面向新工科的“國產化嵌入式系統”課程教學模式探索與實踐

徐 燕，宋燕星*，陳 蕾，葉騏寧

（1.北京物資學院，北京 101149；2.龍芯中科技術股份有限公司，北京 100089）

0 緒論

我國經濟整體已由粗放型發展向高質量精細化發展階段轉變，國家頂層設計不斷地調整經濟產業結構、優化產業布局、淘汰落后產業，加快發展和扶持新興產業以應對全球高技術競爭[1-3]。目前國際形勢復雜，一些科學技術瓶頸問題更加凸顯，“卡脖子”技術亟待突破和解決[4]。基于此背景，國家提出了建設新工科戰略，以培養服務國家戰略需求、支撐新型產業發展、引領傳統產業升級、迎接未來科學發展的創新型復合型工程技術人才，從而應對新興技術和產業激烈競爭態勢[3]。

為了能夠更好地推進“新工科”戰略的實施，加強產學研深度融合，探索如何有效地將工科課程與國家社會實際需求相結合，培養創新型工程技術人才十分重要。

“嵌入式系統”課程是一門典型的工科專業課程。兼具理論性和實用性，綜合應用性強，軟、硬件的結合性較強[5-7]。其主要講授嵌入式系統的組成和基本原理，闡述嵌入式主流硬件體系結構和嵌入式操作系統，闡明嵌入式系統設計的一般原理和方法以及嵌入式系統的綜合開發應用，為后續學習與工作中解決復雜電子信息與通信工程中嵌入式系統的相關問題打下良好的基礎[7-9]。

目前我國嵌入式系統課程存在主流軟硬件平臺以國外軟硬件教學平臺為主，學生在學習嵌入式系統課程之后，只能在國外主流軟硬件平臺上進行嵌入式開發，難以滿足國產化信息產業鏈對工程技術人才的需求。為了能夠更好地培養服務國家戰略需要，滿足社會實際需求的應用型人才，北京物資學院與龍芯中科技術股份有限公司共同簽署自主化軟硬件應用人才培養基地合作框架協議，按照“密切聯合、資源共享、優勢互補、合作共贏”的原則，通過深化辦學體制機制改革，采取深度合作共建模式，籌建“自主化軟硬件應用人才培養基地”，對準具體產業實際需求，在學生培養、師資培養、教學資源建設、實驗室建設、科學研究、社會服務等方面探索產教研融合的有效途徑。在此背景下，北京物資學院開設《國產化嵌入式系統開發實訓》課程，該課程以龍芯系列開發板為硬件平臺，通過軟硬件相結合的設計與實際操作加強學生對理論知識的綜合理解、應用及工程實踐能力，旨在培養滿足自主先進技術與產品的應用型人才，同時了解國產化技術發展的艱難歷程，了解現階段我國國情，增強學生的愛國意識和民族自信心。

1 國產化嵌入式系統課程教學目標

該課程是一門綜合性、實踐性強的專業課程，面向物聯網工程專業學生，課程實踐平臺基于龍芯嵌入式開發板。在課程教學目標的設定上，能夠準確根據國產化嵌入式系統對應用型人才的需求，結合學生的前期理論與實踐基礎，通過由易至難、由淺入深的重點內容回顧與講解、實際演示、學生動手實踐、綜合實驗設計與實踐，加強學生的學習自主性、積極性、互動性、合作性，加深學生對核心內容的理解與靈活應用，提高學生的實踐能力，培養符合國家和社會需求的應用型人才。

課程教學目標如下：

課程目標1：掌握嵌入式系統的基本概念和原理，了解國產化嵌入式系統發展歷程，能夠運用龍芯新列開發板及其軟硬件開發工具對物聯網工程問題的解決途徑進行分析和改進。

課程目標2：掌握嵌入式系統分析方法，能夠分析嵌入式系統設計、開發和實施過程中的關鍵影響因素，并能夠尋求合理的設計方案。

課程目標3：參與課堂小組活動，明確任務分工，能夠以團隊協作的形式共同完成嵌入式系統實驗內容的設計與實現。

2 課程教學目標與考核內容及方式的對應關系

2.1 針對課程學習目標1

引導學生加深掌握嵌入式系統的基本概念與基本原理，并具備基于龍芯開發板進行硬件和軟件的分析與設計的基礎?？己说木唧w內容：（1）嵌入式系統基本概念、組成和基本原理；（2）嵌入式系統的應用領域和發展趨勢；（3）嵌入式Linux文件系統、Linux常用操作命令和文本編輯器等；（4）龍芯CPU代表性產品型號、特點及應用領域；（5）龍芯開發板硬件資源、啟動流程、交叉編譯方式。

考核方式：課堂操作性、演示性實驗，結課報告。

2.2 針對課程學習目標2

引導學生掌握龍芯嵌入式系統的體系結構，培養其自主學習和終生學習的意識，增強其不斷學習和適應發展的能力。

考核具體內容：（1）MIPS處理器介紹、主要產品和開發工具；（2）MIPS體系結構發展；（3）MIPS存儲器管理及異常處理；（4）MIPS指令集；（5）設備驅動程序設計；（6）基礎實驗，包括GPIO接口實驗、PWM控制實驗；（7）進階實驗，包括Qt圖形界面設計實驗、環境參數采集及報警實驗、圖像識別及目標檢測實驗；（8）綜合實驗設計。

考核方式：課堂操作性、演示性、設計性、綜合性實驗，結課報告。

2.3 針對課程學習目標3

培養學生的團隊合作意識，增強學生溝通交流能力，增強學生分工協作能力，使課堂活動更易于與學生競賽相結合，為學生實習、就業做好準備。

考核具體內容：（1）以2～3人為一組，每次實驗明確組員分工；（2）所有組員都要參與演示環節，共同撰寫實驗報告。

考核方式：課堂操作性、演示性、設計性、綜合性實驗，結課報告。

3 教學中重點要把握和解決的問題

在教學內容上，根據應用型人才培養需求與要求，結合學生前期知識基礎編排教學內容，形成系列化教材。同時在教學過程中介紹國產化嵌入式技術發展歷程、一代代科學家工程師們忘我的工作精神和堅定的愛國情懷，介紹國產化技術發展的緊迫性、重要性與對應用型人才的迫切需求，以此提高學生的大局意識，增強學生的愛國意識和民族自信心。

在教學方法上，采用理論講解、授課教師實際操作演示、學生動手實踐、實驗設計相結合的方式，基于學生的前期理論基礎和實踐基礎，以教學目標為指引，把握學生的身心發展特點，調動學生的積極性，提高學生學習的自信心，挖掘學生的創新能力，使學生能夠通過對該門課的學習，進一步鞏固先期知識，加強工程實踐能力，提高學生在相關領域發展的自信與意愿。

在考核方式方面，在考查學生對基本原理、基本概念的理解，基礎操作以外，還需要考核學生靈活設計與實現綜合實驗的能力，以及學生的合作能力。將考核與國產化技術實際需求相結合，根據考核結果，評估與篩選熱愛嵌入式開發、具備開發能力與潛力的學生，鼓勵參加相關領域全國大學生賽事，以及推薦相關實習機會。

4 展望

就全國范圍來看，該課程的開設走在前列，在缺乏前期資料與經驗的情況下，該課程對于如何教授國產化嵌入式技術是一次探索，該課程形成的教學資料、教學經驗具有實際參考價值。