嵌入式系統專業課程教學存在的問題與思考

徐遠超 張聰霞 關 永

摘要:近幾年很多高校都相繼開設了嵌入式系統專業,由于嵌入式系統本身的復雜性及課程教學體系的不成熟,使得嵌入式教學還存在很多問題有待探討。正視、認清并結合實際情況尋找對策,才能搞好教學和專業建設,真正提高嵌入式人才培養質量。本文分析了嵌入式系統專業存在的部分問題、總結了國內高校的幾點成功做法,重點對師資建設、體制管理、課程改革等問題進行了思考。

關鍵詞:嵌入式系統;課群建設;教學改革;教學方法

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1前言

嵌入式是近幾年發展最為迅速的IT領域之一,人才市場的需求量極大,因此,包括北京大學、北京航空航天大學、同濟大學、浙江大學等著名大學在內的全國很多高校及高職院所都紛紛開設了嵌入式系統專業。如何提高教學質量,培養專業人才,是擺在專業建設負責人和任課教師面前的重要課題。要解決好這個問題,必須首先認清嵌入式系統的特點,以及目前存在的問題,通過分析成功的經驗做法,在結合自身特點及現實情況的基礎上制定一套適合自己的教學體系。

2專業特點

(1) 專業涉及面太廣、綜合性太強。嵌入式系統是一門“軟硬兼施”、涉及多門專業基礎類課程內容并具有較強應用針對性的課程,不僅要求學習者具有較好的計算機軟、硬件基礎知識,還要求其具有其他門類專業的常規知識(如通信,自動控制,傳感器技術等),被業界認為是一科入門門檻較高的學科。

(2) 在此之前,學生在算法設計、應用層編程上接觸較多,而嵌入式系統需要大量的理解底層硬件和外設的工作原理,以及內核和驅動的工作原理,涉及到復雜的C語言和操作系統的概念,學生一下子無法接受,甚至產生畏難情緒。

(3) 嵌入式系統往往與應用相關,處理器、操作系統等種類繁多,熟悉這些內容,僅僅靠課內有限的學時是遠遠不夠的,這無疑要求學生們拿出大量的課外時間加以自學,這對他們的自學能力提出了很高的要求,而自學能力的培養普遍沒有得到足夠的重視或訓練。

3存在的問題

(1) 隨著高校的擴招,包括重點大學在內的生源質量普遍下降。很多學生只愿學馬上能用、容易上手的知識,這種現象在除重點大學之外的其他高校普遍存在。學生的學習興趣和積極性亟待提高,沒有這一點作為基礎,任何教學改革都是無源之水,天方夜譚。

(2) 由于涉及的知識面廣,綜合性強,這就對任課教師提出了更高的要求。一般的教師很難做到軟、硬件都精通,很多老師都是在接受短期培訓之后就給學生授課的,對相關基礎缺乏全面足夠的了解,實踐經驗有限。因此,目前學生實踐活動普遍停留在應用程序開發的階段上,底層內核移植、驅動程序的開發相對較少。

(3) 現有的嵌入式實驗教學平臺所配的實驗,幾乎都配備了詳細的實驗指導書,雖然老師們準備實驗講義的工作量減輕了,但學生們按照實驗指導書的步驟一步一步按部就班地重復實驗內容,不僅無創新可言,實驗本身的效果也大打折扣。

(4) 有限的課內學時,無法滿足實踐教學,尤其是綜合性、設計性實踐的需要。由于管理體制的原因,很多院校的實驗室并未完全開放,教師指導學生課外實踐的積極性沒有完全調動起來,課內安排的實驗更多的是為了配合課內理論教學的內容,一個實驗一個模塊,缺乏系統性,學生無法建立完整的系統概念。

4成功的做法

縱觀國內高校的成功做法,有以下幾點值得借鑒。

(1) 普遍采取基于項目(Project-Organized)的學習方法,基于問題(Problem-Based)的教學方法。由此產生的實踐教學目標明確,效率高。縱觀實踐教學成功的例子,普遍都是“Learning by Doing”,而不是“Doing by Learning”。

(2) 重視與博創、周立功、Altera、Xilinx、Microsoft、Intel、ARM等知名企業的合作,以獲得最直接的技術支持。既能彌補課程資源的不足,也能有效地培養師資隊伍。

(3) 重視和參加各種嵌入式大賽。很多學校,如北京工業大學,同濟大學,北京航空航天大學,電子科技大學在全球性的嵌入式大賽中都取得了驕人的成績,學生們在大賽中得到了極大的錘煉,這些經驗和積累也充實到教學改革中。在歷屆的“博創杯”全國嵌入式大賽中,哈爾濱工程大學多次獲得特等獎,足以看出該校已經形成了良好的競賽氛圍,也積累了豐富的大賽經驗和技術成果,并非一蹴而就。

5思考

看到一些理工科重點大學的成功做法,我們切記一定不能完全照搬,必須充分認識本校的特點,認真思考并選擇屬于自己的道路。

5.1教師隊伍建設

嵌入式是最近幾年才逐漸發展起來的新專業,教師的教學經驗普遍不足,教師隊伍建設十分關鍵。建議形成以專業負責人為核心,全員參與的教學隊伍。由于實踐輔導的強度非常大,一名教師往往也無法解決實踐過程中,尤其是創新實踐過程中涉及的所有內容,因此我們要探索一門課以一位老師為主導、由多位老師講授或輔導的模式。協同指導,既能減輕教師的負擔,又能提高輔導的效果。所有教師都要苦練內功,豐富自己的理論水平和實踐經驗,并真正投入到實踐輔導的隊伍中。周立功曾說,與他合作的研究生導師必須親自參與到科研項目中,不能只是指導。

5.2管理體制改革

很多嵌入式大賽取得優異成績的高校,都得益于三個方面,一是學生積極參與,二是教師主動投入,三是領導足夠重視。競賽的主體是學生,由于競賽是自愿性質的,面對每年各種各樣的嵌入式大賽,很多高校根本就沒有學生報名。原因是多方面的,除學生的個人基礎外,筆者認為在于引導不夠、宣傳不夠、激勵不夠。北京交通大學的做法是如果要申請保送研究生,必須有這方面的競賽經歷甚至獲獎。另外,很多高校考核教師主要看科研,指導學生實踐活動要占用大量的時間,投入與回報不成正比,很多教師不愿投入精力,而僅靠個別教師指導是無法形成合力的。北京工業大學在這方面做得很好,不僅有八人的教師梯隊,大部分教師都直接參與指導并有著豐富的實踐經驗,學校也十分重視,投入專款建競賽訓練基地。

5.3教學與科研結合,形成自己的特色

實踐證明,沒有科研的教學是沒有深度的。加州大學伯克利分校規定,課程教學必須與教師的研究領域緊密相關,他們追求深度甚于廣度。國內在嵌入式領域的著名高校,都十分重視與知名企業的合作,如同濟大學與微軟在移動方面合作,浙江大學與Intel在多核方面合作,都形成了自己的特色。嵌入式系統與特定行業應用密不可分,泛泛的教學無法激發學生的興趣。

5.4課群建設,課程整合

我們發現,導致學生失去興趣的另外一個原因是課程太多,壓力太大。如我院近幾年相繼開設了嵌入式系統基礎、嵌入式匯編語言、嵌入式操作系統、嵌入式軟件設計、嵌入式軟件測試、課程設計等課程,要通過考試,學生們必須完成相應任課教師布置的大量作業,學生們普遍感覺很累。如果通過一個大的Project,將嵌入式匯編、軟件設計、軟件測試等課程內容有機的整合起來,讓學生得到系統級訓練,作為內容的提升,可以讓學生在嵌入式軟件的優化、功耗的降低、可靠性設計等方面作些研究和實驗,甚至可以延續為畢業設計題目。因此,必須以專業為基礎,進行課群建設。

5.5教學方式改革

嵌入式系統實踐性很強,且有一定難度。建議采取自頂向下(尋根究底)的教學模式,這也符合認識事物的規律。建議學生們最好有一點單片機的基礎,初期用現成的學習板,盡量簡單,后期可嘗試自己設計,從硬件到軟件完全自己做。不僅要進行軟件的設計,而且還要進行硬件電路的設計和制作,以及軟硬件系統的聯合調試,使學生建立相關課程之間知識的有機聯系。讓學生熟悉需求分析、方案設計、原理圖和PCB繪制、元器件采購、電路的焊接和調試、嵌入式軟件開發等各個環節,使他們的工程實踐能力得到真正提高。值得注意的是,項目必須盡可能接近真實世界,因為真實的項目有很多約束,而這正是嵌入式系統的特點。考慮到學生的基礎參差不齊,必須分層次要求和考核。針對實驗教材過于詳細的問題,建議任課教師對實驗重新進行逐一設計,制造一些問題,盡管工作量很大,但確實十分必要。要發揮教師指導、教練的作用,強調學生自學能力的培養和提高。教學中要講思路、思維方式和方法,具體知識讓學生自學,并記錄遇到的問題,長時間無法解決和典型、普遍性的問題再在課堂上統一講授。建立資源庫,尤其是師生互動的教學資源,建立答疑庫,逐漸積累豐富。好的作品建立音視頻錄像永久保存。這樣第二年的項目可在此基礎上再有所發揮。

5.6教材建設

每個學校都有自己的側重點,基礎也不一樣,建議自編講義,結合教學大綱更多地融于自己的研究內容,在講授的過程中思路也會更加清晰,從而可以在教學中傳授更多的經驗而非簡單的知識,條件成熟時還可以公開出版,很多高校都有類似的做法。

6結束語

任何一個專業從新生走向成熟都需要經過幾年甚至更長時間的探索與磨合。在建設的過程中,必須針對學校的特點、生源的質量制定符合自己的培養計劃,根據教學反饋,實事求是,不斷調整。教與學都必須苦練內功,不斷積累,切忌急功近利,膚淺浮躁,只有這樣,教學質量才能實質性的提高。

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