“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革思路探索

陳國(guó)榮 施金良 彭 軍

摘要:隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的迅速發(fā)展,許多高校陸續(xù)開(kāi)始培養(yǎng)基于嵌入式應(yīng)用的人才,但是,相當(dāng)一部分高校卻不得不面對(duì)學(xué)生“會(huì)背書(shū)、會(huì)考試、不會(huì)做”的尷尬局面。為此,作者在分析“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)需求主干課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了從教學(xué)理念(Learning by doing)、教學(xué)方法(面向市場(chǎng)、結(jié)合產(chǎn)學(xué)研)、考核方法(項(xiàng)目考核)、能力培養(yǎng)(綜合能力)和專(zhuān)業(yè)導(dǎo)向(前沿性和時(shí)代性)等多個(gè)方面進(jìn)行綜合改革的思路。

關(guān)鍵詞:教學(xué)改革;嵌入式軟件和系統(tǒng);專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1概述

嵌入式系統(tǒng)是面向國(guó)防軍工、數(shù)字家庭、工業(yè)控制、教育教學(xué)、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域的(如圖1所示),以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,能滿(mǎn)足目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后,又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強(qiáng)、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征,應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。可以說(shuō)嵌入式技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、前景最好的信息技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一,也是近年來(lái)各高校信息學(xué)科普遍重視的專(zhuān)業(yè)方向之一。

但是,許多高校未能考慮到該專(zhuān)業(yè)主干課程具有的實(shí)踐性強(qiáng)、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn),一味地照搬其他學(xué)科的教學(xué)方法,致使課程教學(xué)的效果與預(yù)期相比有較大的差距。為了解決這個(gè)問(wèn)題,作者提出了一種基于“Learningby doing(做中學(xué))”的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革思路。同時(shí),將該課程教學(xué)改革思路應(yīng)用到重慶科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)方向中,取得了較好的應(yīng)用效果。

2主干課程分析

教學(xué)改革的具體對(duì)象是面向課程的,因此,對(duì)該專(zhuān)業(yè)方向的課程進(jìn)行分析有利于弄清楚該專(zhuān)業(yè)中主干課程的特點(diǎn),進(jìn)而明確課程教學(xué)改革要解決的核心問(wèn)題和今后課程改革的方向。

2.1課程體系方向分析

嵌入式系統(tǒng)是軟硬結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要有兩個(gè)大的方向。

方向一偏重硬件設(shè)計(jì),例如與電子工程、通信工程相結(jié)合。這個(gè)方向培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生主要從事硬件設(shè)計(jì)工作,有時(shí)需要開(kāi)發(fā)一些與硬件關(guān)系最密切的最底層軟件,如BootLoader、Board Support Package(像PC的BIOS一樣,往下驅(qū)動(dòng)硬件,往上支持操作系統(tǒng))、最初級(jí)的硬件驅(qū)動(dòng)程序等。他們的優(yōu)勢(shì)是對(duì)硬件原理非常清楚,不足在于這類(lèi)方向的人才更擅長(zhǎng)定義各種硬件接口,但對(duì)復(fù)雜軟件系統(tǒng)往往力不從心(例如嵌入式操作系統(tǒng)原理和復(fù)雜應(yīng)用軟件等)。

方向二偏重軟件設(shè)計(jì),例如和軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)結(jié)合,這個(gè)方向培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生主要從事嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。他們對(duì)硬件原理和接口有較好的掌握,也完全可以寫(xiě)B(tài)SP和硬件驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式硬件設(shè)計(jì)完后,各種功能就全靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)了,嵌入式設(shè)備的增值很大程度上取決于嵌入式軟件,這占了嵌入式系統(tǒng)的最主要工作。目前有很多公司將硬件設(shè)計(jì)包給了專(zhuān)門(mén)的硬件公司,很多嵌入式公司自己只負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)軟件,因?yàn)楣径贾?嵌入式產(chǎn)品的差異很大程度在軟件上。越是智能設(shè)備,越是復(fù)雜系統(tǒng),軟件越起關(guān)鍵作用。

2.2課程體系及主干課程分析

從以上分析還可以看出,一個(gè)完整的嵌入式課程體系主要包括一門(mén)主流嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)與原理、一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)以及熟悉嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程(至少做過(guò)一個(gè)嵌入式軟件項(xiàng)目),如圖2所示。

為此,該專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置一般包含以下課程:

(1) 嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

這是一門(mén)嵌入式硬件基礎(chǔ)課程,這門(mén)課程與“微機(jī)原理與接口”內(nèi)容上有些類(lèi)似。學(xué)習(xí)本課程的目的是對(duì)ARM處理器工作原理、ARM的匯編指令系統(tǒng)和接口技術(shù)有充分的了解。無(wú)論學(xué)生以后的方向是ARM+WinCE、ARM+LINUX、ARM+VXWORKS中的哪一種,學(xué)習(xí)本課程都是非常重要的。

(2) 嵌入式操作系統(tǒng)類(lèi)課程

大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性都很強(qiáng),所以也可稱(chēng)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Real Time Operating System,從事嵌入式工作的人至少須掌握一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng),這在嵌入式的所有技術(shù)中是最為關(guān)鍵的。目前最重要的RTOS主要包括Vxworks操作系統(tǒng)、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。其中Vxworks主要用在通信領(lǐng)域,Linux的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜,Windows CE的優(yōu)點(diǎn)在于入門(mén)容易,且支持的開(kāi)發(fā)工具很多。目前,大多數(shù)高校在“Windows CE與嵌入式軟件開(kāi)發(fā)”或“嵌入式Linux設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”中選擇一種。

(3) 嵌入式軟件設(shè)計(jì)與編程相關(guān)課程

本課程的方向決定具體的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用方向,例如北京大學(xué)的嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)踐、移動(dòng)通信服務(wù)終端、數(shù)字家庭技術(shù)分別代表了三個(gè)不同的專(zhuān)業(yè)發(fā)展方向,即嵌入式系統(tǒng)工程、移動(dòng)通信服務(wù)終端、數(shù)字家庭技術(shù)等方向。我們可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)主攻方向,另外可開(kāi)設(shè)一些其他方向的選修課程。

(4) 嵌入式開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟硬件基礎(chǔ)課程

“數(shù)字電路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)”、“匯編語(yǔ)言”、“C/C++”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法”、“軟件工程”等,這些都是軟硬件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)課程,是學(xué)習(xí)嵌入式軟件和系統(tǒng)方向的基礎(chǔ)。

另外,針對(duì)具體的應(yīng)用需求,還可以開(kāi)設(shè)與該應(yīng)用需求相關(guān)的一些課程。

目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分高校在該專(zhuān)業(yè)招生,東南大學(xué)、北京大學(xué)、重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)等開(kāi)設(shè)的主干課程均完全按照上述需求進(jìn)行課程設(shè)置,但由于各自的專(zhuān)業(yè)重心不同,選修課程略有差別。

3教學(xué)改革思路

基于上述主干課程的分析可以看出,“嵌入式軟件和系統(tǒng)”主干課程最大的特點(diǎn)就是要求實(shí)踐,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力。針對(duì)該專(zhuān)業(yè)課程的特征,可從教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核方法、能力培養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)導(dǎo)向等多個(gè)方面進(jìn)行綜合改革,如圖3所示。

3.1教學(xué)理念

嵌入式常常與新產(chǎn)品和新技術(shù)聯(lián)系在一起,嵌入式課程本應(yīng)是最能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)的實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,但目前國(guó)內(nèi)嵌入式教學(xué)仍普遍停留在以講概念和講原理為主的水平上,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完后“會(huì)背書(shū),不會(huì)做”,嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。為解決這一老大難問(wèn)題,采用“Learning by doing(做中學(xué))”這一先進(jìn)教學(xué)理念勢(shì)在必行。

“Learning by doing”是一種讓學(xué)生在工程項(xiàng)目(包括綜合性設(shè)計(jì)性單元教學(xué))中通過(guò)實(shí)戰(zhàn)來(lái)提高動(dòng)手能力的學(xué)習(xí)方法。該方法有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)中養(yǎng)成良好的項(xiàng)目管理、團(tuán)隊(duì)合作精神,提高其技術(shù)水平和開(kāi)發(fā)能力。

3.2教學(xué)方法

我們對(duì)常規(guī)教學(xué)方法進(jìn)行全面改革,并與國(guó)內(nèi)外知名研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)合作,采用“面向市場(chǎng)、結(jié)合產(chǎn)學(xué)研”的教學(xué)方式,實(shí)現(xiàn)與企業(yè)的無(wú)縫對(duì)接,使本專(zhuān)業(yè)學(xué)生具有“顯著工程實(shí)踐能力”。例如,結(jié)合重慶大學(xué)城毗鄰重慶西永微電子產(chǎn)業(yè)園的優(yōu)勢(shì),我們的嵌入式軟件和系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)方向目前已與東方標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)中心、惠普重慶研究中心、中科院軟件中心的渝德科技、NTT Data等廠(chǎng)商簽訂或正在洽談產(chǎn)學(xué)研合作辦學(xué)事宜,引進(jìn)這些大公司研發(fā)機(jī)構(gòu)的成熟經(jīng)驗(yàn),一方面可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力,另一方面也為學(xué)生今后的就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3考核方法

“會(huì)考試,不會(huì)做”是我國(guó)工程類(lèi)課程教學(xué)長(zhǎng)期存在的一大頑疾,學(xué)生通常只要到期末臨時(shí)突擊背書(shū)便可混過(guò)考試,這樣的現(xiàn)象歸根到底還是傳統(tǒng)的筆試考核模式在作怪。為此,我院改革傳統(tǒng)的筆試考核,完全以各章節(jié)的小項(xiàng)目及提交的期末大項(xiàng)目(作品)進(jìn)行考核,即采用“項(xiàng)目考核”的考核方式。這就要求學(xué)生平時(shí)必須花很多時(shí)間和精力在項(xiàng)目上,通過(guò)項(xiàng)目又可激發(fā)學(xué)生的成就感,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性,對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量和保證教學(xué)效果起到至關(guān)重要的作用,此項(xiàng)舉措在該類(lèi)課程中尤其具有推廣價(jià)值。

3.4能力培養(yǎng)

本課程非常強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。我們鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋報(bào)項(xiàng)目,并要求其項(xiàng)目作品能在不同的嵌入式硬件平臺(tái)上運(yùn)行,促進(jìn)學(xué)生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中鍛煉了自學(xué)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,以自由組合的形式進(jìn)行團(tuán)隊(duì)軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā),也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力,而采用演講演示、答辯的方式驗(yàn)收課程項(xiàng)目,則培養(yǎng)了他們的交流表達(dá)能力。同時(shí),為改變目前理工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生普遍重視技術(shù)技巧,忽視工程項(xiàng)目過(guò)程管理的現(xiàn)狀,本課程在教學(xué)過(guò)程中將全面采用項(xiàng)目組織和管理思想,使學(xué)生在校期間就能形成良好的軟件工程素養(yǎng)和意識(shí),提高團(tuán)隊(duì)工程項(xiàng)目的組織和管理水平。加強(qiáng)以上全面能力的培養(yǎng)正是我國(guó)理工科專(zhuān)業(yè)教育改革的方向。

3.5課程的前沿性和時(shí)代性

嵌入式技術(shù)的突出特點(diǎn)是與具體應(yīng)用緊密結(jié)合。學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式的根本目的就是為了有能力做實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。如果教學(xué)脫離業(yè)界的主流開(kāi)發(fā)技術(shù)去空談,就失去了嵌入式教學(xué)的意義。教育的根本目的是為企業(yè)培養(yǎng)人才,不是為閉門(mén)造車(chē)。本課程直接以業(yè)界主流的嵌入式操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ),學(xué)生學(xué)完后可立即開(kāi)始實(shí)際嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)工作,避免了傳統(tǒng)教學(xué)方法所導(dǎo)致的學(xué)生參加工作后要重新從頭學(xué)起的彎路。同時(shí)課程設(shè)計(jì)將緊密跟隨嵌入式技術(shù)的發(fā)展,及時(shí)地把最新的技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)內(nèi)容中,這使得學(xué)生能及時(shí)地接觸和學(xué)到業(yè)界的最新技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,不斷充實(shí)和更新教學(xué)內(nèi)容,可長(zhǎng)期保持課程的生命力和發(fā)展活力。

上述課程改革方案在重慶科技學(xué)院的“嵌入式軟件和系統(tǒng)”方向的課程教學(xué)中進(jìn)行了嘗試,取得了較好的應(yīng)用效果。

4結(jié)論

針對(duì)目前“嵌入式軟件和系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)”課程教學(xué)中普遍存在的“會(huì)背書(shū)、會(huì)考試、不會(huì)做”的實(shí)際情況,作者在本文中完成了如下工作:

(1) 分析了“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用需求和主干課程的特點(diǎn);

(2) 從教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核方法、能力培養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)導(dǎo)向等多個(gè)方面提出了“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革思路。

應(yīng)用效果證明該課程改革思路對(duì)提高“嵌入式軟件和系統(tǒng)”主干課程的教學(xué)質(zhì)量具有明顯的效果。

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Reform Thinking About College Education in the Specialty of Embedded Software System

CHEN Guo-rong, SHI Jin-liang, PENG Jun

(School of Electron & Information EngineeringChongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Abstract: With the extending of the application in embedded software system, the talent-trainings in the specialty bearing have appeared in some college. But a difficult situation of “rote learning and coping test but do not have the capability of solving problems” appears in most of those. In order to deal with the difficulty, the needing of the specialty and the performance of the main courses were analysized. The reform thinking were put forward to in five aspects: a new teaching conception of learning by doing; a teaching method of markets oriented and CEEUSRO based; assessing the learning effect by the items their doing; aiming at the target of improving their integrated ability; and keeping the course with the times. The reform thinking about college education in the specialty of Embedded Software System has been practiced in the specialty in Chongqing University of Science and Technology, and the application effect proved it.

Key words: teaching reform; Embedded Software System; specialty training