計算機專業嵌入式方向課程體系建設

摘要：隨著嵌入式應用的迅猛發展，企業對嵌入式人才需求的缺口越來越大，嵌入式人才培養問題在高校計算機相關專業已被廣泛重視。結合目前高校嵌入式系統教學和嵌入式技術人才需求現狀，針對計算機專業，提出一套嵌入式方向的課程體系建設方案。

關鍵詞：計算機專業；嵌入式方向；課程體系建設

1、概述

1.1 嵌入式系統定義

我國對嵌入式系統的定義是，以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，在實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴格的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統和應用程序4個部分組成，具有對其他設備進行監視、控制或管理等功能。

1.2 嵌入式技術人才需求

近年來，隨著計算機及集成電路技術的發展，嵌入式技術日漸普及，在通訊、網絡、工控、醫療和電子等領域發揮著越來越重要的作用，并伴隨著巨大的產業需求。據權威部門統計，目前我國嵌入式人才缺口每年為20萬人左右，隨著“三網融合”不斷提速，3G網絡全面鋪開，這一數字還將成倍增長。

2012年，素有國內嵌入式及移動開發培訓風向標之稱的華清遠見教育集團，在廣泛采集數據、深入調研的基礎上推出《2010-2011年中國嵌入式開發從業人員調查報告》（以下簡稱《報告》）。《報告》顯示，目前從事嵌入式開發“不到1年”和“1-2年”的工程師所占比例分別為35%和20%，占總參與調查人數一半以上（55%）；78%左右參與調查的工程師表示，自己公司目前急缺此領域開發方面的專業技術人才。可以看出，在整個行業發展過程中，嵌入式人才仍然供不應求。

1.3 高校嵌入式教育現狀

目前，國內大部分普通高校把嵌入式專業課程當作選修課，沒有把它設為專業或方向；而一些重點高校的嵌入式教學主要是在研究生層次和科研實驗室中。因此，國內高校的嵌入式教育還沒有形成一套比較科學、系統的課程體系，在人才培養目標和教學水平方面普遍存在著如下問題。

1）嵌入式人才培養目標與實際需求脫節。

當前高校嵌入式技術人才培養跟不上行業技術發展潮流，與實際工程應用需求脫節，導致在國內嵌入式人才市場上，大學畢業生就業困難，而用人單位招聘不到符合標準的開發人員。究其原因，主要有以下幾個方面：一是高校開設的相關課程教學內容與培養目標不完全一致，缺乏系統性與結構化，教材知識難以遷移到實踐中；二是相關課程教學內容重視知識介紹，輕視能力培養，不能滿足新技術變革的需要；三是相關課程和教學內容設置隨意，因人施教現象嚴重；四是教學方法與配套資源缺失，沒有與實際工程應用需求配套的實驗教學設施以及相關實踐性課程，嵌入式人員創新意識薄弱，實踐能力不強。

2）師資嚴重不足。

嵌入式技術學科是研究如何在一個特定的硬件環境上開發與構建特定的可編程軟件系統，應用性強。在教學方面，除了要重視理論教學外，更要注重實踐教學，而且在實踐教學中一般要求以項目為導向；在師資隊伍方面，要求教師軟硬件知識兼通，且需要具有很深的專業背景和工程項目經驗，這樣才有可能以項目為導向，讓項目貫穿整個教學過程，引導學生充分發揮主體作用，達到“做中學”的目的。目前，大部分普通高校在嵌入式系統方面師資有限，特別是軟硬件知識兼通的師資嚴重不足，具有企業工作經歷的專業教師更是缺乏，教師隊伍的封閉性決定了“雙師型”教師比例不高。因為，不少碩士或博士畢業后直接踏上教學崗位，很少有機會進行工程實踐，并且熟悉軟件的對硬件了解不夠，或熟悉硬件的不一定熟悉軟件。

2、嵌入式課程體系的建立

2.1 計算機專業嵌入式人才培養目標

嵌入式系統知識學科融合性強，不同專業的學生各有其局限性。自動化、測控和電子類專業學生電子設計基礎較好，程序設計偏弱，偏硬件；而計算機類的學生程序設計基礎好，電子設計能力偏弱，偏軟件。考慮到高校傳統的計算機專業特點，應該重點培養嵌入式應用開發人才。

《報告》調查企業對嵌入式軟硬件人員的工作安排，如圖1所示。

《報告》認為，在大部分從事嵌入式產品研發的企業中，基本都是軟硬件人員分工合作完成產品開發（接近60%）。在排名前3位的企業人才需求中，軟件開發人才的需求高于硬件開發人才，這一點與2009-2010年度的調查數據相比基本沒有太大變化。

從各大招聘網站的搜索數據中也可以看出，目前嵌入式軟件開發人才的需求量遠遠大于硬件開發人才。嵌入式系統項目研發80%以上的工作量是在軟件部分，軟件是嵌入式系統最核心的部分，也是體現嵌入式系統優勢最關鍵的部分，企業對嵌入式軟件開發人才的需求必將持續上漲。

因此，綜合考慮嵌入式系統設計與應用對不同層面的人才需求特點和高校傳統計算機專業的特點，嵌入式課程體系的培養目標是：在嵌入式系統與應用的4個層面中，培養除硬件設計以外的嵌入式應用開發、嵌入式操作系統開發和嵌入式驅動開發3個層面有一定基礎的人才，重點培養嵌入式應用開發人才。

2.2 嵌入式課程體系建設依據

近年來，企業在嵌入式系統開發中對軟件平臺、硬件平臺和軟件開發語言的選擇情況，依據上述《報告》公布的結果如圖2-4所示。

圖2反映了嵌入式開發硬件平臺的發展趨勢。在嵌入式開發領域，ARM處理器毫無疑問占據了嵌入式處理器90%以上的市場份額，ARM9系列仍是ARM市場占有率最高的處理器（45%）。為了嵌入式軟件開發服務，我們選擇ARM處理器作為嵌入式硬件實驗平臺，開設基于ARM9處理器的相關課程，培養在ARM9處理器硬件平臺上進行嵌入式應用程序開發的能力。

圖3可以看出，在軟件開發平臺的選擇上，嵌入式Linux占據了明顯的優勢（48%），Linux以其開源成本低的優勢受到眾多嵌入式企業的歡迎。排名二、三的是Windows.CE和Android，所占比例分別是17%和9%。作為智能手機的主流嵌入式操作系統Android，漸漸成為各大手機廠商新的選擇。基于3G移動平臺（特別是Android平臺）的研發需求將快步增長。因此，在嵌入式操作系統開發和嵌入式驅動開發的層面來看，我們以開設嵌入式Linux操作系統、WinCE操作系統、嵌入式Android操作系統等課程為主。從嵌入式應用程序開發層面來看，我們應著重培養在Linux、WinCE、Android等系統平臺上進行嵌入式應用程序開發的能力。

圖4顯示在軟件開發語言的使用上，C語言作為嵌入式開發最經常使用的語言主導地位是毋庸置疑的，所占比例高達67%；C++所占比例為15%，位居第2；Java所占比例為8%，位居第3。從這組數據也可以看出，傳統的嵌入式開發主要基于c語言，不管在工業控制領域、通信領域，還是消費電子領域，C語言均是首選。隨著3G技術的推動，在2009年，移動互聯網發展迅速，C++、Java等高級語言也得到廣泛應用。因此，從嵌入式應用程序開發層面來看，我們應著重培養C語言、c++和Java等高級語言的應用能力。

2.8 嵌入式方向課程體系模型構建

通過對目前主流技術及其發展趨勢和市場需求分析看，為與市場緊密銜接，達到培養合格嵌入式人才的目標，按照計算機專業嵌入式方向學生大學4年所需能力，我們需建立“2+1+1”三段式4年制的人才培養課程體系模式，即前2學年重基礎，第3學年精方向，第4學年重實踐，堅持工程能力和素質培養4年不斷線的原則，將工程項目教學法貫穿整個教學環節，提高學生的學習興趣，增強學生的工程意識和工程實踐能力。課程體系模型劃分為程序設計能力培養（第1學年）、專業基礎能力培養（第2學年）、嵌入式方向能力培養（第3學年）和工程實踐能力培養（第4學年）4個階段，如表1所示。每個階段均設計相應的教學內容以達到能力培養目的。

3、嵌入式課程體系的實施

3.1 師資培養

由于嵌入式系統所需知識具有學科融合性強、軟硬結合和應用廣泛的特點，要培養出符合企業需求的嵌入式人才，除了要有與最新行業技術配套的實驗設備外，還應當具備一支教學經驗豐富、軟硬件知識兼通且具有一定的專業背景和工程項目經驗的師資隊伍。因此，加強嵌入式課程教師隊伍建設，應當考慮：一是與企業合作，邀請企業中具有嵌入式系統開發經驗的工程師來校助教，擔任部分授課、課程設計和學生畢業論文的指導工作；二是從企業直接引入具有嵌入式系統開發經驗的工程師；三是學校要為年輕教師提供更多培訓與學習交流機會，選派骨干教師定期到專業的嵌入式開發企業進行培訓，或到基層掛職鍛煉，積累工程實踐方面的經驗，掌握最前沿的技術；四是與嵌入式開發企業合作開發嵌入式項目，進一步將理論與實際需求相結合。

3.2 實驗平臺建設

根據計算機專業嵌入式方向課程的設置和培養目標，選擇ARM處理器作為嵌入式硬件實驗平臺，原因如下：①ARM處理器功能強大，應用靈活，是嵌入式技術發展的主流，被廣泛應用于智能家電、手機、汽車電子、機頂盒等方面。目前ARM市場占有率居第一位，在技術上可以得到廠商較好的支持。②ARM處理器與市場需求聯系緊密，以刪芯片為核心的實驗設備很多，基于ARM構架的處理器涉及從微控制器（MCU）、微處理器（MPU）到多核的數字信號處理器（DSP），在價格和應用需求上可以滿足學校的選擇要求。③ARM處理器支持的功能模塊多，可擴展性好，能夠提供盡可能多的硬件資源，這樣可以滿足學生完成大多數嵌入式系統基礎知識的實驗，也可以進行綜合設計、創新課題和畢業設計的課題。

3.3 教學模式改革

鑒于嵌入式技術涉及的知識面廣、應用性強和新技術推出周期短的特點，嵌入式教學除了要重視理論教學外，更要注重實踐環節，包括實驗內容的安排和實驗教學方法的采用。

在實驗教學內容上，教師應以市場需求為導向，根據市場主流技術不斷更新或設計新的實驗內容，有層次、由淺入深地安排實驗內容。首先安排基本技能訓練實驗，為后續實驗和設計打下基礎；其次安排設計性的內容和項目，鍛煉學生獨立思考、獨立解決問題的能力；第三，隨著專業知識內容的深入，實驗內容應該以綜合性、系統性為主，目的是鍛煉學生綜合運用知識的能力以及團隊協作精神。

在實際的實驗教學中，對理論基礎及其實踐基本技能的訓練，要采用傳統的教學方式，培養學生的實踐動手能力。對綜合應用技能的訓練，要體現項目教學、學中做、做中學等教學思想，應突出能力培養，體現知識與能力培養的一體化融合。

4、結語

隨著嵌入式應用的迅猛發展，普通高校計算機專業如何在原有的專業基礎上增加嵌入式系統方向，培養與市場需求接軌、具備扎實的理論基礎和豐富的工程設計經驗的嵌入式專業人才，是現在高校計算機專業競相研究的—個課題。在此提出的這套針對計算機專業的嵌入式方向課程體系的建設方案，結合目前嵌入式教育現狀，綜合考慮企業的應用需求和計算機專業特點，對地方高校計算機專業嵌入式方向建設有一定的指導意義。