增設Capstone頂石課程的嵌入式系統課程體系改革與探索

裴雪丹 王利利 鄢永明 薛竣文

【摘要】目前，嵌入式系統已為現今電子科技產品其內部控制器的主流，特別是針對低功耗、高效能、有網絡需求的便攜式電子產品而言，嵌入式系統更是最佳解決之道。然而，由于嵌入式系統涉及領域較多，如果課程設置和教學方法不得當，就會影響學生的掌握程度和實操水平。本文針對嵌入式系統課程體系的改革和Capstone頂石課程的設置進行深入的探討和研究，以促進教學質量和學生綜合能力的提高。

【關鍵詞】嵌入式系統 ?Capstone頂石課程 ?課程體系改革

【中圖分類號】G212 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）16-0031-02

引言

隨著當今電子、工控、軟件以及通信技術的發展，嵌入式系統應用人才成為目前最急需的專業人才之一，很多應用型高校為了適應社會需求，開設了嵌入式課程教學。但是大部分高校只開設了嵌入式系統與專業相關的一、兩門課程，有的甚至沒有設置前導課程，直接進入嵌入式理論課程。這樣的課程設置，不但沒有形成有效的人才培養模式，在一定程度上還影響了學生學習的積極性，使學生產生困惑。因此，構建合理的嵌入式系統課程體系成為亟待解決的問題。

本文通過對企業需求、嵌入式系統學習特點、高校人才培養目標的深入研究，將嵌入式系統的課程體系分為理論課程體系和實踐課程體系進行科學合理的規劃。

一、理論課程體系建設

將理論課程體系分為核心類課程和選修類課程，分別進行設置。

1.嵌入式系統核心類課程的設置。

如嵌入式系統原理與應用，該課程主要教授學生掌握微控制器的體系結構、指令系統、開發平臺、開發流程，掌握上層應用程序編寫、arm 嵌入式操作系統系統配置、應用開發等。

嵌入式系統專業核心類課程的教學方式是按照課程大綱的安排，結合教材的章節內容，在學期的前段進行理論教學，在學期后段按照教學計劃安排實驗實訓。

2.嵌入式系統選修類課程的設置。

如操作系統、數據結構、高級編程語言（JAVA）、基于安卓系統的應用開發等，這類課程主要是為嵌入式系統專業核心類課程服務，對學生專業能力的全面提升起到輔助作用。

因此，專業選修類課程的開設必須本著“針對性、實用性、有效性、補充性”的原則，為提高教學質量和用人單位滿意度提供保障。

二、實踐課程體系建設

將實踐課程體系分為核心實踐類課程和Capstone頂石課程，分別進行設置。

1.嵌入式系統核心實踐類課程的設置。

嵌入式系統課程體系具有涉及領域廣、專業綜合性強的鮮明特點。為了培養應用型技術人才，教學的重點要放在以實踐充實理論、證明理論，加強課程設計、綜合設計及創新項目實訓等方面。

所以，我們將嵌入式系統核心實踐類課程分為課內實驗和課程設計二部分。課內實驗為驗證性實驗，根據老師的指導，按著指定的步驟進行實驗，便于對理論知識形成更深層次的理解。課程設計根據具體專業的需求，用一到兩周的時間，進一步鞏固所學知識，并結合相關專業知識，進行綜合性課程實踐或設計。

2.Capstone頂石課程的設置。

為了培養學生的專業素質，強調團隊交流、國際視野和解決復雜工程問題的能力，培養終身學習的能力和職業規范，2017年，我校的電子科學與技術專業申請參加臺灣地區“中華工程教育學會”（Institute of Engineering Education Taiwan，簡稱IEET）的工程及科技教育認證（EAC2010），該認證范圍對應的是華盛頓協定（Washington Accord），以培養專業工程師為目的，協助學校及專業提升教育內涵建設及教育質量，增加競爭力。

IEET工程教育認證最重要的一項考核指標就是capstone course，顧名思義，就是“頂石課程”。這個課程一般開設在實用性很強的專業中，是一門讓學生整合所學領域的知識，并充分利用這些知識解決實際工程問題，同時培養相關技能和態度的課程。

頂石課程主要針對高年級學生，特別是為臨近畢業的學生開設的一門綜合性課程。該課程主要有兩個特點：①為學生提供整合已學習到的知識，并掌握技能和職業態度的機會;②為學生進入真正的職場做準備，即通過要求學生完成一些應用性的項目，如：短期實習、實戰練習等，為學生提供參與“實戰演練”的機會，讓學生把此前所學知識和技能應用于解決實際問題，為學生進入職場做好鋪墊。

三、改革方案實施

嵌入式系統課程體系結合了嵌入式硬件與操作系統軟件的發展概念，為使學生能由淺入深，并有系統的學習;在原有《嵌入式系統與應用》課程體系的架構下，提出了一套可執行的改革方案。

首先，將嵌入式系統分為三個層次：底層是嵌入式系統的硬件設備和相關的軟件驅動程序;中間層是各種操作系統，例如uc/os實時操作系統、linux操作系統、Android系統、ISO操作系統等;上層是基于不同操作系統的應用軟件包。其次，針對這三個層次，將嵌入式系統課程體系改革的內容分為三個階段。

1.針對嵌入式系統底層和基礎的內容，如微控制器的體系結構、指令系統、硬件設備、基于C或匯編的驅動程序設計等，課程內容著重于嵌入式系統的軟硬件基本架構和基礎應用開發，介紹最新的ARM系統微處理器技術，通過緊密結合嵌入式基礎和現代最新技術，使學生打好嵌入式硬件設計和軟件驅動開發的基礎。此階段的理論內容大部分安排在嵌入式系統與應用課程中講授，實踐內容部分由嵌入式系統課程設計完成。要求強化升級至32位的ARM Cortex-M4，以迎合企業實際產品開發的技術需求，并結合實務的訓練，以奠定嵌入式技術的學習基礎。

2.針對嵌入式系統選修類課程的內容，如操作系統、數據結構、高級編程語言（JAVA）、基于安卓系統的應用開發等，課程內容主要是為嵌入式系統專業核心類課程服務，對學生專業能力的全面提升起到輔助作用。因此，專業選修類課程的開設必須為專業核心類課程的高質量教學提供有效的補充。

3.設置Capstone實訓課程。在吸取傳統教學優勢的基礎上，進行教學方式改革，采用“教師指導—學生分組—項目開發”的集中實踐教學模式。讓學生在教師的指導下，以3—5人為一個項目小組，模仿企業工程項目開發的完整流程，針對Cortex-M4和Cortex-A53+雙平臺雙系統，對業界廣泛使用的嵌入式技術進行全面深入的學習和項目實踐;使學生可以在電視機機頂盒、多媒體廣告機、平板電腦、手持移動終端、通信服務器、網絡攝像頭、流媒體服務器、四軸飛行器、車載導航、車輛行駛記錄儀、智能機器人、工業現場控制等行業大顯身手。使學生在學習過程中，通過實際操作對本行業嵌入式技術有了深刻的理解和掌握。

四、結束語

嵌入式系統課程由嵌入式硬件和軟件兩部分組成，課程體系設置的目的是培養軟、硬件相結合的復合型人才，引入Capstone實訓課程，以行業內某個具體應用為項目任務，制定項目計劃，各小組成員分工協作、按時提交進程報告，教師將課程的知識點有機融合在項目開發全過程中，學生在系統學習課程知識點的同時，也熟悉了嵌入式系統行業項目開發的整個流程，更重要的是培養了學生的團隊合作精神，有效地提升了學生的實踐動手能力。

參考文獻：

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