新工科背景下“嵌入式操作系统”教学模式改革

张广宇

桂林信息科技学院 广西桂林 541004

1 概述

新经济背景下，信息技术得到了空前的发展和应用，当前我国经济结构，呈现为以高新科技产业发展的方向、各产业向高新信息产业靠拢的发展趋势。我国高校，旨在为社会培养输送人才，带动经济发展，新经济的背景下，诞生出新工科。“嵌入式操作系统”课程作为信息类及机电类专业的核心课程备受瞩目，如何做好“嵌入式操作系统”课程教学工作，为相关学科提供引领性课程改革方案，为国家培育符合新工科标准的综合型工程人才，引领我国高新科技产业进一步革新，是当前背景下高校课程改革的重要内容。

“嵌入式操作系统”课程是当前高新科技的技术基础，“嵌入式操作系统”所传授的理论体系与实践技术，对于人工智能、大数据、物联网等技术起着不可替代的支撑作用。嵌入式操作系统已经结合计算机互联网技术，广泛应用于我国各个产业，对于我国高新信息技术带动传统产业转型、促进产业发展提供了巨大帮助。“嵌入式操作系统”作为计算机、物联网、人工智能及机电类专业的核心课程，其知识体系庞大，实践性强，对于教学质量有着较高要求。在新工科背景下，针对“嵌入式操作系统”课程，探讨其教学模式的改革，优化教学策略与教学手段、拓展教学内容、进一步贴合实际、增强学生对于专业知识及专业技能的把控程度，对我国高校的信息类课程有着重要的示范作用，同时在“嵌入式操作系统”课程教学模式改革的过程中，也能很好地帮助高校在新经济形势下，培养输送高质量人才。

2 “嵌入式操作系统”课程内容及教学要求

2.1 教学内容

“嵌入式操作系统”是一种实用性极强的系统软件，其个性化突出，软件和硬件结合紧密，在各种信息产品中应用广泛。完整的“嵌入式操作系统”课程内容主要包括三个方面：

2.1.1 嵌入式硬件电路

嵌入式操作系统的硬件与软件关联性较强，因此要充分理解嵌入式操作系统中硬件电路的各个部分及连接方式，以便于从原理出发，更好地掌握嵌入式操作系统设计理念。在“嵌入式操作系统”课程中，嵌入式硬件电路部分主要包括最小系统设计、存储系统设计、接口线路设计三方面内容。

2.1.2 处理器编程结构与软件

处理器的编程结构质量决定着编译效率和指令的执行速度，对于整个嵌入式操作系统的工作性能起着重要影响。嵌入式操作系统与嵌入式软件密不可分，嵌入式软件可分为系统软件、应用软件和支撑软件三大类。嵌入式软件必须安全可靠，并具备故障检测与修复功能，才能更好地保障嵌入式操作系统安全。在“嵌入式操作系统”课程中，处理器编程结构与软件部分包括：处理器编程结构、异常处理机制、汇编指令集、汇编语言程序设计、接口应用程序开发等部分。

2.1.3 嵌入式操作系统

“嵌入式操作系统”是课程内容的核心，这一部分主要阐述了嵌入式操作系统的工作原理及相关理论知识，包括BootLoader、嵌入式操作系统内核、文件系统、驱动程序开发、嵌入式GUI和应用程序设计等部分。

2.2 教学要求

从“嵌入式操作系统”课程内容来看，嵌入式操作系统涉及教学内容极其广泛，其专业性和操作性极强。对于机电类专业来说，“嵌入式操作系统”课程，要求培养嵌入式人才，更需要注重嵌入式设计，需要加强实践学习，以帮助学生培养嵌入式操作系统开发设计能力。而对于信息类专业来说，“嵌入式操作系统”课程更注重培养学生的系统操作能力，应融合理论知识、应用方法、工程技能和实践经验等综合内容。在新工科背景下，“嵌入式操作系统”课程要侧重于培养在工程领域具备系统设计、创新、分析、验证、评测能力的工程技术人才，不仅在嵌入式领域深入学习，更要在其他高新信息领域拓展，进行学科交叉与创新，真正培育出多元型、综合型工程技术人才。

3 嵌入式系统教学存在的问题

嵌入式系统的各项技术飞速发展、市场迅猛扩大是在近二十年完成的，虽然嵌入式系统的相关概念及理论早在20世纪60年代就已经诞生，但由于计算机网络技术还未普及，发展速度缓慢。从嵌入式系统的理论发展及应用推广进程来看，我国“嵌入式操作系统”课程教学也不过数十年，而在过去的几十年中，高新科技的研究发展还未升温，导致当时嵌入式操作系统教学模式及教学理念与现今的新工科背景存在较大出入，已不适应当今的教学模式与教学理念。结合我国各高校“嵌入式操作系统”及相关课程的教学现状来看，当前我国嵌入式操作系统教学主要存在以下问题：

3.1 教学内容不全面

新工科背景下，“嵌入式操作系统”教学作为机电类及电子信息类专业的核心课程，要求学生充分掌握嵌入式操作系统原理、应用及设计，其教学内容应覆盖嵌入式操作系统软硬件各部分组成、处理器及软件运行结构及原理等理论知识，以及系统设计与软件开发、硬件组成等工程实践性技能。而部分高校对于教学内容及教材没有做到合理配置，有些偏重硬件设计和应用程序开发，而有些又只注重嵌入式操作系统理论知识，无法做到理论与实践相结合以及课程知识内容的完整性。

我校所开设的“嵌入式操作系统”课程的主要内容主要包括：

(1)嵌入式操作系统概述。

(2)操作系统基础知识、进程管理。

(3)Linux入门、VI使用、Shell编程。

(4)嵌入式C语言、GCC、Makefile、文件操作、信号、Linux网络编程。

(5)嵌入式Linux系统构建、uboot移植，内核移植裁剪，文件系统的制作。

(6)驱动开发(GPIO、串口、触摸屏、显示屏、驱动程序结构、驱动的中断)。

(7)嵌入式Linux应用程序开发。

可以看到所涉及的教学内容只有七部分，对应的课时也受到相应限制，同时教学内容缺乏嵌入式硬件电路及处理器编程结构内容，对于学生真正掌握“嵌入式操作系统”极其不利。此外，教学内容所涉及的实践项目较少，无法与当前阶段人工智能、物联网技术连接起来，不利于教学内容的延展与深入。

3.2 实践教学不过关

当前阶段我国“嵌入式操作系统”教学的实践教学内容过于单一，其评判标准也只浮于表象，无法真正考查学生对于专业知识的掌握程度。

首先，嵌入式操作系统的实践教学应与理论教学具备同等地位。实践教学部分与理论教学进度应契合互补，以帮助学生在进行实践学习的过程中及时复习与巩固相关理论知识，而不能将实践教学与理论教学割裂开来。部分高校只注重理论教学，教师仅对教材进行讲解，而实践部分交由学生自我发挥，完全不注重学生动手能力的培养与考察，从而导致学生经过一个学期的课程学习，只是了解了几个概念，距离真正全面地掌握课程知识体系搭建相距甚远。

大部分高校在实践教学往往采用非定制的嵌入式开发板或专用实验箱。其具体实验设备包括：嵌入式微处理器+实时操作系统和嵌入式微处理器+嵌入式Linux/Android两类，这两类内容只能覆盖“嵌入式操作系统”知识体系的部分内容。

其次，由于缺乏对实验平台和实验设备的创新性设计与配置，自然也无法有效培养学生的实践与创新能力。

最后，大部分高校对于“嵌入式操作系统”课程的实践教学考核极其不够重视，实践教学部分课程课时安排占比普遍偏少，其考核模式也是通过简单的“布置项目—检验成果—给予分数”的方式进行，缺乏答辩与成果展示，无法真正考查学生的项目完成情况。

3.3 教学模式单一

“嵌入式操作系统”教学在当前各高校的授课中，仍然采用了传统工科的教学方法，以课堂教授为主，往往采用教师“一言堂”的形式开展。在这种模式下，学生能够很好地掌握课程所规定的理论知识，也能够解决各类理论题型，但对于实际工程项目中嵌入式操作系统的理解和应用较少，无法培养学生成为综合型工程人才。

此外，这种教学模式难以突出新工科背景下的教学需求，从而导致学生对于课程的要求与标准理解偏差，对于专业的定位不清晰，不利于学生从事相关工作以及对“嵌入式操作系统”和衍生的前沿知识进行探索与学习。

4 “嵌入式操作系统”教学模式的改革措施

为了响应新工科背景下，高校培养人才的新标准与新要求，以“嵌入式操作系统”课程为例，结合我国各高校当前教学模式与教学内容，提出以下教学模式改革措施：

4.1 加强实践教学比重，完善教学设备

当前阶段，我国各高校普遍存在“嵌入式操作系统”课程实践教学内容较少等问题，究其原因在于，学校在设置课程时对于“嵌入式操作系统”课程的实践部分不够重视，或是相应的配套实践设备或教师资源不足所造成的。因此，为了从根本上解决这类问题，学校可以通过丰富教学方式解放教学资源，通过线上、线下双结合的形式，减轻教师理论知识教学部分压力，进一步增加实践教学内容。

对于实验设备或实验场地短缺的院校，可以充分考虑企业资源，联系当地相关企业，提供实际项目支持学校与企业之间的合作，不仅能充分帮助学生了解到嵌入式操作系统在实际工程中的应用，也能加强学校与企业之间的合作，将高校研究成果真正应用于实际产业，从而推动产业发展。

结合我校案例，我校现采用嵌入式平台为Samsung Cortex-A9 S5p4418开发板，操作系统采用的是嵌入式Linux。该开发板，偏重于系统型应用，实验内容均围绕“嵌入式操作系统”展开，而没有预留接口实验，缺乏对硬件电路连接和接口程序设计的支持。后续，我校考虑增加Cortex-M系列偏重控制型应用，通过两种开发板的对比，帮助学生更好理解嵌入式操作系统的整体性，通过对比两种平台，在增加实践内容的同时，也能更好帮助学生掌握专业知识。

此外，我校考虑搭建虚拟实验开发平台，为学生和教师提供一种自主式、开放式的实验环境。虚拟实验开发平台的加入，能够很好地增加课程的实践内容，增强实践教学的可行性。

4.2 丰富教学模式

新工科背景下，要求学生具备创新性意识与较强的工程实践能力。目前，我国“嵌入式操作系统”教学模式单一，教学内容不够全面，在这种条件下，急需教师与教研组探讨新的教学模式，加入更加丰富、新颖的教学内容，以帮助学生从多个角度理解专业知识，从而激励学生自我思考、自我探究学习，激发学生的创新实践能力。

当前的教学模式，依然延续传统工科教学，由理论知识传授+日常作业+期末试题考核三个部分形成的教学模式。这种教学模式对于真正的实践工程的应用和学科交叉与学科前沿知识的探索作用不大，难以满足新工科背景的教学要求。

针对我国高校教学现状，首先，可以考虑采用“小组制”与“项目制”的教学方式，课程知识传授作为贯穿整个学期的辅助工具，帮助学生打好理论基础。教学成果侧重于各个小组之间的合作项目，以及对实践教学内容的完成情况。其次，教师可以增加教学助理，通过助理达成与各个小组之间的紧密联系，及时为各个小组解答困难，并监督各个小组按时完成工作。通过小组交流沟通以及导师制度，给予教师与学生更多自由，加入更多合作与自学的部分，从而激发学生的兴趣。最后，由学生小组合作完成的项目可以交由老师评定，并在相关企业进行项目合作交流，进一步对优秀项目进行创意优化，与企业联动能更好地激发各个学生的创新意识。

4.3 拓展教学内容，形成学科交叉

为了更好地完成在新工科背景下的“嵌入式操作系统”课程教学，学部教研组可以考虑延长课程学时，增加课程内容。

通过几门课程的融合或优化，将“嵌入式操作系统”的教学内容拓宽，并与其他专业课程积极响应起来。通过延长学时，帮助学生充分理解专业知识，在教材中加入更多高新科技产业前沿技术，在激发学生兴趣的同时，进一步拓宽学生的眼界，引领学生积极探索前沿信息技术领域，从而引导学生走向科研道路，为我国高新技术产业的发展添砖加瓦。

首先，教学体系要完整，部分高校对于“嵌入式操作系统”课程的教学内容进行了过度的侧重，使教学内容不全面，知识体系搭建不完善，导致学生对专业知识理解偏差。

其次，教学案例要新颖。对于一些老旧的教材，应及时进行内容丰富与优化，教材应结合我国前沿产业的实际项目，从而进一步帮助学生理解新经济形式下我国高新技术产业的发展方向。

最后，要适度进行学科交叉。“嵌入式操作系统”课程作为各信息类专业与机电类专业的核心课程，其应用范围广泛，应用领域深厚，学院可以充分考虑各个专业的课程设置背景，考究相应的学科交叉与融合部分，以帮助学生更好地加深对于“嵌入式操作系统”课程专业知识的多元理解。

结语

新工科背景下，我国社会产业结构对于高校的工科人才培养有了更高的要求，“嵌入式操作系统”课程作为当前高新技术的基础性理论知识，急需进行教学模式改革，脱离传统工科的教学模式，以满足新工科背景下工程人才培养要求。针对当前我国高校对于该课程的教学现状，各高校应加强实践教学比重，增强学生实践动手能力，丰富教学模式，拓展教学内容，帮助学生培养创新意识，形成学科交叉，为社会输送一批卓越型工程人才，以引导和推动我国工科产业的发展，推动前沿产业蓬勃发展。