嵌入式方向實踐教學體系構建研究——以長沙理工大學為例

黃敏，鄭斌

（長沙理工大學 計算機與通信工程學院，湖南 長沙410014）

隨著后PC時代的來臨，以手機、電視機頂盒、媒體播放器等為代表的嵌入式設備已進入普通百姓的生活，正改變著人們的生活方式和休閑方式，相應地社會需要大量的嵌入式系統開發人才。但國內高校的計算機教育普遍以軟件為主，電子專業的課程設置普遍以硬件和單片機為主，真正系統地涉及軟硬件結合的嵌入式產品研發的課程不多，即使開設，大多是選修方式，課時少，只簡單介紹一些相關概念，相應的實踐教學體系真正建立起來的不多。長沙理工大學從2006級的培養計劃開始設置嵌入式方向，經過近10年的探索，從實踐教學目標、內容、管理和評價體系等方面，不斷完善，逐步建立起了嵌入式方向的實踐教學體系，且嵌入式方向畢業生的就業率和就業質量都相對較高，證明該體系得到了社會的認可。

1 嵌入式方向實踐教學目標體系

嵌入式方向是長沙理工大學計算機科學與技術專業培養計劃中設置的一個專業方向，主要是針對研發嵌入式系統所需要的知識、能力、素質來構建相應的理論和實踐教學體系。嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗都嚴格要求的專用計算機系統［1］。根據概念和社會需求，確立了嵌入式方向的實踐教學目標。

1.1 扎實的軟件系統研發能力

因為嵌入式系統是以應用為中心的，不同的應用主要通過不同的軟件來體現，所以首先要培養學生扎實的軟件系統開發能力。這方面的能力是通過每學期編程課程不斷線獲得的，學生從進大學第一學期開始學C語言程序設計，之后是面向對象與可視化編程、數據結構、數據庫技術、編譯原理、算法設計與分析、軟件工程以及課程設計、實習、實訓等，從簡單到復雜，循序漸進地培養學生的軟件系統研發能力。

1.2 較強的計算機技術基礎

主要體現在根據應用需求來選擇處理器和操作系統的架構兩方面，因為嵌入式系統對可靠性、成本、體積、功耗都嚴格要求，只需滿足用戶的需求即可，多余的功能應該被裁剪掉，因此必須培養學生在眾多的處理器中選擇合適的處理器和裁剪操作系統模塊的能力［2］。這方面的能力通過從第3學期開始的軟硬件結合課程的不斷線來獲得，這些課程包括匯編語言、計算機電路、數字邏輯與數字系統設計、單片機原理及應用、計算機組成原理、操作系統原理、Linux操作系統、嵌入式系統（上）、嵌入式系統（下）、射頻識別以及課程設計、實訓等實踐環節，由淺入深地打牢學生的計算機技術基礎。

1.3 較強的軟硬件結合的系統研發能力

主要體現在相對嚴苛的軟硬件環境下研發滿足用戶需求的產品，通過理論課程結束后的3周實踐環節嵌入式系統設計綜合實訓和畢業實習、畢業設計獲得。在這過程中，學生必須綜合應用所學的各種知識、技術來完成實際系統的研發。

2 嵌入式方向實踐教學內容體系

實踐教學的內容是實踐教學目標任務的具體化，通過課程實驗、綜合實訓、畢業設計等環節的合理配置，按基本技能、專業技能、綜合技術的層次，循序漸進地提高，構建成以研發嵌入式系統能力的培養為主體，將實踐教學的目標和任務具體落實到各個實踐教學環節中，讓學生在實踐教學中掌握必備、完整、系統的能力。

課程實驗是與理論教學內容配套的實驗，我校嵌入式方向的教學體系由最初的選修方向逐漸演變為必修方向，進而成為計算機科學與技術專業的特色。2006級和2013級培養計劃中嵌入式方向課程體系對比見表1所示。

表1 2006級和2013級培養計劃中嵌入式方向課程體系的對比

嵌入式方向的實驗教學內容與實驗設備密切相關，我校實驗設備的處理器由最初的三星ARM7TDMI逐漸升級為ARM Cotex A8，最新構建的嵌入式系統實驗（上）、（下）的實驗內容見表2所示。

經過由淺入深、由簡單到復雜的課程實驗之后，已掌握設計嵌入式系統所需的各項基本技能。接著進行3周的綜合實訓，通過構建一個實際的系統，如點歌系統、點菜系統、公交查詢系統等，在確定的處理器平臺和操作系統環境下鞏固所學技術。最后在畢業設計階段強調綜合實踐，注重產品教學、創新制作和新技術應用等，如操作系統的裁剪、移植，驢友、導航等應用系統的研發，達到綜合運用各種技術、方法的目的。

表2 課程實驗內容

3 嵌入式方向實踐教學管理體系

在學校、學院實踐教學管理和評價體系的基礎上，嵌入式方向針對課程實驗主要是抓課前預習和實驗完成后回答問題、實驗現象分析3個方面。每個學生進實驗室之前必須要完成實驗內容的預習，否則不能做實驗；實驗完成后要回答問題，正確后方能離開實驗室；所有實驗報告都必須分析實驗現象。其中衡量課前預習的方法是查驗筆記，每個學生須向實驗老師展示預習筆記后才開始做實驗。當然要做到這些，每次實驗2課時是遠遠不夠的，實驗室實行全天開放，并且配備研究生做助教，來協助老師完成檢查預習和回答問題流程。

4 嵌入式方向實踐教學評價體系

從2010級的培養計劃開始，實驗是單獨設課的，對學生的評價和考核相對容易一些。16課時、8個實驗都很好地完成才能獲得該門課程的滿分，平均每個實驗占12.5分，其中預習占2.5分，實驗過程占3分，實驗報告占5分，回答問題占2分。這樣明確規定之后，學生對每個環節都很重視，總體的實驗效果有較大提高。

對3周的綜合實訓環節，主要是增加中期檢查和結束后答辯兩個流程。在進行到1.5周時進行中期檢查，即每個學生要介紹已完成的工作情況，對拖欠進度的學生有較好的督促作用。在最后結束時，每個學生要展示自己的作品，運行已完成的程序，回答老師的提問，并對整個環節進行總結。實訓環節的考核按優秀、良好、中、及格、不及格五個等級來記錄每個學生的成績，其中中期檢查占20%，答辯占30%，程序占30%，實訓報告占20%。這樣很好地避免了學生只注重報告、不重視過程和程序的做法，綜合訓練了學生口頭表達、書面表達以及編寫程序的能力。

5 總結

自2006級開始，在長沙理工大學計算機科學與技術專業設置嵌入式方向，在實施過程中，逐步從實踐教學目標、內容、管理和評價等方面構建其實踐教學體系，經過近10年的實踐，取得了一些成績，尤其是學科競賽成績斐然，當然也存在一些不足，如實驗前的預習，部分學生抄別人的預習筆記，很難做到讓每個學生都真正預習；實驗后的現象分析也有部分同學相互抄襲，還需要不斷完善。總體來說，成績占主導地位，希望能給同類院校一些借鑒作用。

［1］張綺文，謝建雄，謝勁心.ARM嵌入式常用模塊與綜合系統設計實例精講［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［2］黃敏，鄭斌，姜蕊輝.“三強型”嵌入式系統開發人才培養研究［J］.計算機教育，2013（3）：10－13.