基于企業需求的嵌入式教學內容設置分析

摘要：嵌入式系統是當前最熱門，最具有發展前途的技術應用領域之一。目前嵌入式系統廣泛應用在數控設備、汽車電子、家電控制系統、醫療器械、航天航空設備和手提數碼產品等廣泛的領域之中。由企業的需求出發，構建由淺入深、循序漸進的嵌入式專業教育體系，并且結合嵌入式實踐設計和科技創新競賽等活動，加強學生對嵌入式專業知識的理解。最重要的是培養學生對嵌入式系統的學習思路，增強學生思考問題、解決問題的自學能力，以便更好地適應當前企業對嵌入式專業人才的要求。

關鍵詞：嵌入式教學；企業需求；教學內容；教學改革

作者簡介：譚斐（1983-），女，江蘇鎮江人，江蘇大學電氣信息工程學院，實驗師；王偉然（1983-），男，江蘇鎮江人，江蘇科技大學電子信息學院，講師。（江蘇 鎮江 212000）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0125-02

國際電氣和電子工程師協會（IEEE）對嵌入式系統定義為：用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置。[1]實質上嵌入式系統就是一種以應用為目的，軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等都有嚴格要求的專用計算機系統。[2，3]近年來，隨著嵌入式系統的迅猛發展，嵌入式系統被廣泛應用到各個現代高新產業中。隨著嵌入式系統在產業應用中比例的快速增長，企業需要大量同時能夠掌握硬件和軟件設計的嵌入式新型復合人才。由于高校課程設置的滯后，盡管每年大約有50萬左右的電氣工程類高校畢業生，企業對嵌入式人才需求的缺口仍然達到每年80萬左右。這個現象說明目前高校對于電氣類課程的教學還是基于傳統模式，沒有跟上企業的需求，這種情況極大違反了課程設置的要求，同時也給在高校中開展嵌入式教學體系的設置和改革帶來了機遇和挑戰。如何設置電氣專業嵌入式課程的教學和實驗，通過教學內容和教學方法的改革，培養符合企業標準的嵌入式實踐型復合人才是當前最需要研究解決的目標。

一、嵌入式課程教學及其實驗的特點

嵌入式系統是一個硬件平臺和軟件編程的結合體，當前國際各大電氣公司都推出了自己相關的嵌入式系統，比如TI公司的DSP系列、飛思卡爾的DSC系列、三星公司的ARM系列、Xilinx公司的FPGA系統等。目前嵌入式系統種類較為復雜，軟件編譯平臺也有所不同，但是學習嵌入式系統的總體思路是不變的，只要熟練掌握了一種嵌入式平臺的設計，舉一反三地自學其他嵌入式系統也是相對較為簡單的。[4，5]

嵌入式系統的教學涉及到一系列基礎課程的學習，比如模電數電、計算機系統、單片機控制、C語言、操作系統甚至還有匯編語言等等。結合江蘇大學（以下簡稱“我校”）電氣類專業課程建設以及電氣工程及其自動化專業的建設目標，和當前企業對于嵌入式專業人才的需求，將對嵌入式系統實驗教學體系進行改革。教學改革以增強學生的實際動手能力，提高學生的科技創新能力，貼近企業需求，以培養符合復合型嵌入式實用型人才為目的。從整體上考慮嵌入式教學和其他學科的契合點，研究符合本校、符合學生學習規律的嵌入式實驗教學方法，以使學生盡快熟悉嵌入式平臺的設計及其操作，同時培養學生思考問題、解決問題的能力，為將來學習其他嵌入式系統打下良好的基礎。

二、嵌入式教學體系設置的思路

以扎實理論基礎，提高實踐動手能力，增強學生思考能力，培養符合企業需求的嵌入式復合型人才為教學指導思想；以思考與動手相結合，授課與實驗相結合，課內教學與課外自修相結合，理論與實踐相結合，知識與創新相結合，能力與素質相結合，目標與需求相結合為教學理念。將基礎教學、嵌入式系統硬件設計、軟件綜合實驗、嵌入式課程設計、本科畢業設計及課外科技創新活動等環節相結合，構建了較為完善的嵌入式系統課程實驗教學體系（圖1）。[6-8]

1.相關基礎課程的學習

學好嵌入式系統不是可以一蹴而就的，這涉及到一系列的基礎課程，需要熟悉硬件設計開發流程，掌握基本的接口設計及相關的程序編寫方法，熟練規范地使用C語言，了解一部分的匯編函數，掌握一定的通信原理知識。這些需要在課程設置時考慮到學生前期鋪墊的專業基礎課程，所以一上來就直接開設嵌入式課程不僅不能幫助學生快速上手，反而會混淆學生的思維，打擊他們學習嵌入式課程的興趣。教師應該循序漸進設置好相關基礎課程，為學生進一步的嵌入式學習打下基礎。當學生在嵌入式學習階段遇到問題時，可以通過前面所學習到的知識來思考和解決問題，同時這也是對前面基礎知識的一個復習過程。

2.針對某一嵌入式芯片設計其數字控制系統

設計嵌入式數字控制系統首先最主要的是設計其核心控制模塊。隨著選擇的嵌入式芯片的不同，核心控制模塊也是有所區別的，設計時應查找芯片廠商所提供的資料，構建嵌入式自身獨有的核心控制模塊。一般來說，嵌入式芯片自身都帶有一定的存儲空間ROM/Flash ROM，但是如果在工程運用中容量不夠的情況下，就需外擴存儲器。外擴存儲器、通用設備接口、I/O接口和特殊功能模塊需要根據工程實際情況選擇添加。其設計時也需根據工程要求參考芯片廠商所提供的資料，確定芯片的型號及其硬件連接走線。

當設計嵌入式數字系統硬件的時候，需要用到電子設計自動化工具（EDA）來輔助進行相關設計。EDA技術是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計。利用EDA工具，可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量的工作可以通過計算機完成，并且可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。現在一般常用的EDA工具有Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim12、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等。這些工具都具有較強的功能，除了一般的電子設計之外，還可以實現計算機上的電路仿真、PCB自動布局排線、輸出多種電子表格、多種實用的第三方軟件接口。學生在學習嵌入式數字系統硬件設計時應選擇其中一種或者多種進行熟練掌握。

3.嵌入式芯片平臺的理論教學和實驗教學

嵌入式芯片平臺的理論教學和實驗教學是嵌入式教學的重點。

首先，教師在教授嵌入式系統之前自身就應該具有較強的專業知識、工程經驗和豐富的教學經驗。嵌入式系統是一門綜合性強，知識量豐富，并且需要實際工程經驗的課程，這不是只靠著一些教材或者課外輔導書可以教授好的。目前許多教授這一門課程的教師自身就有著一定的不足，這就需要教授這一課程的教師不斷進行自身的充電。學校也應為教師創造機會，讓教師可以實際參加到工程生產的設計中去。

其次，課程教授的過程中需要強化設計環節。嵌入式的學習除了書本和資料上面的內容外，最重要的是教授學生該如何使用，如何考慮相關問題。這需要除了在基本功能驗證外，增加設計綜合性實驗項目。綜合性實驗項目包括資料的查找、方案的設計、硬件設計及其PCB制版、軟件的編寫、組裝調試。通過針對嵌入式的設計環節，綜合訓練學生嵌入式系統的實際開發能力，同時培養學生自主思考問題、查找資料、解決問題的能力，為學生今后的嵌入式學習之路打下基礎。

最后，科學設置嵌入式教學的考查環節。由于嵌入式的特點，注定一般以考試為主體的考查環節是不適合嵌入式教學的。個人認為嵌入式系統的考查應以這幾個方面的形式：

（1）專題演講。要求學生整理自己感興趣的嵌入式方面的內容。比如，當前嵌入式的發展動態、一種嵌入式芯片的使用說明、一種主流的嵌入式軟件的使用方法、一個針對實際問題的嵌入式系統解決方案、現在嵌入式系統的一些不足或者不方便的地方及其可以對其進行改進的設想等等。

（2）設計報告。教師就一個實際問題要求學生分組設計嵌入式解決方案，包括芯片選型、硬件設計、軟件編寫、總體調試。如果這個問題比較復雜，可以允許各小組之間分工配合。

（3）讀書筆記。要求學生就學習嵌入式系統這一課程后的心得及對教材、資料、課外書籍的認識、總體概念寫成讀書筆記。

（4）科技競賽。允許學生自由分組，就自己感興趣的內容設計一個嵌入式系統，并進行樣品自主試制，最后相互之間進行評比。

4.嵌入式系統相關的助研實踐和科技競賽

鼓勵學生進行科技創新，提高學生的創新意識，培養學生的實踐能力。現在大部分教師都進行著縱向或者橫向課題的研究，這里基本上都涉及到嵌入式系統的應用。學校應該鼓勵學生參與到這些課題的研究當中，針對這些課題進行相關方案設計及其硬件樣品制作和軟件編寫。

現在國家、省市和相關電子企業都大力支持大學生科技創新競賽，舉辦了如全國大學生電子設計競賽、中國機器人大賽、江蘇省大學生課外學術科技競賽、飛思卡爾杯全國大學生智能車競賽、德州儀器杯電子設計競賽等。科技創新競賽本身就是一個綜合性的教學活動。學生在競賽的過程中將專業理論知識運用到實際問題中，不僅培養了獨立思維的意識，還培養了發散型創新思維的能力。

三、結語

嵌入式教學中需要建立以學生為主體，企業要求為目標的互動型教學方式。在課程教學方案中需選擇主流典型的嵌入式系統進行教學，主要講解嵌入式系統學習中的共性。平時注意收集資料，除了所講解的嵌入式系統外，也需分類介紹其他一些常用的嵌入式系統的特點。注意串聯知識點，及時發現學生知識體系中的不足，當發現學生基礎知識體系中有所不足的時候，需要及時給學生補充或者制訂課余學習計劃，并及時檢查學生的完成情況；在實驗教學方案中需要從學生的實際情況出發，結合實際，不斷探索新的實驗方法和手段，注意實驗過程中的每一個環節，加強對學生實際動手能力的培養。

參考文獻：

[1]李佑軍.嵌入式系統綜述[J].現代電子技術，2003，（6）：41-44.

[2]舒展.嵌入式系統綜述[J].現代計算機（專業版），2011，（5）：44-46.

[3]戴明華，李長云，曾志浩，等.嵌入式Linux驅動程序框架研究綜述[J].長沙大學學報，2012，（2）.

[4]張曉東，孫麗君，魯可.高校嵌入式系統課程教學改革探索[J].中國電力教育，2013，（8）：35-36.

[5]李永壯.校企合作模式下的嵌入式教學研究及訂單培養的好處[J].計算機教育，2008，（22）：20-22.

[6]張淑艷，馬春龍，王金莉，等.嵌入式系統課程教學改革與實踐[J].中國科教創新導刊，2012，（11）：31-33.

[7]蔣書波，王曉榮.嵌入式系統平臺課程體系教學方法探析[J].中國電力教育，2013，（2）：28-30.

[8]廖小飛，陳雯，許武軍，等.基于案例教學的嵌入式系統課程改革與實踐[J].教育教學論壇，2013，（5）：31-33.