計算機專業(yè)嵌入式方向課程體系建設(shè)

摘要：隨著嵌入式應用的迅猛發(fā)展，企業(yè)對嵌入式人才需求的缺口越來越大，嵌入式人才培養(yǎng)問題在高校計算機相關(guān)專業(yè)已被廣泛重視。結(jié)合目前高校嵌入式系統(tǒng)教學和嵌入式技術(shù)人才需求現(xiàn)狀，針對計算機專業(yè)，提出一套嵌入式方向的課程體系建設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：計算機專業(yè)；嵌入式方向；課程體系建設(shè)

1、概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)定義

我國對嵌入式系統(tǒng)的定義是，以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，在實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序4個部分組成，具有對其他設(shè)備進行監(jiān)視、控制或管理等功能。

1.2 嵌入式技術(shù)人才需求

近年來，隨著計算機及集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)日漸普及，在通訊、網(wǎng)絡、工控、醫(yī)療和電子等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，并伴隨著巨大的產(chǎn)業(yè)需求。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，目前我國嵌入式人才缺口每年為20萬人左右，隨著“三網(wǎng)融合”不斷提速，3G網(wǎng)絡全面鋪開，這一數(shù)字還將成倍增長。

2012年，素有國內(nèi)嵌入式及移動開發(fā)培訓風向標之稱的華清遠見教育集團，在廣泛采集數(shù)據(jù)、深入調(diào)研的基礎(chǔ)上推出《2010-2011年中國嵌入式開發(fā)從業(yè)人員調(diào)查報告》（以下簡稱《報告》）。《報告》顯示，目前從事嵌入式開發(fā)“不到1年”和“1-2年”的工程師所占比例分別為35%和20%，占總參與調(diào)查人數(shù)一半以上（55%）；78%左右參與調(diào)查的工程師表示，自己公司目前急缺此領(lǐng)域開發(fā)方面的專業(yè)技術(shù)人才?？梢钥闯觯谡麄€行業(yè)發(fā)展過程中，嵌入式人才仍然供不應求。

1.3 高校嵌入式教育現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)大部分普通高校把嵌入式專業(yè)課程當作選修課，沒有把它設(shè)為專業(yè)或方向；而一些重點高校的嵌入式教學主要是在研究生層次和科研實驗室中。因此，國內(nèi)高校的嵌入式教育還沒有形成一套比較科學、系統(tǒng)的課程體系，在人才培養(yǎng)目標和教學水平方面普遍存在著如下問題。

1）嵌入式人才培養(yǎng)目標與實際需求脫節(jié)。

當前高校嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)跟不上行業(yè)技術(shù)發(fā)展潮流，與實際工程應用需求脫節(jié)，導致在國內(nèi)嵌入式人才市場上，大學畢業(yè)生就業(yè)困難，而用人單位招聘不到符合標準的開發(fā)人員。究其原因，主要有以下幾個方面：一是高校開設(shè)的相關(guān)課程教學內(nèi)容與培養(yǎng)目標不完全一致，缺乏系統(tǒng)性與結(jié)構(gòu)化，教材知識難以遷移到實踐中；二是相關(guān)課程教學內(nèi)容重視知識介紹，輕視能力培養(yǎng)，不能滿足新技術(shù)變革的需要；三是相關(guān)課程和教學內(nèi)容設(shè)置隨意，因人施教現(xiàn)象嚴重；四是教學方法與配套資源缺失，沒有與實際工程應用需求配套的實驗教學設(shè)施以及相關(guān)實踐性課程，嵌入式人員創(chuàng)新意識薄弱，實踐能力不強。

2）師資嚴重不足。

嵌入式技術(shù)學科是研究如何在一個特定的硬件環(huán)境上開發(fā)與構(gòu)建特定的可編程軟件系統(tǒng)，應用性強。在教學方面，除了要重視理論教學外，更要注重實踐教學，而且在實踐教學中一般要求以項目為導向；在師資隊伍方面，要求教師軟硬件知識兼通，且需要具有很深的專業(yè)背景和工程項目經(jīng)驗，這樣才有可能以項目為導向，讓項目貫穿整個教學過程，引導學生充分發(fā)揮主體作用，達到“做中學”的目的。目前，大部分普通高校在嵌入式系統(tǒng)方面師資有限，特別是軟硬件知識兼通的師資嚴重不足，具有企業(yè)工作經(jīng)歷的專業(yè)教師更是缺乏，教師隊伍的封閉性決定了“雙師型”教師比例不高。因為，不少碩士或博士畢業(yè)后直接踏上教學崗位，很少有機會進行工程實踐，并且熟悉軟件的對硬件了解不夠，或熟悉硬件的不一定熟悉軟件。

2、嵌入式課程體系的建立

2.1 計算機專業(yè)嵌入式人才培養(yǎng)目標

嵌入式系統(tǒng)知識學科融合性強，不同專業(yè)的學生各有其局限性。自動化、測控和電子類專業(yè)學生電子設(shè)計基礎(chǔ)較好，程序設(shè)計偏弱，偏硬件；而計算機類的學生程序設(shè)計基礎(chǔ)好，電子設(shè)計能力偏弱，偏軟件。考慮到高校傳統(tǒng)的計算機專業(yè)特點，應該重點培養(yǎng)嵌入式應用開發(fā)人才。

《報告》調(diào)查企業(yè)對嵌入式軟硬件人員的工作安排，如圖1所示。

《報告》認為，在大部分從事嵌入式產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)中，基本都是軟硬件人員分工合作完成產(chǎn)品開發(fā)（接近60%）。在排名前3位的企業(yè)人才需求中，軟件開發(fā)人才的需求高于硬件開發(fā)人才，這一點與2009-2010年度的調(diào)查數(shù)據(jù)相比基本沒有太大變化。

從各大招聘網(wǎng)站的搜索數(shù)據(jù)中也可以看出，目前嵌入式軟件開發(fā)人才的需求量遠遠大于硬件開發(fā)人才。嵌入式系統(tǒng)項目研發(fā)80%以上的工作量是在軟件部分，軟件是嵌入式系統(tǒng)最核心的部分，也是體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)優(yōu)勢最關(guān)鍵的部分，企業(yè)對嵌入式軟件開發(fā)人才的需求必將持續(xù)上漲。

因此，綜合考慮嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應用對不同層面的人才需求特點和高校傳統(tǒng)計算機專業(yè)的特點，嵌入式課程體系的培養(yǎng)目標是：在嵌入式系統(tǒng)與應用的4個層面中，培養(yǎng)除硬件設(shè)計以外的嵌入式應用開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)和嵌入式驅(qū)動開發(fā)3個層面有一定基礎(chǔ)的人才，重點培養(yǎng)嵌入式應用開發(fā)人才。

2.2 嵌入式課程體系建設(shè)依據(jù)

近年來，企業(yè)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中對軟件平臺、硬件平臺和軟件開發(fā)語言的選擇情況，依據(jù)上述《報告》公布的結(jié)果如圖2-4所示。

圖2反映了嵌入式開發(fā)硬件平臺的發(fā)展趨勢。在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，ARM處理器毫無疑問占據(jù)了嵌入式處理器90%以上的市場份額，ARM9系列仍是ARM市場占有率最高的處理器（45%）。為了嵌入式軟件開發(fā)服務，我們選擇ARM處理器作為嵌入式硬件實驗平臺，開設(shè)基于ARM9處理器的相關(guān)課程，培養(yǎng)在ARM9處理器硬件平臺上進行嵌入式應用程序開發(fā)的能力。

圖3可以看出，在軟件開發(fā)平臺的選擇上，嵌入式Linux占據(jù)了明顯的優(yōu)勢（48%），Linux以其開源成本低的優(yōu)勢受到眾多嵌入式企業(yè)的歡迎。排名二、三的是Windows.CE和Android，所占比例分別是17%和9%。作為智能手機的主流嵌入式操作系統(tǒng)Android，漸漸成為各大手機廠商新的選擇?；?G移動平臺（特別是Android平臺）的研發(fā)需求將快步增長。因此，在嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)和嵌入式驅(qū)動開發(fā)的層面來看，我們以開設(shè)嵌入式Linux操作系統(tǒng)、WinCE操作系統(tǒng)、嵌入式Android操作系統(tǒng)等課程為主。從嵌入式應用程序開發(fā)層面來看，我們應著重培養(yǎng)在Linux、WinCE、Android等系統(tǒng)平臺上進行嵌入式應用程序開發(fā)的能力。

圖4顯示在軟件開發(fā)語言的使用上，C語言作為嵌入式開發(fā)最經(jīng)常使用的語言主導地位是毋庸置疑的，所占比例高達67%；C++所占比例為15%，位居第2；Java所占比例為8%，位居第3。從這組數(shù)據(jù)也可以看出，傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)主要基于c語言，不管在工業(yè)控制領(lǐng)域、通信領(lǐng)域，還是消費電子領(lǐng)域，C語言均是首選。隨著3G技術(shù)的推動，在2009年，移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，C++、Java等高級語言也得到廣泛應用。因此，從嵌入式應用程序開發(fā)層面來看，我們應著重培養(yǎng)C語言、c++和Java等高級語言的應用能力。

2.8 嵌入式方向課程體系模型構(gòu)建

通過對目前主流技術(shù)及其發(fā)展趨勢和市場需求分析看，為與市場緊密銜接，達到培養(yǎng)合格嵌入式人才的目標，按照計算機專業(yè)嵌入式方向?qū)W生大學4年所需能力，我們需建立“2+1+1”三段式4年制的人才培養(yǎng)課程體系模式，即前2學年重基礎(chǔ)，第3學年精方向，第4學年重實踐，堅持工程能力和素質(zhì)培養(yǎng)4年不斷線的原則，將工程項目教學法貫穿整個教學環(huán)節(jié)，提高學生的學習興趣，增強學生的工程意識和工程實踐能力。課程體系模型劃分為程序設(shè)計能力培養(yǎng)（第1學年）、專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)（第2學年）、嵌入式方向能力培養(yǎng)（第3學年）和工程實踐能力培養(yǎng)（第4學年）4個階段，如表1所示。每個階段均設(shè)計相應的教學內(nèi)容以達到能力培養(yǎng)目的。

3、嵌入式課程體系的實施

3.1 師資培養(yǎng)

由于嵌入式系統(tǒng)所需知識具有學科融合性強、軟硬結(jié)合和應用廣泛的特點，要培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的嵌入式人才，除了要有與最新行業(yè)技術(shù)配套的實驗設(shè)備外，還應當具備一支教學經(jīng)驗豐富、軟硬件知識兼通且具有一定的專業(yè)背景和工程項目經(jīng)驗的師資隊伍。因此，加強嵌入式課程教師隊伍建設(shè)，應當考慮：一是與企業(yè)合作，邀請企業(yè)中具有嵌入式系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程師來校助教，擔任部分授課、課程設(shè)計和學生畢業(yè)論文的指導工作；二是從企業(yè)直接引入具有嵌入式系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程師；三是學校要為年輕教師提供更多培訓與學習交流機會，選派骨干教師定期到專業(yè)的嵌入式開發(fā)企業(yè)進行培訓，或到基層掛職鍛煉，積累工程實踐方面的經(jīng)驗，掌握最前沿的技術(shù)；四是與嵌入式開發(fā)企業(yè)合作開發(fā)嵌入式項目，進一步將理論與實際需求相結(jié)合。

3.2 實驗平臺建設(shè)

根據(jù)計算機專業(yè)嵌入式方向課程的設(shè)置和培養(yǎng)目標，選擇ARM處理器作為嵌入式硬件實驗平臺，原因如下：①ARM處理器功能強大，應用靈活，是嵌入式技術(shù)發(fā)展的主流，被廣泛應用于智能家電、手機、汽車電子、機頂盒等方面。目前ARM市場占有率居第一位，在技術(shù)上可以得到廠商較好的支持。②ARM處理器與市場需求聯(lián)系緊密，以刪芯片為核心的實驗設(shè)備很多，基于ARM構(gòu)架的處理器涉及從微控制器（MCU）、微處理器（MPU）到多核的數(shù)字信號處理器（DSP），在價格和應用需求上可以滿足學校的選擇要求。③ARM處理器支持的功能模塊多，可擴展性好，能夠提供盡可能多的硬件資源，這樣可以滿足學生完成大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識的實驗，也可以進行綜合設(shè)計、創(chuàng)新課題和畢業(yè)設(shè)計的課題。

3.3 教學模式改革

鑒于嵌入式技術(shù)涉及的知識面廣、應用性強和新技術(shù)推出周期短的特點，嵌入式教學除了要重視理論教學外，更要注重實踐環(huán)節(jié)，包括實驗內(nèi)容的安排和實驗教學方法的采用。

在實驗教學內(nèi)容上，教師應以市場需求為導向，根據(jù)市場主流技術(shù)不斷更新或設(shè)計新的實驗內(nèi)容，有層次、由淺入深地安排實驗內(nèi)容。首先安排基本技能訓練實驗，為后續(xù)實驗和設(shè)計打下基礎(chǔ)；其次安排設(shè)計性的內(nèi)容和項目，鍛煉學生獨立思考、獨立解決問題的能力；第三，隨著專業(yè)知識內(nèi)容的深入，實驗內(nèi)容應該以綜合性、系統(tǒng)性為主，目的是鍛煉學生綜合運用知識的能力以及團隊協(xié)作精神。

在實際的實驗教學中，對理論基礎(chǔ)及其實踐基本技能的訓練，要采用傳統(tǒng)的教學方式，培養(yǎng)學生的實踐動手能力。對綜合應用技能的訓練，要體現(xiàn)項目教學、學中做、做中學等教學思想，應突出能力培養(yǎng)，體現(xiàn)知識與能力培養(yǎng)的一體化融合。

4、結(jié)語

隨著嵌入式應用的迅猛發(fā)展，普通高校計算機專業(yè)如何在原有的專業(yè)基礎(chǔ)上增加嵌入式系統(tǒng)方向，培養(yǎng)與市場需求接軌、具備扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗的嵌入式專業(yè)人才，是現(xiàn)在高校計算機專業(yè)競相研究的—個課題。在此提出的這套針對計算機專業(yè)的嵌入式方向課程體系的建設(shè)方案，結(jié)合目前嵌入式教育現(xiàn)狀，綜合考慮企業(yè)的應用需求和計算機專業(yè)特點，對地方高校計算機專業(yè)嵌入式方向建設(shè)有一定的指導意義。