以設計能力為主線的嵌入式系統教學改革

李志軍　子紅　昊　文祥

摘 要：在分析了嵌入式系統與專業對應關系的基礎上，以設計能力為主線，對嵌入式課程體系進行了探討，闡述了嵌入式人才培養的教學改革，實踐結果表明，改革后的教學可提高學生的設計能力和創新能力，培養出的學生更適合市場需求。

關鍵詞：嵌入式系統；課程體系；人才培養；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-02

0 引 言

嵌入式系統是目前IT應用領域的熱門技術之一，隨著智能傳感器、物聯網等技術的迅速發展，基于新體系結構的嵌入式處理器、新軟件技術不斷推出，市場急需嵌入式系統軟硬件開發的綜合型設計人才[1]。

面對市場的大量需求，國內各大院校都開設了嵌入式相關課程，也有很多院校開設了嵌入式系統專業。雖然如此，但目前國內高校在嵌入式系統人才培養模式方面大多仍沿用傳統培養模式，這使學生能力與市場需求產生脫節，遠遠不能滿足市場需求。尤其在學生創新意識、實踐設計能力培養方面，急需探索新的嵌入式系統人才培養模式。基于對嵌入式系統多年的教學和科研體會，本文從學生設計能力培養角度對高校中的嵌入式課程體系構建與人才培養方式進行探討。

1 嵌入式系統分層體系與專業對應關系

嵌入式系統屬于典型的多學科交叉，高校中相應開設的課程也是多種多樣，有側重硬件的、有側重軟件的，多數是和其他專業合并開設的。由于不同大學的辦學定位、不同專業學生的知識背景不同，課程內容也相差較大[2]。

在教學中，為更好地培養學生設計能力，采用嵌入式系統的分層與專業對應原則，根據專業不同，相應所開設的嵌入式課程側重點也不同。

嵌入式系統分為4層，硬件層、驅動層、操作系統層和應用層，和專業對應的關系如表1所列。

硬件層是嵌入式系統的硬件平臺，同時是驅動層的基礎平臺。該層適合電子信息、通信工程、自動化、機電一體化等專業的學生學習。

表1 嵌入式系統的分層與專業對應關系

嵌入式系統分層 對應專業

應用層 計算機

操作系統層 計算機

驅動層 電子信息、通信工程、機電一體化

硬件層 電子信息、通信工程、機電一體化、自動化

驅動層為難度最大的一層，但其薪資在嵌入式系統設計行業中是最高的。從事驅動設計的人員既要精通硬件層又要精通操作系統內核。該層適合電子信息、通信工程、機電一體化等專業尤其是計算機偏體系結構類專業的學生學習。

操作系統層的設計大多只是系統的移植，移植操作系統涉及系統任務的調試、磁盤和文件的管理等，該層強調系統的實時性，這部分比較適合計算機專業的學生學習。

應用層相對來講是較為容易的，如果會在Windows環境下進行接口函數調用，那么在嵌入式操作系統下只是編譯和開發環境有所改變而已，應用層適合計算機軟件專業的學生學習。

基于以上的分析，如果針對不同專業的學生，其相應的學習側重點不同，在嵌入式教學中靈活調整對應層次進行教學，可以更好更快地提高學生的設計能力。

2 以設計能力為主線的嵌入式系統課程體系構建

在分析了嵌入式體系與專業設置分層對應關系后，現在對高校中的嵌入式課程體系構建進行初步探討。

2.1 嵌入式開發的相關基礎課程設置

嵌入式設計最初只是單片機的設計，隨著處理器的發展，現在很多嵌入式應用系統越來越復雜，從而引入了嵌入式操作系統。

從事嵌入式開發，基礎課程如數字電路、計算機組成原理、單片機設計等硬件課程是較為重要的。另外，匯編語言、C/C++、數據結構、操作系統等軟件基礎課也是十分重要的。

2.2 嵌入式處理器體系結構課程設置

嵌入式處理器課程較枯燥，主要原因是硬件課程都較抽象。從事嵌入式設計的人員應對ARM處理器工作原理和接口技術熟練掌握，包括ARM的匯編指令系統。學匯編的目的主要是為了掌握處理器工作原理，只有熟悉匯編語言，才能在該處理器上寫出最優的C語言代碼。在嵌入式開發的一些關鍵部分，有時必須用匯編，如Bootloader設計。

2.3 嵌入式操作系統課程設置

大多數嵌入式操作系統的實時性都很強，所以也稱為實時操作系統RTOS（Real Time Operating System）。從事嵌入式設計的人員至少須掌握一個嵌入式操作系統，這在嵌入式的所有技術中是最為關鍵的。目前高校開設的RTOS課程主要包括：

（1）傳統的經典RTOS

在傳統的RTOS中，最主要的是Vxworks操作系統， Vxworks出現較早，實時性強，并且內核可微，可靠性高，特別是在通信設備等實時性要求較高的系統中，幾乎都采用Vxworks。像華為、中興、Lucent等通信企業在開發產品時，很多產品采用Vxworks。與Vxworks類似的比較有名的實時操作系統還有μc/OS-Ⅲ、pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。

（2）嵌入式Linux操作系統

Linux除作為服務器操作系統外，最成功的便是在嵌入式系統領域的應用，原因是免費、支持軟件多、開源、參考資料多，采用該操作系統嵌入式產品成本會大大降低。目前嵌入式Linux操作系統主要應用在ARM9及更高體系結構的處理器上面。

（3）Windows CE嵌入式操作系統

該系統目前已占據了很大市場份額，應用在PDA、手機、顯示儀表等界面要求較高或者要求快速開發的場合。WinCE開發平臺主要為WinCE Platform Builder，有時也用EVC環境開發一些較上層的應用， WinCE開發難度遠低于嵌入式Linux。

（4）Android操作系統

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺的開源移動操作系統，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。Android系統在國內的發展主要在對Android系統的二次開發上，目前以Android系統源碼為基礎，再深度定制改版而成的操作系統主要有創新工場投資的點心公司開發的點心操作系統、中國移動的Ophone、聯想的樂Phone、阿里云手機操作系統及雷軍的小米科技開發的MIUI。

綜合分析，高校中開設的嵌入式操作系統能很好地滿足市場需要。我校針對市場熱點，增加開設了目前火熱的Android操作系統。

2.4 嵌入式開發的其它相關課程設置

從事嵌入式開發設計，若再能熟悉嵌入式應用的一些主要領域，這樣人才培養就會與企業需求更加密切結合，培養出的學生更受企業歡迎。主要的相關領域及課程包括：

（1）數字圖像壓縮技術

這是嵌入式最重要最熱門的應用領域之一，主要是應掌握MPEG編解碼算法和技術，如高清電視、機頂盒等都涉及MPEG高速解碼問題。

（2）通信協議及編程技術

包括傳統的TCP/IP協議和熱門的無線通信協議。大多數嵌入式設備都要連入局域網或Internet，這些是通過TCP/IP協議及其編程實現的。其次，無線通信是目前的大趨勢，所以掌握無線通信協議及編程也是很重要的。

（3）網絡與信息安全技術

如加密技術，數字證書CA等。

3 以設計能力為主線的嵌入式人才培養教學改革

當前，提高大學生的設計能力和創新能力是時代的要求，也是提高教學質量的難點[3]。一個優秀的嵌入式系統工程師應具備良好的綜合素質，包括扎實的專業基礎、多學科的知識結構、科學的邏輯思維能力、較強的動手實踐能力和設計能力，還要求有追求新的熱點和技術的心態。

3.1 理論教學與實踐結合，培養設計能力

課堂教學是教學的主要手段，也是學生最重要的學習途徑。目前較好的方式是理論教學與實踐教學相結合，同時強化學生的實踐動手能力與綜合設計能力。

通過課堂教學將嵌入式系統開發的相關原理與技術傳授給學生，整合課堂資源，讓學生在課堂上就能掌握嵌入式開發的基本理論與基本技能，根據課堂教學的實際情況，精心設計與課堂講授相對應的實踐內容。通過具有針對性的實踐設計，讓學生對嵌入式系統開發的基本流程有清楚的認識，初步培養學生的設計能力。

3.2 建立先進的嵌入式實驗室，強化實踐能力

實驗教學是課堂教學的補充和實際應用，具有綜合性與創新性特點，在教學過程中對培養學生的動手能力、知識運用能力和解決問題能力有特別重要的作用，是學生掌握嵌入式系統開發及應用知識到實際的關鍵性環節。在實驗的設計上，根據程序開發的難易程度，將實驗分為驗證性實驗和設計性實驗，通過實驗教學使學生循序漸進地掌握軟件編程技巧[4]。

針對目前普遍的學生動手實踐能力薄弱、知識結構單一、專業面較窄、實踐教學素質培養不足等弊端，我校新建了嵌入式系統實驗室，平臺為目前最先進的cortex-A8處理器，可以開設ARM、Linux和Android等實驗課程，并且可以進行二次開發和綜合設計。

實驗室采取開放式管理，讓學生擁有更多自我設計的空間和選擇學習的機會，加強實踐環節，重視綜合實踐訓練，科學管理與彈性學習機制相結合[5]，使學生始終保持熱情和激情去學習。

3.3 參加電子設計競賽，提升綜合能力

嵌入式系統是軟硬件相結合的系統，嵌入式硬件設計完成后，各種功能就靠軟件來實現了，這就要求學生具有很強的綜合能力。

基于這個原因，我們鼓勵學生積極參加全國大學生電子設計競賽、“博創杯”嵌入式系統設計競賽、“畢昇杯”電子設計競賽等各種實踐活動，同時還鼓勵他們積極參加教師的科研項目和學校的大學生科研立項，整個過程中都有專業老師全程指導，此種方式培養了學生的基本科研素養，鍛煉了學生綜合科研能力和獨立分析、解決問題的能力，為他們將來走向社會參加科研工作打下了堅實的基礎。通過競賽和科研項目的歷練不但讓學生提高了工程實踐能力，而且還讓他們逐漸形成前沿理念與創新意識。而這些也正是一位優秀的嵌入式系統開發人才應具備的綜合能力素質。

4 結 語

嵌入式系統的課程體系構建和人才培養涉及到多個方面，本文通過對嵌入式這兩方面的研究與探索，提出相應的思路，探索出以嵌入式系統應用設計為特長的新型人才培養模式。實踐結果表明，通過采用以上措施，使學生的綜合素質教育真正落實到了課程教學中，更好地適應了社會的需求，同時也對高校嵌入式系統課程建設起到了示范作用。

參考文獻

[1]丁文龍，李志軍.ARM嵌入式系統基礎與開發教程[M].北京：北京大學出版社，2010.

[2]陳乃金，周鳴爭. “嵌入式系統”課程群的改革與實踐[J].長春大學學報，2013（8）：1044-1046.

[3]何劍鋒，葉志翔.交叉應用型嵌入式創新人才培養中實驗教學的探索與實踐[J].東華理工大學學報，2013（12）：489-493.

[4]錢誠，彭馨馨.計算機應用專業嵌入式系統課程教學探討[J].中國電力教育，2014（8）：144-145.

[5]李志軍，張智勇，陳麗娟.通信工程專業實訓基地建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（6）：146-149.

（4）Android操作系統

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺的開源移動操作系統，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。Android系統在國內的發展主要在對Android系統的二次開發上，目前以Android系統源碼為基礎，再深度定制改版而成的操作系統主要有創新工場投資的點心公司開發的點心操作系統、中國移動的Ophone、聯想的樂Phone、阿里云手機操作系統及雷軍的小米科技開發的MIUI。

綜合分析，高校中開設的嵌入式操作系統能很好地滿足市場需要。我校針對市場熱點，增加開設了目前火熱的Android操作系統。

2.4 嵌入式開發的其它相關課程設置

從事嵌入式開發設計，若再能熟悉嵌入式應用的一些主要領域，這樣人才培養就會與企業需求更加密切結合，培養出的學生更受企業歡迎。主要的相關領域及課程包括：

（1）數字圖像壓縮技術

這是嵌入式最重要最熱門的應用領域之一，主要是應掌握MPEG編解碼算法和技術，如高清電視、機頂盒等都涉及MPEG高速解碼問題。

（2）通信協議及編程技術

包括傳統的TCP/IP協議和熱門的無線通信協議。大多數嵌入式設備都要連入局域網或Internet，這些是通過TCP/IP協議及其編程實現的。其次，無線通信是目前的大趨勢，所以掌握無線通信協議及編程也是很重要的。

（3）網絡與信息安全技術

如加密技術，數字證書CA等。

3 以設計能力為主線的嵌入式人才培養教學改革

當前，提高大學生的設計能力和創新能力是時代的要求，也是提高教學質量的難點[3]。一個優秀的嵌入式系統工程師應具備良好的綜合素質，包括扎實的專業基礎、多學科的知識結構、科學的邏輯思維能力、較強的動手實踐能力和設計能力，還要求有追求新的熱點和技術的心態。

3.1 理論教學與實踐結合，培養設計能力

課堂教學是教學的主要手段，也是學生最重要的學習途徑。目前較好的方式是理論教學與實踐教學相結合，同時強化學生的實踐動手能力與綜合設計能力。

通過課堂教學將嵌入式系統開發的相關原理與技術傳授給學生，整合課堂資源，讓學生在課堂上就能掌握嵌入式開發的基本理論與基本技能，根據課堂教學的實際情況，精心設計與課堂講授相對應的實踐內容。通過具有針對性的實踐設計，讓學生對嵌入式系統開發的基本流程有清楚的認識，初步培養學生的設計能力。

3.2 建立先進的嵌入式實驗室，強化實踐能力

實驗教學是課堂教學的補充和實際應用，具有綜合性與創新性特點，在教學過程中對培養學生的動手能力、知識運用能力和解決問題能力有特別重要的作用，是學生掌握嵌入式系統開發及應用知識到實際的關鍵性環節。在實驗的設計上，根據程序開發的難易程度，將實驗分為驗證性實驗和設計性實驗，通過實驗教學使學生循序漸進地掌握軟件編程技巧[4]。

針對目前普遍的學生動手實踐能力薄弱、知識結構單一、專業面較窄、實踐教學素質培養不足等弊端，我校新建了嵌入式系統實驗室，平臺為目前最先進的cortex-A8處理器，可以開設ARM、Linux和Android等實驗課程，并且可以進行二次開發和綜合設計。

實驗室采取開放式管理，讓學生擁有更多自我設計的空間和選擇學習的機會，加強實踐環節，重視綜合實踐訓練，科學管理與彈性學習機制相結合[5]，使學生始終保持熱情和激情去學習。

3.3 參加電子設計競賽，提升綜合能力

嵌入式系統是軟硬件相結合的系統，嵌入式硬件設計完成后，各種功能就靠軟件來實現了，這就要求學生具有很強的綜合能力。

基于這個原因，我們鼓勵學生積極參加全國大學生電子設計競賽、“博創杯”嵌入式系統設計競賽、“畢昇杯”電子設計競賽等各種實踐活動，同時還鼓勵他們積極參加教師的科研項目和學校的大學生科研立項，整個過程中都有專業老師全程指導，此種方式培養了學生的基本科研素養，鍛煉了學生綜合科研能力和獨立分析、解決問題的能力，為他們將來走向社會參加科研工作打下了堅實的基礎。通過競賽和科研項目的歷練不但讓學生提高了工程實踐能力，而且還讓他們逐漸形成前沿理念與創新意識。而這些也正是一位優秀的嵌入式系統開發人才應具備的綜合能力素質。

4 結 語

嵌入式系統的課程體系構建和人才培養涉及到多個方面，本文通過對嵌入式這兩方面的研究與探索，提出相應的思路，探索出以嵌入式系統應用設計為特長的新型人才培養模式。實踐結果表明，通過采用以上措施，使學生的綜合素質教育真正落實到了課程教學中，更好地適應了社會的需求，同時也對高校嵌入式系統課程建設起到了示范作用。

參考文獻

[1]丁文龍，李志軍.ARM嵌入式系統基礎與開發教程[M].北京：北京大學出版社，2010.

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[3]何劍鋒，葉志翔.交叉應用型嵌入式創新人才培養中實驗教學的探索與實踐[J].東華理工大學學報，2013（12）：489-493.

[4]錢誠，彭馨馨.計算機應用專業嵌入式系統課程教學探討[J].中國電力教育，2014（8）：144-145.

[5]李志軍，張智勇，陳麗娟.通信工程專業實訓基地建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（6）：146-149.

（4）Android操作系統

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺的開源移動操作系統，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。Android系統在國內的發展主要在對Android系統的二次開發上，目前以Android系統源碼為基礎，再深度定制改版而成的操作系統主要有創新工場投資的點心公司開發的點心操作系統、中國移動的Ophone、聯想的樂Phone、阿里云手機操作系統及雷軍的小米科技開發的MIUI。

綜合分析，高校中開設的嵌入式操作系統能很好地滿足市場需要。我校針對市場熱點，增加開設了目前火熱的Android操作系統。

2.4 嵌入式開發的其它相關課程設置

從事嵌入式開發設計，若再能熟悉嵌入式應用的一些主要領域，這樣人才培養就會與企業需求更加密切結合，培養出的學生更受企業歡迎。主要的相關領域及課程包括：

（1）數字圖像壓縮技術

這是嵌入式最重要最熱門的應用領域之一，主要是應掌握MPEG編解碼算法和技術，如高清電視、機頂盒等都涉及MPEG高速解碼問題。

（2）通信協議及編程技術

包括傳統的TCP/IP協議和熱門的無線通信協議。大多數嵌入式設備都要連入局域網或Internet，這些是通過TCP/IP協議及其編程實現的。其次，無線通信是目前的大趨勢，所以掌握無線通信協議及編程也是很重要的。

（3）網絡與信息安全技術

如加密技術，數字證書CA等。

3 以設計能力為主線的嵌入式人才培養教學改革

當前，提高大學生的設計能力和創新能力是時代的要求，也是提高教學質量的難點[3]。一個優秀的嵌入式系統工程師應具備良好的綜合素質，包括扎實的專業基礎、多學科的知識結構、科學的邏輯思維能力、較強的動手實踐能力和設計能力，還要求有追求新的熱點和技術的心態。

3.1 理論教學與實踐結合，培養設計能力

課堂教學是教學的主要手段，也是學生最重要的學習途徑。目前較好的方式是理論教學與實踐教學相結合，同時強化學生的實踐動手能力與綜合設計能力。

通過課堂教學將嵌入式系統開發的相關原理與技術傳授給學生，整合課堂資源，讓學生在課堂上就能掌握嵌入式開發的基本理論與基本技能，根據課堂教學的實際情況，精心設計與課堂講授相對應的實踐內容。通過具有針對性的實踐設計，讓學生對嵌入式系統開發的基本流程有清楚的認識，初步培養學生的設計能力。

3.2 建立先進的嵌入式實驗室，強化實踐能力

實驗教學是課堂教學的補充和實際應用，具有綜合性與創新性特點，在教學過程中對培養學生的動手能力、知識運用能力和解決問題能力有特別重要的作用，是學生掌握嵌入式系統開發及應用知識到實際的關鍵性環節。在實驗的設計上，根據程序開發的難易程度，將實驗分為驗證性實驗和設計性實驗，通過實驗教學使學生循序漸進地掌握軟件編程技巧[4]。

針對目前普遍的學生動手實踐能力薄弱、知識結構單一、專業面較窄、實踐教學素質培養不足等弊端，我校新建了嵌入式系統實驗室，平臺為目前最先進的cortex-A8處理器，可以開設ARM、Linux和Android等實驗課程，并且可以進行二次開發和綜合設計。

實驗室采取開放式管理，讓學生擁有更多自我設計的空間和選擇學習的機會，加強實踐環節，重視綜合實踐訓練，科學管理與彈性學習機制相結合[5]，使學生始終保持熱情和激情去學習。

3.3 參加電子設計競賽，提升綜合能力

嵌入式系統是軟硬件相結合的系統，嵌入式硬件設計完成后，各種功能就靠軟件來實現了，這就要求學生具有很強的綜合能力。

基于這個原因，我們鼓勵學生積極參加全國大學生電子設計競賽、“博創杯”嵌入式系統設計競賽、“畢昇杯”電子設計競賽等各種實踐活動，同時還鼓勵他們積極參加教師的科研項目和學校的大學生科研立項，整個過程中都有專業老師全程指導，此種方式培養了學生的基本科研素養，鍛煉了學生綜合科研能力和獨立分析、解決問題的能力，為他們將來走向社會參加科研工作打下了堅實的基礎。通過競賽和科研項目的歷練不但讓學生提高了工程實踐能力，而且還讓他們逐漸形成前沿理念與創新意識。而這些也正是一位優秀的嵌入式系統開發人才應具備的綜合能力素質。

4 結 語

嵌入式系統的課程體系構建和人才培養涉及到多個方面，本文通過對嵌入式這兩方面的研究與探索，提出相應的思路，探索出以嵌入式系統應用設計為特長的新型人才培養模式。實踐結果表明，通過采用以上措施，使學生的綜合素質教育真正落實到了課程教學中，更好地適應了社會的需求，同時也對高校嵌入式系統課程建設起到了示范作用。

參考文獻

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[3]何劍鋒，葉志翔.交叉應用型嵌入式創新人才培養中實驗教學的探索與實踐[J].東華理工大學學報，2013（12）：489-493.

[4]錢誠，彭馨馨.計算機應用專業嵌入式系統課程教學探討[J].中國電力教育，2014（8）：144-145.

[5]李志軍，張智勇，陳麗娟.通信工程專業實訓基地建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2009（6）：146-149.