生的创新能力培养。（4）对于学生和教师，嵌入式课程极具挑战，为此面向计算机专业的嵌入式系统设计课程，大部分集中于实时操作系统或者嵌入式软件开发的介绍，降低了课程难度，导致该门课的挑战度不足。综上所述，把握实现嵌入式高质量人才培养的关键目标，针对嵌入式人才培养的核心课程“嵌入式系统设计”的课程目标不明确、高阶性不明显、创新性不够、挑战度低等不利因素，综合考虑计算机专业学生的培养体系与课程背景等情况，论文进一步明确嵌入式系统设计金课建设目标，并设计课程的“两性一度”，以此促进培养市场需求的嵌入式专业人才，助力数字化转型、社会信息化建设、新兴产业及新经济的快速发展。

2 嵌入式系统设计金课建设目标

该课程的建设目标：一是保持基础理论体系相对稳定的同时，注重课程内容的前沿性，始终保持对国际嵌入式系统研究发展的动向进行跟踪（如FPGA、SOC、RSIC-V、3D Flash等前沿技术），有针对性地调整授课内容；二是要增强课程的应用性，知识点讲授与主流嵌入式系统技术相结合。三是围绕嵌入式系统设计和软件开发，从开源嵌入式Linux程序设计到驱动程序开发，加强学生在嵌入式系统设计方面的综合实践能力；四是依据企业和市场发展要求，及时调整嵌入式系统方向和相应的课程内容，培养符合市场需求的嵌入式专业人才。五是课程思政，推进创新理论，提升育人质量，将课程设计、教案制作向人文素质、职业胜任力、社会责任感等多维度延伸。

培养学生的知识和能力要求如下：一是培养学生嵌入式系统设计的基本知识储备，掌握嵌入式“软件+系统+硬件”一体的知识体系，同时具备软硬件协同设计的创新思维。二是能够根据实际应用需求，裁剪嵌入式Linux内核、移植常用的bootloader、移植根文件系统、选择合适的嵌入式文件系统，以实现嵌入式必要系统软件的设计。三是运用工具的能力，能够运用合适的编程工具，包括 GCC、GDB、MAKE工具等、交叉编译环境、主从通信机制、交叉调试环境等，对嵌入式系统软件进行开发。四是能够把握嵌入式技术对信息行业发展的关键作用，及其对社会各行各业发展的重要意义，能够运用先进存储技术、低功耗设计、安全管理、创新能力等方法与技术提升工程质量，在工程实践中自觉遵守规范；五是团队协作能力，能够根据嵌入式实际的应用需求，结合嵌入式开发过程中的任务类别及开发角色，团队协同完成小型的嵌入式实践项目。

3 嵌入式系统设计金课的“两性一度”设计

立足于计算机专业的嵌入式系统设计课程，梳理和探究先进课程内容与创新教学模式，进行金课建设的“两性一度”设计，充分实现嵌入式设计课程的高阶性、创新性与挑战度。

3.1 嵌入式系统设计课程的高阶性分析与设计

传统的课程内容设计未与计算机专业的其它专业课程有机结合，以典型操作系统UCOS、RTOS或其它嵌入式Linux系统为例的一门操作系统实践课程，涉及内容单一、知识体系匮乏、知识片面，无法培养学生解决嵌入式领域实际的复杂工程问题。具体改进措施：（1）深入计算机专业的知识体系，结合专业的培养目标与能力要求，并以此为基础进行嵌入式领域知识延伸，实现课程内容的高阶性，同时以专业培养方案的复杂工程能力培养向嵌入式领域的复杂工程能力延伸。（2）创新教学方法，以计算机专业的操作系统、计算机网络、组成原理、编译原理为基础，采用专题化、研讨式教学模式，立足于专业知识逐渐接入嵌入式领域的知识点。

3.2 嵌入式系统设计课程的创新性分析与设计

根据嵌入式设备的特定应用对象，嵌入式工程师进行软件、硬件、系统的定制化开发，涉及的工作内容本身需要创新设计思维。然而，传统的课程教学内容固定、教学方法单一，难以充分调动学生的创新思维。同时，课程内容的陈旧，无法匹配嵌入式技术的快速发展，进一步阻碍了学生的创新能力培养。具体改进措施：（1）新的教学内容。每学期定期更新授课内容，围绕嵌入式日新月异的技术发展进行分析总结，让学生掌握最新的知识。（2）新的思维方式。嵌入式领域知识面广泛，课程更多的体现思维方式的新，传统固定答案的课后习题替换为无固定答案的思考题，让学生充分调动能动性去思考嵌入式技术的发展。（3）新的课内外实践方式。充分调动学生课内课外时间，设置开放的实践课题供学生自主选择，实现课内辅导课外完成为主。

3.3 嵌入式系统设计课程的挑战度分析与设计

嵌入式系统涉及的知识面广，课程本身极具挑战性。但是，为了更好的让学生理解，早期大部分嵌入式系统设计课程都进行了简化，集中于嵌入式系统层面或者嵌入式软件开发层面的讲解，裁剪了大部分重要知识，在降低挑战性的同时也降低了对学生的能力培养。具体改进措施：（1）充分考虑计算机专业的培养方案，以早期的学习课程为基础，进一步延伸到嵌入式领域，形成嵌入式的一体化知识体系，提高课程挑战度的同时将课程难度与整个专业培养方案有机结合。（2）实践课程受限于时间，以至于降低实践内容的挑战度，将课内实践的时间延伸到课外，充分利用学生学习时间，完成有难度的实践内容。

4 结语

论文结合嵌入式人才需求的能力要求，围绕计算机专业的嵌入式系统设计课程，梳理了该金课建设的目标，同时把握金课“两性一度”的关键，对课程高阶性、创新性、挑战度进行了现状分析与设计，为本门课程金课建设提供参考。然而，嵌入式人才的培养还需要更多的教学资料、实践资源、创新教学理念的支撑，我们将在后期工作进一步细化与丰富，以此促进嵌入式人才的培养，助力嵌入式行业的快速发展。