“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專業(yè)教學改革思路探索

陳國榮 施金良 彭 軍

摘要:隨著嵌入式系統(tǒng)應用的迅速發(fā)展,許多高校陸續(xù)開始培養(yǎng)基于嵌入式應用的人才,但是,相當一部分高校卻不得不面對學生“會背書、會考試、不會做”的尷尬局面。為此,作者在分析“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專業(yè)需求主干課程特點的基礎上,提出了從教學理念(Learning by doing)、教學方法(面向市場、結合產學研)、考核方法(項目考核)、能力培養(yǎng)(綜合能力)和專業(yè)導向(前沿性和時代性)等多個方面進行綜合改革的思路。

關鍵詞:教學改革;嵌入式軟件和系統(tǒng);專業(yè)培養(yǎng)

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1概述

嵌入式系統(tǒng)是面向國防軍工、數(shù)字家庭、工業(yè)控制、教育教學、消費電子、網絡通信、航空航天等各個領域的(如圖1所示),以應用為中心、以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,能滿足目標應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求的專用計算機系統(tǒng),它是繼IT網絡技術之后,又一個新的技術發(fā)展方向。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應用的突出特征,應用領域越來越廣。可以說嵌入式技術是當前發(fā)展最快、應用最廣、前景最好的信息技術主要應用領域之一,也是近年來各高校信息學科普遍重視的專業(yè)方向之一。

但是,許多高校未能考慮到該專業(yè)主干課程具有的實踐性強、專業(yè)性強等特點,一味地照搬其他學科的教學方法,致使課程教學的效果與預期相比有較大的差距。為了解決這個問題,作者提出了一種基于“Learningby doing(做中學)”的嵌入式系統(tǒng)設計課程教學改革思路。同時,將該課程教學改革思路應用到重慶科技學院計算機科學與技術專業(yè)的“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專業(yè)方向中,取得了較好的應用效果。

2主干課程分析

教學改革的具體對象是面向課程的,因此,對該專業(yè)方向的課程進行分析有利于弄清楚該專業(yè)中主干課程的特點,進而明確課程教學改革要解決的核心問題和今后課程改革的方向。

2.1課程體系方向分析

嵌入式系統(tǒng)是軟硬結合的應用系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)開發(fā)主要有兩個大的方向。

方向一偏重硬件設計,例如與電子工程、通信工程相結合。這個方向培養(yǎng)出來的學生主要從事硬件設計工作,有時需要開發(fā)一些與硬件關系最密切的最底層軟件,如BootLoader、Board Support Package(像PC的BIOS一樣,往下驅動硬件,往上支持操作系統(tǒng))、最初級的硬件驅動程序等。他們的優(yōu)勢是對硬件原理非常清楚,不足在于這類方向的人才更擅長定義各種硬件接口,但對復雜軟件系統(tǒng)往往力不從心(例如嵌入式操作系統(tǒng)原理和復雜應用軟件等)。

方向二偏重軟件設計,例如和軟件工程、計算機科學與技術結合,這個方向培養(yǎng)出來的學生主要從事嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件的開發(fā)。他們對硬件原理和接口有較好的掌握,也完全可以寫B(tài)SP和硬件驅動程序。嵌入式硬件設計完后,各種功能就全靠軟件來實現(xiàn)了,嵌入式設備的增值很大程度上取決于嵌入式軟件,這占了嵌入式系統(tǒng)的最主要工作。目前有很多公司將硬件設計包給了專門的硬件公司,很多嵌入式公司自己只負責開發(fā)軟件,因為公司都知道,嵌入式產品的差異很大程度在軟件上。越是智能設備,越是復雜系統(tǒng),軟件越起關鍵作用。

2.2課程體系及主干課程分析

從以上分析還可以看出,一個完整的嵌入式課程體系主要包括一門主流嵌入式微處理器的結構與原理、一個嵌入式操作系統(tǒng)以及熟悉嵌入式軟件開發(fā)流程(至少做過一個嵌入式軟件項目),如圖2所示。

為此,該專業(yè)的課程設置一般包含以下課程:

(1) 嵌入式微處理器結構與應用

這是一門嵌入式硬件基礎課程,這門課程與“微機原理與接口”內容上有些類似。學習本課程的目的是對ARM處理器工作原理、ARM的匯編指令系統(tǒng)和接口技術有充分的了解。無論學生以后的方向是ARM+WinCE、ARM+LINUX、ARM+VXWORKS中的哪一種,學習本課程都是非常重要的。

(2) 嵌入式操作系統(tǒng)類課程

大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的實時性都很強,所以也可稱為實時操作系統(tǒng)Real Time Operating System,從事嵌入式工作的人至少須掌握一個嵌入式操作系統(tǒng),這在嵌入式的所有技術中是最為關鍵的。目前最重要的RTOS主要包括Vxworks操作系統(tǒng)、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。其中Vxworks主要用在通信領域,Linux的優(yōu)點在于價格便宜,Windows CE的優(yōu)點在于入門容易,且支持的開發(fā)工具很多。目前,大多數(shù)高校在“Windows CE與嵌入式軟件開發(fā)”或“嵌入式Linux設計與開發(fā)”中選擇一種。

(3) 嵌入式軟件設計與編程相關課程

本課程的方向決定具體的專業(yè)應用方向,例如北京大學的嵌入式系統(tǒng)綜合實踐、移動通信服務終端、數(shù)字家庭技術分別代表了三個不同的專業(yè)發(fā)展方向,即嵌入式系統(tǒng)工程、移動通信服務終端、數(shù)字家庭技術等方向。我們可以根據需要設置一個主攻方向,另外可開設一些其他方向的選修課程。

(4) 嵌入式開發(fā)的相關軟硬件基礎課程

“數(shù)字電路”、“計算機組成原理”、“嵌入式微處理器結構”、“匯編語言”、“C/C++”、“數(shù)據結構和算法”、“軟件工程”等,這些都是軟硬件開發(fā)的基礎課程,是學習嵌入式軟件和系統(tǒng)方向的基礎。

另外,針對具體的應用需求,還可以開設與該應用需求相關的一些課程。

目前,國內已經有部分高校在該專業(yè)招生,東南大學、北京大學、重慶大學、電子科技大學、浙江大學等開設的主干課程均完全按照上述需求進行課程設置,但由于各自的專業(yè)重心不同,選修課程略有差別。

3教學改革思路

基于上述主干課程的分析可以看出,“嵌入式軟件和系統(tǒng)”主干課程最大的特點就是要求實踐,強調學生的動手能力。針對該專業(yè)課程的特征,可從教學理念、教學方法、考核方法、能力培養(yǎng)和專業(yè)導向等多個方面進行綜合改革,如圖3所示。

3.1教學理念

嵌入式常常與新產品和新技術聯(lián)系在一起,嵌入式課程本應是最能激發(fā)學生學習主動性和創(chuàng)新意識的實踐性很強的課程,但目前國內嵌入式教學仍普遍停留在以講概念和講原理為主的水平上,導致學生學完后“會背書,不會做”,嚴重影響教學質量。為解決這一老大難問題,采用“Learning by doing(做中學)”這一先進教學理念勢在必行。

“Learning by doing”是一種讓學生在工程項目(包括綜合性設計性單元教學)中通過實戰(zhàn)來提高動手能力的學習方法。該方法有利于學生在學習中養(yǎng)成良好的項目管理、團隊合作精神,提高其技術水平和開發(fā)能力。

3.2教學方法

我們對常規(guī)教學方法進行全面改革,并與國內外知名研究機構、企業(yè)合作,采用“面向市場、結合產學研”的教學方式,實現(xiàn)與企業(yè)的無縫對接,使本專業(yè)學生具有“顯著工程實踐能力”。例如,結合重慶大學城毗鄰重慶西永微電子產業(yè)園的優(yōu)勢,我們的嵌入式軟件和系統(tǒng)專業(yè)方向目前已與東方標準培訓中心、惠普重慶研究中心、中科院軟件中心的渝德科技、NTT Data等廠商簽訂或正在洽談產學研合作辦學事宜,引進這些大公司研發(fā)機構的成熟經驗,一方面可以提高學生的動手能力,另一方面也為學生今后的就業(yè)打下堅實的基礎。

3.3考核方法

“會考試,不會做”是我國工程類課程教學長期存在的一大頑疾,學生通常只要到期末臨時突擊背書便可混過考試,這樣的現(xiàn)象歸根到底還是傳統(tǒng)的筆試考核模式在作怪。為此,我院改革傳統(tǒng)的筆試考核,完全以各章節(jié)的小項目及提交的期末大項目(作品)進行考核,即采用“項目考核”的考核方式。這就要求學生平時必須花很多時間和精力在項目上,通過項目又可激發(fā)學生的成就感,充分調動學生的學習主動性,對提高課程教學質量和保證教學效果起到至關重要的作用,此項舉措在該類課程中尤其具有推廣價值。

3.4能力培養(yǎng)

本課程非常強調學生綜合能力的培養(yǎng)。我們鼓勵學生開動腦筋報項目,并要求其項目作品能在不同的嵌入式硬件平臺上運行,促進學生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。學生在項目實踐中鍛煉了自學和解決實際問題的能力,以自由組合的形式進行團隊軟件項目開發(fā),也培養(yǎng)了學生的團隊合作能力,而采用演講演示、答辯的方式驗收課程項目,則培養(yǎng)了他們的交流表達能力。同時,為改變目前理工科專業(yè)學生普遍重視技術技巧,忽視工程項目過程管理的現(xiàn)狀,本課程在教學過程中將全面采用項目組織和管理思想,使學生在校期間就能形成良好的軟件工程素養(yǎng)和意識,提高團隊工程項目的組織和管理水平。加強以上全面能力的培養(yǎng)正是我國理工科專業(yè)教育改革的方向。

3.5課程的前沿性和時代性

嵌入式技術的突出特點是與具體應用緊密結合。學生學習嵌入式的根本目的就是為了有能力做實際嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。如果教學脫離業(yè)界的主流開發(fā)技術去空談,就失去了嵌入式教學的意義。教育的根本目的是為企業(yè)培養(yǎng)人才,不是為閉門造車。本課程直接以業(yè)界主流的嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)平臺為基礎,學生學完后可立即開始實際嵌入式軟件的開發(fā)工作,避免了傳統(tǒng)教學方法所導致的學生參加工作后要重新從頭學起的彎路。同時課程設計將緊密跟隨嵌入式技術的發(fā)展,及時地把最新的技術應用到教學內容中,這使得學生能及時地接觸和學到業(yè)界的最新技術。隨著技術的進步,不斷充實和更新教學內容,可長期保持課程的生命力和發(fā)展活力。

上述課程改革方案在重慶科技學院的“嵌入式軟件和系統(tǒng)”方向的課程教學中進行了嘗試,取得了較好的應用效果。

4結論

針對目前“嵌入式軟件和系統(tǒng)專業(yè)”課程教學中普遍存在的“會背書、會考試、不會做”的實際情況,作者在本文中完成了如下工作:

(1) 分析了“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專業(yè)的應用需求和主干課程的特點;

(2) 從教學理念、教學方法、考核方法、能力培養(yǎng)和專業(yè)導向等多個方面提出了“嵌入式軟件和系統(tǒng)”專業(yè)的教學改革思路。

應用效果證明該課程改革思路對提高“嵌入式軟件和系統(tǒng)”主干課程的教學質量具有明顯的效果。

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Reform Thinking About College Education in the Specialty of Embedded Software System

CHEN Guo-rong, SHI Jin-liang, PENG Jun

(School of Electron & Information EngineeringChongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Abstract: With the extending of the application in embedded software system, the talent-trainings in the specialty bearing have appeared in some college. But a difficult situation of “rote learning and coping test but do not have the capability of solving problems” appears in most of those. In order to deal with the difficulty, the needing of the specialty and the performance of the main courses were analysized. The reform thinking were put forward to in five aspects: a new teaching conception of learning by doing; a teaching method of markets oriented and CEEUSRO based; assessing the learning effect by the items their doing; aiming at the target of improving their integrated ability; and keeping the course with the times. The reform thinking about college education in the specialty of Embedded Software System has been practiced in the specialty in Chongqing University of Science and Technology, and the application effect proved it.

Key words: teaching reform; Embedded Software System; specialty training