基于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地的建設(shè)

張樂(lè)芳

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

嵌入式系統(tǒng) （Embedded System）被定義為以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。嵌入式涵蓋了微電子技術(shù)、電子信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，其核心包括：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶程序，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的信息處理、控制、管理等功能。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋網(wǎng)絡(luò)、通訊、智能信息產(chǎn)品、工業(yè)控制、航空、航天等各種領(lǐng)域，其產(chǎn)品以高性能、低功耗、應(yīng)用方案靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、軍事國(guó)防、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子等行業(yè)發(fā)揮著重要作用[2-3]。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)科技領(lǐng)域和日常生活的每個(gè)角落，可以說(shuō)嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，是后PC時(shí)代最人們的研究領(lǐng)域之一[4]。

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及其良好的發(fā)展?jié)摿Υ呱似髽I(yè)和社會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)人才的需求，越來(lái)越多的在校大學(xué)生、企業(yè)工程師和相關(guān)技術(shù)人員也都加入了嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)大軍[5]。國(guó)內(nèi)高校紛紛開(kāi)設(shè)了嵌入式體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)課程，但嵌入式系統(tǒng)教育還處于初期階段，沒(méi)有形成統(tǒng)一的教學(xué)體系和人才培養(yǎng)模式，課程缺乏系統(tǒng)性和層次性[6]；諸多高校只是為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)改變或者增設(shè)一兩門嵌入式系統(tǒng)方面課程，同時(shí)又存在著缺設(shè)備、缺師資、缺系統(tǒng)的教學(xué)現(xiàn)狀。而嵌入式系統(tǒng)本身涉及知識(shí)面廣、綜合性和應(yīng)用性強(qiáng)，加上學(xué)科發(fā)展之快，因而學(xué)習(xí)和講授難度較大，難以形成一個(gè)簡(jiǎn)單明晰的知識(shí)體系，大部分學(xué)生根本無(wú)法在很短的時(shí)間內(nèi)掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)方法。

如何開(kāi)展嵌入式的“教”與“學(xué)”，如何在有限的學(xué)時(shí)里安排教學(xué)內(nèi)容，以及通過(guò)什么樣的平臺(tái)進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用是很多高校在嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)中面臨的問(wèn)題。作者作為負(fù)責(zé)人申報(bào)了嵌入式應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目得到了省教育廳的資助，旨在通過(guò)基地建設(shè)，從課程體系搭建、人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、教學(xué)方式改革、師資隊(duì)伍建設(shè)等方面構(gòu)建一種學(xué)習(xí)與工作相結(jié)合的教學(xué)模式和課程設(shè)計(jì)理念，從而能夠有效地對(duì)嵌入式系統(tǒng)方向高技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地建設(shè)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及企業(yè)訪談，提取存在的問(wèn)題，并于企業(yè)共同制定培養(yǎng)方案及基地建設(shè)，最后通過(guò)實(shí)施調(diào)整及完善方案，重點(diǎn)突出以下5個(gè)方面：1）加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，如果缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)作支撐，只是簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難從系統(tǒng)性上進(jìn)行全面把握，同時(shí)教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)單枯燥，不易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；2）形成社會(huì)急需嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用相對(duì)接的課程群，構(gòu)建課程體系結(jié)構(gòu)，分層次、分項(xiàng)目漸進(jìn)性的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，逐步提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的理論水平和應(yīng)用能力，使學(xué)習(xí)過(guò)程上升到系統(tǒng)級(jí)和專業(yè)級(jí)。3）配備具有開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師與高校教師1:1共同承擔(dān)授課任務(wù)，提高嵌入式體系相關(guān)課程的教學(xué)效果。4）研發(fā)適合學(xué)生使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為學(xué)生課下學(xué)習(xí)提供有力保障。5）采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，邊干邊學(xué)，以干促學(xué)[7]。

1 基地建設(shè)指導(dǎo)思想

1）前期積累

我院2005年開(kāi)始籌建嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，自主研制、開(kāi)發(fā)用于教學(xué)的51系列 （8位），430系列 （16位），ARM系列（32位）嵌入式多功能用戶板各20套；2007年開(kāi)始投入使用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外科技活動(dòng)等，效果良好。

2）基地建設(shè)指導(dǎo)思想

目前，國(guó)內(nèi)各高校嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備一般采用市售專用教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)箱在嵌入式教學(xué)中存在諸多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：缺乏系統(tǒng)性，學(xué)生很難從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全面把握；器件配置低、功能單一，不適宜工程開(kāi)發(fā)應(yīng)用；體積龐大，不便于攜帶；產(chǎn)品價(jià)位高，不易普及推廣。鑒于此原因，我院于2008年3月開(kāi)始研發(fā)具有高配置、小體積、低價(jià)位的多功能系列用戶板，并進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用于教學(xué)中，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。其意義在于①為學(xué)生進(jìn)行綜合知識(shí)應(yīng)用、發(fā)揮主觀能動(dòng)性及創(chuàng)造能力提供軟硬件環(huán)境；②有利于學(xué)生從體系結(jié)構(gòu)上全面了解嵌入式系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)應(yīng)用；③提升實(shí)驗(yàn)室的綜合科技水平，培養(yǎng)鍛煉教學(xué)團(tuán)隊(duì)，為實(shí)驗(yàn)室發(fā)展注入自我造血機(jī)能；④改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，不斷提高教學(xué)水平；⑤節(jié)省對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的投資。

2 基地建設(shè)規(guī)模及定位

1）基地建設(shè)規(guī)模

我院已建成面積350 m24個(gè)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)培訓(xùn)實(shí)訓(xùn)室。其中2個(gè)以嵌入式單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用為主，主要以模塊化為主進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)目的重在掌握嵌入式系統(tǒng)各部分功能及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。另外2個(gè)依托相關(guān)企業(yè)合作聯(lián)建、聯(lián)合辦學(xué)，教學(xué)目的重在掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。基地保證能夠同時(shí)容納100名學(xué)員接受學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，滿足社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)、電子信息與通信工程和自動(dòng)控制等專業(yè)在嵌入式方面的人才培養(yǎng)需求。

2）基地定位與培養(yǎng)目標(biāo)

定位：培養(yǎng)面向嵌入式技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)品研發(fā)的中、高級(jí)技術(shù)人才。

培養(yǎng)目標(biāo)：①高端人才培養(yǎng)目標(biāo)：圍繞ARM+Linux系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)，全面深入地理解嵌入式系統(tǒng)的硬件組成和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)、Linux的裁剪、移植、底層驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)與編程。通過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠獨(dú)立承擔(dān)在嵌入式領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)應(yīng)用的復(fù)合型應(yīng)用人才。②中低端人才培養(yǎng)目標(biāo)：通過(guò)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)分析、硬件電路設(shè)計(jì)、焊接技術(shù)、系統(tǒng)軟件編程、代碼優(yōu)化、文檔整理、工程素質(zhì)培養(yǎng)等方面的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有工業(yè)控制核心電路板的軟/硬件系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域工程技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中級(jí)人才。

3 教學(xué)效果

1）教學(xué)模式創(chuàng)新

在教學(xué)模式上，采用多種教學(xué)模式，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、教師指導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合、應(yīng)用與創(chuàng)新相結(jié)合、課堂教學(xué)與課外創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合。構(gòu)建了“演示驗(yàn)證型-模塊開(kāi)發(fā)應(yīng)用型-系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)型-研究開(kāi)發(fā)型”4層次嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。授課模式以“案例”與“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”相互融合的教學(xué)方法創(chuàng)新，通過(guò)師生共同實(shí)施一個(gè)完整的“項(xiàng)目案例”工作，使學(xué)生達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際、融會(huì)貫通[8]，并把CDIO工程教育理念貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程[9]。

2）師資隊(duì)伍建設(shè)

為保證基地建設(shè)持續(xù)良性的運(yùn)行，不斷滿足社會(huì)對(duì)嵌入式方面人才的技術(shù)需求，引進(jìn)企業(yè)工程師若干名。企業(yè)工程師和高校教師1:1共同承擔(dān)核心課程的授課任務(wù)。我們高度重視在職教師的培養(yǎng)，有目的、有計(jì)劃地安排教師到嵌入式方面進(jìn)行培訓(xùn)，每年派出教師到企業(yè)崗位掛職鍛煉；積極參加各類研討會(huì)，定期開(kāi)展嵌入式新技術(shù)發(fā)展知識(shí)講座，及時(shí)掌握嵌入式系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)態(tài)；長(zhǎng)期與企業(yè)合作聯(lián)合研發(fā)嵌入式相關(guān)產(chǎn)品。通過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐，逐步形成了嵌入式培訓(xùn)基地教學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在知識(shí)能力、學(xué)歷層次、職稱及年齡結(jié)構(gòu)較為合理的教師梯伍。

3）教材建設(shè)

近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于嵌入式系統(tǒng)理論方面的教材和專著如雨后春筍般涌現(xiàn)。但突出應(yīng)用實(shí)踐性教學(xué)的教材屈指可數(shù)。這也反映了國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中存在重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象[10]。教材是體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識(shí)載體，教材建設(shè)是基地在實(shí)施應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)和核心[11]。因此，它是實(shí)施培養(yǎng)目標(biāo)的重要保證。依據(jù)嵌入式不同層次人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，編寫(xiě)了基于51系列、430系列和ARM系列的實(shí)驗(yàn)教材。教材內(nèi)容主要包括：開(kāi)發(fā)板電路說(shuō)明、功能特點(diǎn)和使用方法，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的軟硬件開(kāi)發(fā)應(yīng)用。該系列教材以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，體現(xiàn)先進(jìn)性，突出系統(tǒng)性，注重實(shí)用性。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)

1）新型嵌入式多功能用戶板的整機(jī)功能

①內(nèi)嵌并行接口JTAG調(diào)試／編程器。

②調(diào)制解調(diào)器（MODEM）功能。

③在系統(tǒng)編程（ISP）功能。

④異步串行通訊（UART）及遠(yuǎn)程通訊（485）功能。

⑤高速光耦輸入／輸出隔離接口。

⑥8鍵／8位LED數(shù)顯功能。

⑦128×64漢字／圖形液晶點(diǎn)陣顯示功能

⑧精密時(shí)鐘（萬(wàn)年歷）功能。

⑨USB接口及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

⑩SD卡接口及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

[11]多路 ADC／DAC／GPIO 接口。

[12]多路帶捕捉功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器／GPIO復(fù)用接口。

[13]同步串行通訊（SPI）／GPIO 復(fù)用接口。

[14]外部中斷／GPIO復(fù)用接口。

此外，又?jǐn)U展了覆蓋多種高端應(yīng)用模塊，如：

①紅外（IR）通訊：藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

②數(shù)字音頻處理與播放（I2S）：多媒體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

③工業(yè)測(cè)控廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)控制總線（CAN）應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

④滿足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

⑤真彩觸摸屏（TFT）應(yīng)用。

2）新型嵌入式多功能用戶板的技術(shù)亮點(diǎn)

①采用內(nèi)嵌并行JTAG調(diào)試／編程器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、調(diào)試／編程高效、方便等特點(diǎn)。

②主芯片采用二次集成PACK板，便于產(chǎn)品的升級(jí)開(kāi)發(fā)。

③豐富的SOC外設(shè)接口及擴(kuò)展的功能模塊，適于網(wǎng)絡(luò)、通訊、工業(yè)控制等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

④LCD／LED顯示及語(yǔ)音提示終端，方便用戶工程開(kāi)發(fā)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

⑤集成了很多復(fù)雜的外圍設(shè)備，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，提高了處理器引用能力。

3）新型嵌入式多功能用戶板用于實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將下載線JTAG接口電路直接嵌入在實(shí)驗(yàn)板上，取消電源設(shè)置，直接利用USB接口從計(jì)算機(jī)供電，減少實(shí)驗(yàn)部件和部件間連接。充分利用計(jì)算機(jī)資源，如：顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、USB接口等以及ARM單片機(jī)內(nèi)部集成及外設(shè)資源，發(fā)揮軟件的優(yōu)勢(shì)，使每套實(shí)驗(yàn)?zāi)K的成本控制在百元內(nèi)；不受開(kāi)發(fā)環(huán)境限制，體積小，便于推廣應(yīng)用[12]。

4）已開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)

目前，已開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)有：通用端口（GPIO）實(shí)驗(yàn)、模數(shù)變換（ADC）實(shí)驗(yàn)、數(shù)模變換（DAC）實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器（TIMER）實(shí)驗(yàn)、異步串行通訊（UART）實(shí)驗(yàn)、同步串行通訊 1（SPI）實(shí)驗(yàn)、同步串行通訊2（SSP）實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、脈寬調(diào)制器（PWM）實(shí)驗(yàn)等多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)以及紅外（IrDA）發(fā)送/接收模塊實(shí)驗(yàn)、數(shù)字音頻（I2S）實(shí)驗(yàn)、真彩觸摸屏實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)控制總線（CAN）實(shí)驗(yàn)、以太網(wǎng)（Ethernet）通訊實(shí)驗(yàn)等多個(gè)擴(kuò)展和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

5 學(xué)生培養(yǎng)成效

新型的嵌入式多功能用戶板已正式在4個(gè)專業(yè)5個(gè)班次進(jìn)行課程教學(xué)，效果良好，受到學(xué)生一致好評(píng)。在課程教學(xué)以及在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、綜合課程設(shè)計(jì)中均發(fā)揮了重要作用，有力地推動(dòng)了電子信息及計(jì)算機(jī)類課程建設(shè)，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高及相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才和創(chuàng)新人才培養(yǎng)。在2008年和2010年陜西省德州杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽及2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)共20項(xiàng)，連續(xù)3年獲獎(jiǎng)等級(jí)、數(shù)量在同類院校排名中名列前茅，下圖是2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽部分學(xué)生作品。

圖1 全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽一、二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)作品Fig.1 National undergraduate electronic race first and second winners

6 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)是應(yīng)用性較強(qiáng)、涵蓋知識(shí)面寬的綜合性學(xué)科，除要求學(xué)生具有較扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)外，教學(xué)過(guò)程中特別要突出實(shí)踐環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為重點(diǎn)，不斷更新豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，為學(xué)生盡可能提供良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。我院嵌入式應(yīng)用型人才培養(yǎng)基地緊跟嵌入式發(fā)展前沿，制定了面向嵌入式技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)品研發(fā)的低、中、高級(jí)技術(shù)人才培養(yǎng)的課程體系；已與美國(guó)杜肯大學(xué)簽訂改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段的培訓(xùn)協(xié)議，構(gòu)建一種學(xué)習(xí)與工作相結(jié)合的教學(xué)模式和課程設(shè)計(jì)理念；引進(jìn)并培養(yǎng)了雙師型教師5名，核心課程授課認(rèn)為由工程師與高校教師1:1共同承擔(dān)，構(gòu)建了合理的師資隊(duì)伍。目前，已與多家企業(yè)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，通過(guò)校企共建基地、聯(lián)合培養(yǎng)、師資互換、共同進(jìn)行項(xiàng)目研發(fā)等多種方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和高校嵌入式應(yīng)用型人才培養(yǎng)的無(wú)縫連接。

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