嵌入式專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究與實(shí)踐

黃 海 軍，李 秉 璋，朱 翠 青

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

嵌入式專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究與實(shí)踐

黃 海 軍，李 秉 璋，朱 翠 青

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

在分析長(zhǎng)三角地區(qū)對(duì)嵌入式專業(yè)人才需求的基礎(chǔ)上，介紹江蘇技術(shù)師范學(xué)院在計(jì)算機(jī)嵌入式專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行的一些探索，詳細(xì)闡述四層次實(shí)踐教學(xué)模式以及具體教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)踐教學(xué)體系；嵌入式專業(yè)；教學(xué)研究；課程體系

實(shí)踐教學(xué)是工科專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是專業(yè)知識(shí)的形象表現(xiàn)。實(shí)踐教學(xué)既有助于學(xué)生深刻理解專業(yè)基本理論、又有助于學(xué)生學(xué)以致用、提高專業(yè)實(shí)踐能力，同時(shí)，還是未來(lái)職業(yè)活動(dòng)的預(yù)演，有助于引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)。

國(guó)內(nèi)高校對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)研討從嵌入式人才培養(yǎng)方案、課程體系設(shè)置、理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、方法、學(xué)生企業(yè)見習(xí)、實(shí)習(xí)等方面展開。江蘇技術(shù)師范學(xué)院從2007年開設(shè)計(jì)算機(jī)嵌入式專業(yè)，和其他計(jì)算機(jī)專業(yè)相比，嵌入式專業(yè)還是一個(gè)新興的專業(yè)。目前，整個(gè)教學(xué)過(guò)程還處于實(shí)踐探索階段。筆者主要從嵌入式專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的角度進(jìn)行討論。

一、嵌入式專業(yè)教學(xué)體系的構(gòu)成

（一）專業(yè)及人才需求分析

在對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)制造型企業(yè)嵌入式專業(yè)人才需求，開設(shè)有嵌入式系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的高等院校作大量調(diào)研，詳盡分析后，筆者認(rèn)為：（1）從人才培養(yǎng)目標(biāo)分析，基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中更多的強(qiáng)調(diào)以“應(yīng)用”為中心。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系應(yīng)該反映行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，體現(xiàn)項(xiàng)目開發(fā)背景，提高嵌入式軟件開發(fā)方面的綜合應(yīng)用能力。（2）從學(xué)科專業(yè)角度分析，嵌入式技術(shù)應(yīng)用廣泛，涉及多門交叉學(xué)科，因此在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程設(shè)置應(yīng)符合長(zhǎng)三角地區(qū)制造型企業(yè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人才的技術(shù)需求、課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)圍繞這一目標(biāo)展開。（3）從專業(yè)技術(shù)角度來(lái)析，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件有機(jī)的結(jié)合體，兩方面的知識(shí)、能力缺一不可。因此，在設(shè)置課程體系時(shí)，需要綜合考慮軟硬件課程，注重培養(yǎng)學(xué)生軟件和硬件以及綜合性知識(shí)、技能。

（二）嵌入式專業(yè)教學(xué)體系

本科階段課程設(shè)置既要重視基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，又要注重實(shí)踐性，既要突出專業(yè)自身特點(diǎn)，又要把握嵌入式系統(tǒng)在多學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域中相互滲透的規(guī)律。綜上，確定嵌入式專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是：適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要，較好掌握計(jì)算機(jī)工程基本知識(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力，具備一定的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)、維護(hù)的專門人才，同時(shí)具備一定的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)管理能力。

基于這一目標(biāo)，嵌入式專業(yè)目前課程體系框架如下圖所示。

其中，第一階段工科公共知識(shí)模塊著重培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)與技能，包括數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)課程、外語(yǔ)基礎(chǔ)課程、人文基礎(chǔ)課程等三個(gè)方面；第二階段基礎(chǔ)知識(shí)模塊著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，它包括學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程；第三階段專業(yè)技術(shù)模塊培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性和潛能，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)人才的需求。

在整個(gè)培養(yǎng)方案中，專業(yè)課程主要包括：數(shù)字電路與數(shù)字邏輯、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)原理、可編程邏輯器件、EDA設(shè)計(jì)，C/C++語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式操作系統(tǒng)等。

課程體系的基本框架圖

（三）實(shí)踐教學(xué)體系

嵌入式系統(tǒng)是實(shí)踐性很強(qiáng)、滲透領(lǐng)域廣泛專門技術(shù)。因此，在嵌入式專業(yè)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)/見習(xí)等是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生真正掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。本專業(yè)目前建有數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)與接口、嵌入式實(shí)訓(xùn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件通用等6個(gè)實(shí)驗(yàn)室。所有專業(yè)課程都設(shè)置課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并開設(shè)電路工藝與設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)、計(jì)算機(jī)電路與邏輯綜合課程設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)綜合課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)、金工實(shí)習(xí)、計(jì)算機(jī)硬件綜合課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)軟件綜合課程設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)工程訓(xùn)練（認(rèn)證）、專業(yè)實(shí)習(xí)。其中嵌入式實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室配有飛思卡爾芯片5 000系列、MC9S12系列的嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)配套實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試儀器，可以完成初、中、高級(jí)嵌入式硬件基礎(chǔ)、嵌入式軟件基礎(chǔ)、嵌入式工程應(yīng)用三大類40余種實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施

在4年的專業(yè)教學(xué)中，實(shí)踐教學(xué)體系分成四個(gè)層次進(jìn)行，即基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)、綜合性訓(xùn)練。

（一）專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要對(duì)學(xué)生進(jìn)行三方面的基本訓(xùn)練：一是在“數(shù)字電路與數(shù)字邏輯”課程中安排必要學(xué)時(shí)訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備(常用工具、測(cè)試儀器等)的正確操作、使用方法；二是安排2周時(shí)間培訓(xùn)簡(jiǎn)單的金工操作，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單裝置的金工識(shí)圖、制作；三是依托“C/C++程序設(shè)計(jì)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等課程，通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，訓(xùn)練程序設(shè)計(jì)能力。

（二）硬件實(shí)驗(yàn)

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括兩門核心課程“數(shù)字電路與數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成原理”以及兩門專業(yè)課程“匯編程序設(shè)計(jì)與接口原理”和“嵌入式系統(tǒng)”，著重培養(yǎng)學(xué)生硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。

“數(shù)字電路與數(shù)字邏輯”課程實(shí)驗(yàn)，首先學(xué)習(xí)分立元件和小規(guī)模集成電路的使用，目的是讓學(xué)生了解常用電路的功能、作用。其次能將數(shù)字邏輯與實(shí)際電路聯(lián)系起來(lái)，要求學(xué)生能夠設(shè)計(jì)組合電路（譯碼器、編碼器、多選一多路轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器、ALU電路等）、時(shí)序電路設(shè)計(jì)（觸發(fā)器、鎖存器、各類寄存器、時(shí)鐘和定時(shí)等）以及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等。同時(shí)掌握各種設(shè)計(jì)、調(diào)試平臺(tái)的使用。這時(shí)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在器件設(shè)計(jì)這一級(jí)。

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在部件設(shè)計(jì)這一級(jí)。由于先修課程“數(shù)字電路與數(shù)字邏輯”的良好基礎(chǔ)和連貫性，可以利用前面設(shè)計(jì)的器件組成部件。最大限度地利用有限的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，不會(huì)使學(xué)生負(fù)擔(dān)過(guò)重，更主要的是可以加深對(duì)前面課程的理解，要求學(xué)生能夠設(shè)計(jì)單周期和多周期實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單（十幾條指令）的32位RISCCPU，并寫一段使用這些指令的測(cè)試程序，利用相應(yīng)的匯編語(yǔ)言及其編譯程序，翻譯成二進(jìn)制代碼進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，并觀察分析運(yùn)行結(jié)果。

（三）軟件實(shí)驗(yàn)

軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重于學(xué)生嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析能力。軟件技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程主要包括核心課程如“嵌入式操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)庫(kù)原理與應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程”等實(shí)驗(yàn)。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，與軟件、硬件均密切關(guān)聯(lián)，是所有軟件中最復(fù)雜的。學(xué)生只有通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，才能真正掌握嵌入式操作系統(tǒng)的原理，逐步理解和掌握操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和方法，解決實(shí)際問(wèn)題。

“數(shù)據(jù)庫(kù)原理與應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)采用WinSocket規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。“嵌入式操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生編寫一個(gè)小型模擬嵌入式操作系統(tǒng)。

（四）綜合性訓(xùn)練

在教學(xué)方案中，我們?cè)诘?學(xué)期安排4周的“綜合性專業(yè)訓(xùn)練”的實(shí)踐課程。這個(gè)實(shí)踐課程的內(nèi)容具有實(shí)戰(zhàn)演練的特點(diǎn)：學(xué)生分成若干組，合作完成一個(gè)具有一定難度，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的嵌入式系統(tǒng)。各組從項(xiàng)目需求分析到軟硬件設(shè)計(jì)、制作、編程、實(shí)現(xiàn)等全過(guò)程。每個(gè)小組模擬組成一個(gè)項(xiàng)目組，由學(xué)生組長(zhǎng)擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理的角色，其他組員按分工分別擔(dān)任不同的角色、完成不同的工作。在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的各環(huán)節(jié)指導(dǎo)教師進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，給出成績(jī)。最終考核以組為單位進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，按不同比重對(duì)組內(nèi)不同角色考核評(píng)分。這不但培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，檢驗(yàn)了專業(yè)知識(shí)的掌握運(yùn)用，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的組織能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，有效地提高了專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果。

（五）各種課外專業(yè)實(shí)踐

由于專業(yè)總學(xué)時(shí)、授課模式等因素的限制，課內(nèi)的實(shí)踐學(xué)時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強(qiáng)的專業(yè)人才。因此，在上述四個(gè)層次的實(shí)踐之外，采取多種方式、途徑，按照人才培養(yǎng)方案，社會(huì)對(duì)嵌入式專業(yè)人才的需求進(jìn)行各種訓(xùn)練。主要方式有：（1）融合軟硬件知識(shí)的綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生綜合運(yùn)用多門課程內(nèi)容，自己設(shè)計(jì)硬件裝置，設(shè)計(jì)程序，進(jìn)行綜合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。（2）參與教師的科研有選擇地挑選有潛能的高年級(jí)的學(xué)生，參與導(dǎo)師的科研，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，工程開發(fā)能力。（3）參加相關(guān)的學(xué)科、專業(yè)競(jìng)賽各種競(jìng)賽能反映學(xué)生學(xué)習(xí)能力和檢驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用能力。教師要積極鼓勵(lì)學(xué)生參見校內(nèi)、省市級(jí)的競(jìng)賽。通過(guò)競(jìng)賽前的準(zhǔn)備、高水平的競(jìng)賽、競(jìng)賽后的總結(jié)，能夠極大地提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力，創(chuàng)新能力。通過(guò)競(jìng)賽同時(shí)也反映出教學(xué)工作長(zhǎng)處與不足，能進(jìn)一步促進(jìn)專業(yè)教學(xué)改革。培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造能力和創(chuàng)業(yè)精神的學(xué)生。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，幾乎涵蓋了所有領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)在大學(xué)中形成獨(dú)立的專業(yè)還是近幾年的事情。不同的高校在嵌入式系統(tǒng)課程體系、實(shí)驗(yàn)體系、教材體系和教師知識(shí)結(jié)構(gòu)均不相同。因此，從某種意義上說(shuō)，嵌入式專業(yè)的教學(xué)改革，特別是實(shí)踐教學(xué)改革還任重道遠(yuǎn)，需要從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的教師在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行研究、不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，不斷地創(chuàng)新，培養(yǎng)出社會(huì)所需要的高素質(zhì)嵌入式技術(shù)人才。

黃海軍，男，實(shí)驗(yàn)師，培訓(xùn)中心主任，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

G712

A

1674-7747（2011）22-0018-03

[責(zé)任編輯 秦 濤]