基于工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養的研究

萬智萍，王 鳳，王高亮

（中山大學 新華學院，廣東 廣州 510520）

嵌入式系統已經成為日常生活中不可或缺的組成部分，并以各種形式滲透到我們的生活當中。嵌入式系統應用涉及到多個領域，但嵌入式系統工程人才培養嚴重跟不上產業的發展。如何解決實踐教學中遇到的困難和問題并適應形勢的變化和發展，培養社會需要的高素質應用、創新、拔尖型嵌入式人才，是一個緊迫的課題。

為培養創新能力強、適應企業發展需要的工程師，適應經濟社會快速發展、滿足科學技術和工程應用的國際化要求，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要 （2010-2020年）》（以下稱《綱要》）中指出要通過教育和行業、高校和企業的密切合作并以實際工程為背景，工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力[1]。《綱要》還指出，在人才培養體制改革上要更新人才培養觀念、創新人才培養模式、改革教育質量評價和人才評價制度；在創新人才培養模式上，要創新教育教學方法，探索多種培養方式，形成各類人才輩出、拔尖創新人才不斷涌現的局面[2]。筆者基于這一背景，把嵌入式復合型拔尖創新人才的培養與工程訓練模式有機結合，進行了基于工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養的研究。對社會上的應用型本科院校在嵌入式人才培養上存在的問題進行了分析研究，并探索出一種創新、有效、更切合實際的嵌入式復合型拔尖創新人才培養方法。

1 高校嵌入式人才培養存在問題

1）課程設計與社會發展需求脫節

國內的嵌入式系統教育還處于初期階段，許多高校在計算機科學與技術、電子工程、自動化等專業開設了嵌入式相關的專業方向或者相應增加了嵌入式系統作為選修課，課時相對較短，沒有形成統一的教學體系和人才培養模式，而且開設課程大多沒有結合本校實際情況和社會需求，沒有相應側重點，都是籠統的知識體系，針對性較差，知識也較為陳舊。

2）專業課程之間缺乏必要的銜接

嵌入式系統具有綜合學科代表性，相關的教學代表了其學科教學的發展方向，具有一般參考性，并且與創新人才的培養緊密結合，也覆蓋了和體現了其他專業課程的知識點的綜合應用。理論課教學是培養嵌入式復合型拔尖創新人才中的一個非常重要的環節，更在區分本科層次和他的層次上起重要作用。但很多應用型本科院校在課程設置上有聯系的專業課程之間聯系不緊密，導致學生在學習過程中感到困惑，不知道學習完所學課程后可以應用到哪些方面。

3）教學重理論教學而輕實際應用

許多應用型本科院校在嵌入式教學上不能結合自身實際，盲目追隨重點本科院校的教學模式，以高強度“強灌”式的教學方式向學生灌輸理論知識。在教育方法上，重“灌輸”輕“引導”，學生長期處于被動接受認同狀態，主體精神、主動性退化，創新意識、創造能力得不到開發[3]。對于實踐教學多以驗證性實驗為主，造成嵌入式復合型拔尖創新人才培養上重理論而輕實踐的現象。同時也導致學生在理論和實踐的揉合上產生極大問題，造成學生的理論及實踐能力相對較差的結果。

4）缺乏“雙師”型教師

從現在社會上高校教師的流動形勢來看，教師的流的方向大多遵從高校到高校的流動方向。教師極少參與到企業的工作和研發當中，所以大多數教師以理論知識為主，在解決實際應用問題上局限性很大。因此教師有必要在提高自身的業務能力和不斷更新知識的同時也參與到企業的研發當中去。而這一做法對教師來說是一種途徑提升自身能力的方法，對其自身相當有利，而從學生方面來說，“雙師”型教師可以把自己的研發經驗作為實踐知識傳授給學生以提高學生適應社會發展的能力，是嵌入式復合型拔尖創新人才培養中的一種雙贏舉措。

5）校企間不能長期合作，學生工程訓練的實踐機會少

校企間的溝通問題很多，在利益分配中經常產生沖突，使得校企間建立的合作不能長久，使得學校嵌入式人才培養難以與市場接軌。充分提高對產學研合作和實習教學的認識，積極創新工作思路，采取有效措施應對存在的問題[4]。工程訓練是高等工程教育必不可少的重要環節,但近年來應用型本科院校的實踐教學被不同程度地削弱,使工程訓練達不到最基本的要求,嚴重影響高等工程教育的質量[5]。

2 工程訓練模式下的拔尖創新人才培養

如圖1所示。

1）制定嵌入式系統教學發展規劃，進行培養目標特色定位

圖1 工程訓練模式下的嵌入式復合型拔尖創新人才培養結構圖Fig.1 Char of embedded composite top-notch innovative personnel training based on engineering training mode

依據市場的需求和嵌入式知識體系結構的更新，規劃根據嵌入式系統特點和學生成長規律，以及學校的發展計劃，制定符合當前社會發展需求的規律，指導學生制定嵌入式學習計劃。建立團隊，形成梯隊式的培養人才模式，形成符合專業建設的資料庫。構建嵌入式系統的教學體系，完善實踐教學體系，建立多種模式和培養方式，根據本校特色及社會需求，最終構建符合市場需求，人才培養，學生特點，學校情況等方面的創新教學體系結構。

2）創建良好的實踐教學環境，培養嵌入式創新實踐人才

創新型人才的培養需要一種持續、穩定、系統、活躍、開放的創新教育環境。應用型本科院校嵌入式系統教學不能忽略實踐教學，需要創建嵌入式實驗室和創新實驗室，并為學生提供必要的重要儀器設備，以培養學生的實踐動手能力和創新開發設計能力。根據學生特點和學校培養模式，著手建立嵌入式實驗室和創新實驗室，制定詳細的實驗室建設計劃書。并將嵌入式教學與EDA的理論教學和實踐教學及單片機教學有機相結合，以增強教學實踐性和創新性。

3）開放實驗室管理，建立嵌入式系統開放實驗教學模式

在嵌入式復合型拔尖創新人才培養中，需摒棄舊的封閉式的實驗室管理模，采用新的開放式實驗室管理,制定開放實驗室計劃。學生以獨立或團隊形式進行知識拓展，為工程項目開發、學生科研、學術競賽提供優越的場地和學習環境，提高設備有效利用率。根據嵌入式系統的教學特點開放實驗教學，利用學生課外時間，以學生為主體，教師為主導，進行實踐教學。學生根據個人興趣,在指導教師的指導下確定研究項目，指導教師在項目選題、工程類項目申報、實驗操作和研究總結等各個環節對學生進行個性化指導[6]。采取多樣化的方式進行實驗教學，打破時間限制和實驗課題限制，適量增加綜合性、設計性、創新性實驗的開設，進行多元化的學習和研究。實驗室實踐教學管理圖如圖2所示。

4）加強基礎知識教學同時注重提高學生的綜合應用能力

圖2 實驗室實踐教學管理圖Fig.2 Char of laboratory practice teaching management

工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養需要以有教有學，“教學合一”的作為本質，以學為主作為教育內涵，引導學生自主學習，訓練和培養學生獨立學習、獨立思考、自主發現、自主創新的能力[7]。嵌入式技術涉及的領域非常廣泛，與其他專業領域的滲透融合也日益加強，相關基礎知識關聯度越來越大，必須把專業基礎課程教學與嵌入式教學相結合，為學生奠定扎實的基礎。嵌入式系統復合型人才培養的課程教學設計分為軟件部分和硬件部分。硬件部分主要掌握單片機基礎、模擬電路、數字電路、微機接口、計算機組成原理和EDA技術應用等，軟件部分則包括有嵌入式C、C++語言程序設計、嵌入式匯編語言、數據庫原理、操作系統和Linux驅動設計。嵌入式系統課程設計圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統課程設計圖Fig.3 Curriculum design of embedded systems

另外，在嵌入式系統課程設中可參考以下幾點建議：

①嵌入式C教學

嵌入式學習首先需要具備一定的C語言基礎，因此建議從大一開始安排嵌入式C/C++的課程，從基本語法、常用的數據存儲及處理方式（數組、結構體等）上進行詳細教學。要求學生親手敲寫代碼、分析理解具體案例代碼編寫的思路。此外，有關計算機操作系統工作原理以及計算機組成原理等方面也要求了解，對于進程、線程、任務調度、總線、I/O等基本概念及工作原理做到初步了解和掌握。嵌入式開發指針更顯得尤為重要，所以需要掌握指針的應用，而且要掌握多級指針、函數指針等等，指針的教學上還需要結合內存分配進行。還要學習模塊化編譯處理、指針與數組、gcc、Makefile、GDB、遞歸、結構體、宏定義使用等。

②Linux教學

Linux是一個命令行組成的操作系統，精髓在命令行，無論圖形界面發展到什么水平這個原理是不會變的，Linux命令有許多強大的功能：從簡的磁盤操作、文件存取、到進行復雜的多媒體圖像和流媒體文件的制作，要求學生掌握50個或以上的常用命令，另外還要熟悉Gnome/KDE等X-windows桌面環境操作，掌握.rpm、.tgz等軟件包的常用安裝方法，學習添加外設，安裝設備驅動程序（比如網卡），熟悉Grub/Lilo引導器及簡單的修復操作，熟悉Linux文件系統和目錄結構，掌握vi，gcc，gdb等常用編輯器，編譯器，調試器，理解shell別名、管道、I/O重定向、輸入和輸出以及shell腳本編程，懂得Linux環境下的組網。

③ARM教學

采取三環教學模式。第一環，從基本硬件開始教學，一般處理器及接口電路，如Flash/SRAM/SDRAM/EEPROM/Cache、UART、Timer、GPIO、Watch dog、USB 等，要求學生至少了解一種CPU的體系結構和一種操作系統，如中斷、優先級、任務通信、同步等。對于應用編程，要求學生要掌握C語言程序設計，C++和匯編語言程序設計可由學生根據自身情況選擇性掌握。另外，學生要對處理器的體系結構、組織結構、指令結構、編程模式和應用編程要有了解，還需要在實際工程實踐中掌握一定的實際項目開發能力。第二環，在處理器指令系統和應用編程教學的基礎上，加強外圍功能接口應用教學，主要是人機、通信接口（USB接口、AD轉換、GPIO、以太網、IIC串行數據通信、音頻接口）和觸摸屏應用教學。第三環，通過教學使得學生熟悉至少一種嵌入式操作系統，熟練裁剪、定制及移植、設備驅動程序和應用程序的開發。

5）立足學生特點確定符合本校的培養方案，提高學生實踐和科研能力

立足學生特點采用針對性的培養模式和教學方法培養個性化發展的學生及團隊。在理論教學的深入過程中加大學生的實踐教學，建立相應的創新實驗室為學生提供綜合設計實驗的場所，鼓勵和引導學生參加學生科研工程項目，及創新類、嵌入式類學術競賽，進一步提高學生的綜合能力。突出工程研究能力培養，建立基于問題式、探索式等“研中學”、“做中學”教學模式，實施企業和學校雙導師指導，以研究領域相關工程實際項目為載體，深入企業參與實踐和項目研究，使學生具備工程創新拔尖型人才的潛質，切實提升學生的研究能力和創新能力[8]。

6）增強教學及專業課程的銜接性和學科交叉性，深化復合型應用型人才的培養

引導學生多學科發展，強化自主學習能力，提升綜合應用創新能力，并能根據自己的特點和興趣選擇進行相關專業知識學習。由教師合理有效地對學生進行指導和規劃，使學生有明確的學習和就業方向。從大一開始開設相關C語言程序設計課程，然后將其慢慢引入到嵌入式編程，結合匯編基礎和C語言基礎，加強嵌入式C語言的教學培養，制定相應教學計劃引導學生，結合微機原理及應用，單片機等課程進一步深入嵌入式系統體系結構的學習。

7）建立學生嵌入式科研團隊，增強學生學習興趣，提高學生實踐能力

鼓勵和引導學生組建嵌入式科研團隊，參加省級以上嵌入式學術競賽，利用課余時間自主學習和自主開發和設計嵌入式作品。引導學生主動獲取信息、發現新問題、把握創新點、強化團隊合作意識、克服各種困難、提高創新能力[9]。完善獎勵機制，積極鼓勵并大力支持學生結合項目撰寫并發表學術論文，并根據其發表的刊物級別給予相應的獎勵。對于順利完成拔尖創新人才培養項目，且項目取得較為優越的成果，或在重大競賽中取得優異成績的學生及學生指導教師，結合學校相關政策給予相應的獎勵[10]。在各級采用梯隊模式培養嵌入式技術人才，由教師指導高年級學生，高年級學生指導低年級學生，形成有效的培養模式和氛圍。

8）加深校企合作，開展嵌入式畢業設計

工程模式下的嵌入式復合型拔尖創新人才培養關鍵在于突破校企在運轉過程中各自獨立、知識溢出效應不明顯的瓶頸，建立雙方融合、聯動發展的機制，通過建立一套行之有效的制度體系[11]。學校應密切關注社會上相關企業的發展動態，把握好與優秀企業進行聯系和合作的機會，深化校企合作，建立嵌入式實習基地，在此基礎上可以進行更廣泛的合作，并且立足當地經濟發展更多符合要求的科技型實習基地。另外，讓學生可以更多的選擇更高端的嵌入式畢業設計課題，用積累的知識和動手能力進行最后的畢業設計項目開發，務求進行全程化的畢業設計跟蹤指導和實踐。

9）培養“雙師”指導隊伍，提高嵌入式教學師資力量

工程背景是高等工程教育改的瓶頸，學校可從有工程背景的教師隊伍或由企業工程專家和技術人員組成的指導隊伍兩方面構建“雙師”指導隊伍。把提高教師的理論水平和加深校企合作作為培養工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養中“雙師”型教師培養工作的兩個重點，加強教師的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力[12]。加強教師對新知識、新技術的學習，進行項目開發，跨學科合作，進行校級項目到省級項目到國家級項目的跳躍提升，加強與企業間的“產學研”合作，減少雙方間的沖突，努力營造互利共贏的局面。

3 研究結果

學生方面：可以讓學生有明確的嵌入式學習目標及發展方向，嵌入式系統涉及到軟件和硬件不同方向，更深層次的體系有明確的劃分，學生可以自己根據自身的特點和學習能力涉及深入到適合自己的領域，系統完整的學習知識，深入加強到不同的方向，將興趣和就業掛鉤，可以更大激發學生的學習積極性，不至于盲目和被動。同時，將理論和實踐教學有機結合在一起，促進了學生學習的熱情全身心投入到嵌入式系統的開放實驗教學當中，加強了學生的動手實踐能力，成為真正嵌入式復合型拔尖創新應用人才。

教師方面：通過開展工程模式下的嵌入式系統的開放實驗教學，教師的能力得到了很大提高，并且以雙師型為目標發展個人能力，同時也可以讓教師加強嵌入式方面的研究，提高科研能力，可以更好的與企業合作進行深入和廣泛的合作，教師緊追嵌入式的發展技術，不斷更新自己的知識體系結構，進一步提高了自身的教學能力。

4 結束語

總的來說，本基于工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養方法是一種立足于工程訓練模式，創建自身的特色課程、特色培養模式和特色開放實驗，讓專業上相關的學生具有更強的社會競爭力，同時可以讓學生用所學知識參加省級以上電子類、創新類、嵌入式類的學術競賽，進行項目開發和學生科研，在開放式實驗中提高實力，有機會取得較好成績，也可以讓學生形成你追我趕的良好學習氛圍，在培養專業人才方面積累寶貴的經驗，非常值得推廣。

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