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    交叉應(yīng)用型嵌入式創(chuàng)新人才培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

    2013-09-25 06:40:58何劍鋒葉志翔何月順
    關(guān)鍵詞:嵌入式交叉實(shí)驗(yàn)教學(xué)

    何劍鋒, 葉志翔, 何月順, 李 祥

    (東華理工大學(xué)軟件學(xué)院,江西南昌 330013)

    由于自然世界的復(fù)雜多樣性,其本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律的揭示單靠一門(mén)學(xué)科難以做到,必須通過(guò)跨學(xué)科的研究,采取多視角、交叉思維的方式才可能形成正確、完整的認(rèn)識(shí)。而科學(xué)發(fā)展史表明,學(xué)科交叉往往是新科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn),是重大科學(xué)問(wèn)題得以解決的突破口。隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)研究日益打破學(xué)科界限,學(xué)科交叉已成為科技發(fā)展的顯著特征和前沿趨勢(shì)[1]。

    嵌入式系統(tǒng)誕生于微型PC機(jī)時(shí)代,經(jīng)過(guò)微型計(jì)算機(jī)的嵌入式專(zhuān)用化的探索后,進(jìn)入到嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立微控制器發(fā)展的后PC時(shí)代[2]。嵌入式技術(shù)在每年15萬(wàn)以上的旺盛人才需求推動(dòng)下被IT界人士譽(yù)為應(yīng)用領(lǐng)域最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。然而,當(dāng)前高等教育工作的根本問(wèn)題是人才培養(yǎng)質(zhì)量問(wèn)題,其核心是學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng),而嵌入式系統(tǒng)的學(xué)科交叉特點(diǎn)正迎合了創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心要求。筆者認(rèn)為“嵌入式系統(tǒng)”的實(shí)踐教學(xué)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)重要環(huán)節(jié),缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)的課程教學(xué)體系,將難以開(kāi)啟學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域的領(lǐng)悟力,從而導(dǎo)致學(xué)生感到學(xué)習(xí)嵌入式入門(mén)“難”、認(rèn)知“差”、創(chuàng)新“少”的問(wèn)題。因此,本文重點(diǎn)探索交叉應(yīng)用型嵌入式創(chuàng)新人才培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,使學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)業(yè)能力成為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的根本出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

    1 嵌入式創(chuàng)新人才培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)

    由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中占據(jù)重要的地位,而嵌入式實(shí)驗(yàn)是基于軟、硬件協(xié)同下的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的交叉學(xué)科。因此,啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)是嵌入式創(chuàng)新教學(xué)的核心,配備與實(shí)際工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備是培養(yǎng)嵌入式人才的關(guān)鍵。但由于受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟硬件平臺(tái)及課時(shí)數(shù)的限制,如何合理安排嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的多學(xué)科知識(shí),理解嵌入式系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù),掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程,學(xué)會(huì)運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和工具,建立規(guī)范的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思維,是嵌入式創(chuàng)新人才培養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)成敗的重要一環(huán)。要達(dá)到這些目標(biāo),就必須先直面嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要矛盾問(wèn)題并找到對(duì)應(yīng)的舉措。

    1.1 嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

    (1)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)科定位與交叉融合問(wèn)題。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域主要涉及微電子與固體電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科、電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科、具體應(yīng)用對(duì)象學(xué)科等4個(gè)主要學(xué)科的交叉,同時(shí),它們學(xué)科之間又互相融合。主要表現(xiàn)在微電子與固體電子學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ),對(duì)象學(xué)科是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的歸宿,計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子科學(xué)學(xué)科是嵌入式技術(shù)發(fā)展的重要保證[2]。由此可知,每個(gè)學(xué)科在嵌入式系統(tǒng)中都會(huì)體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。如何準(zhǔn)確“學(xué)科定位”應(yīng)體現(xiàn)在每個(gè)學(xué)科充分利用自己的學(xué)科優(yōu)勢(shì),并在自己的學(xué)科基礎(chǔ)上,促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。如何正確認(rèn)識(shí)“交叉融合”,應(yīng)在學(xué)科定位的基礎(chǔ)上,不斷了解其它學(xué)科對(duì)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展要求,以便為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)筑最佳的知識(shí)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)最佳的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

    (2)嵌入式系統(tǒng)的廣泛交叉應(yīng)用導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不完整。由于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)是基于應(yīng)用對(duì)象相關(guān)專(zhuān)業(yè)中軟硬件結(jié)合的嵌入式教學(xué),而目前現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)人才絕大多數(shù)是通過(guò)學(xué)校制定的通用嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課加之工作崗位上實(shí)踐聯(lián)合培養(yǎng)起來(lái)的。為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)嵌入式人才需求,國(guó)內(nèi)眾多高校均把嵌入式系統(tǒng)作為本科或研究生階段的一個(gè)研究方向,并對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了嵌入式相關(guān)課程來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用相關(guān)知識(shí),還少有將其設(shè)立本科或研究生的專(zhuān)業(yè)。由此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就存在“偏軟”或“偏硬”從而導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐能力大大削弱。從軟件工程或計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)到嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生,在實(shí)驗(yàn)中有一定的編程能力,但對(duì)嵌入式硬件知之甚少,只要實(shí)驗(yàn)中遇到硬件問(wèn)題就往往力不從心;而從電子、通信、儀器儀表等相關(guān)專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)生,其優(yōu)勢(shì)是對(duì)硬件原理非常清楚,但對(duì)復(fù)雜軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)就成了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的“軟肋”[3]。因此,如何在短時(shí)間內(nèi)把不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)成為市場(chǎng)急需的嵌入式人才,是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)急需解決的問(wèn)題。

    1.2 嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)對(duì)舉措

    (1)準(zhǔn)確學(xué)科定位,正確認(rèn)識(shí)學(xué)科交叉融合,深化嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革。東華理工大學(xué)軟件學(xué)院軟件工程專(zhuān)業(yè)嵌入式方向的學(xué)科定位是:結(jié)合軟件產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求,面向軟件工程領(lǐng)域的國(guó)際前沿,熟悉國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)與軟件工程管理流程,掌握現(xiàn)代軟件工程規(guī)范、技術(shù)與方法,構(gòu)建主流的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái),使學(xué)生受到嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和科學(xué)研究初步訓(xùn)練,重點(diǎn)要包括嵌入式系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、軟件工程方法、嵌入式編程語(yǔ)言、嵌入式程序設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。而嵌入式系統(tǒng)的對(duì)象學(xué)科幾乎囊括了所有的科技領(lǐng)域,結(jié)合學(xué)校的地學(xué)和核科學(xué)等優(yōu)勢(shì)學(xué)科,通過(guò)在不同企業(yè)的實(shí)踐與頂崗實(shí)習(xí)或教師科研項(xiàng)目,使學(xué)生在嵌入式軟硬件專(zhuān)用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)最廣泛的應(yīng)用。由于各學(xué)科的交叉融合,每個(gè)學(xué)科的團(tuán)隊(duì)建設(shè),應(yīng)在自身學(xué)科基礎(chǔ)上,吸收一定比例的其他學(xué)科人員[4,5]。例如近年來(lái),在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域吸收不少嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才。在高等學(xué)校設(shè)立嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)時(shí),多引進(jìn)對(duì)象領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)的交叉應(yīng)用型人才。此外,學(xué)院針對(duì)校內(nèi)師資理論教學(xué)能力強(qiáng)但企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足,企業(yè)師資實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)但教學(xué)能力有限這一問(wèn)題,在嵌入式實(shí)踐教學(xué)上采用校內(nèi)師資與企業(yè)師資的融合培養(yǎng)模式。通過(guò)“2.5+0.5+1”培養(yǎng)模式(“2.5+0.5+1”培養(yǎng)模式是指“2.5 學(xué)年”完成公共基礎(chǔ)課程、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程、專(zhuān)業(yè)主干課程的理論學(xué)習(xí),“0.5學(xué)年”完成學(xué)校與企業(yè)共同定制的理論與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)學(xué)校到企業(yè)實(shí)習(xí)的平滑過(guò)渡,“1學(xué)年”在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中熟練掌握實(shí)踐技能與技巧,積累豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),為成為創(chuàng)新型人才打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ))中的0.5年的企業(yè)定制培養(yǎng),可以使其雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),取長(zhǎng)補(bǔ)短。從而實(shí)現(xiàn)校企雙方師資在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)能力上的大幅提升。通過(guò)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新進(jìn)一步深化了校企合作的培養(yǎng)模式。

    (2)注重學(xué)科交叉應(yīng)用,調(diào)整實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,進(jìn)一步完善嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。東華理工大學(xué)軟件學(xué)院嵌入式方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已實(shí)施五年,由于嵌入式技術(shù)更新快,新技術(shù)推出周期短,因此每年應(yīng)對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制定遵循從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn),從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、從實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等過(guò)程,從實(shí)際嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的角度出發(fā),按每學(xué)年規(guī)劃嵌入式課程體系和實(shí)驗(yàn)體系,包括嵌入式理論基礎(chǔ)課、嵌入式專(zhuān)業(yè)課、嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立、嵌入式處理器開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)的移植、基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)及上層應(yīng)用等方面的實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建了一個(gè)完整的嵌入式方向課程體系及實(shí)驗(yàn)新體系,如圖1所示。

    圖1 嵌入式課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

    圖1中的嵌入式實(shí)驗(yàn)體系注重基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的結(jié)合,注重與科研、工程和社會(huì)實(shí)踐應(yīng)用緊密聯(lián)系,并及時(shí)融入科技創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置科學(xué)合理,包含基本實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)(綜合性、設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性等)、研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。每學(xué)年更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)一般應(yīng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總數(shù)的5%。同時(shí),充分利用實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件資源,最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室資源優(yōu)勢(shì),正確選擇嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺(tái);了解常用的嵌入式操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本概念,掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的技巧和方法,合理選擇嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);鼓勵(lì)學(xué)生參與嵌入式各類(lèi)競(jìng)賽科技活動(dòng),合理調(diào)整各類(lèi)型實(shí)驗(yàn)的比重,重點(diǎn)加強(qiáng)自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的力度,要讓學(xué)生拓寬自己的思路,使學(xué)生有更大的獨(dú)立思考和自主設(shè)計(jì)空間,把實(shí)驗(yàn)當(dāng)作一種開(kāi)發(fā)過(guò)程來(lái)完成,從而拓寬學(xué)生的知識(shí)面,加深學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)有更深層次的理解。進(jìn)而促進(jìn)嵌入式課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的自我完善與發(fā)展。

    2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新人才培養(yǎng)的方法與手段

    當(dāng)前,提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是時(shí)代的要求,也是提高教學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)。軟件學(xué)院在嵌入式創(chuàng)新人才培養(yǎng)中將通過(guò)深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,創(chuàng)新管理運(yùn)行機(jī)制,建設(shè)滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍,實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備先進(jìn)、資源共享、開(kāi)放管理、全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的實(shí)驗(yàn)室效益,滿足新時(shí)期實(shí)施素質(zhì)教育和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和實(shí)際水平,根據(jù)軟件學(xué)院專(zhuān)業(yè)設(shè)置的特點(diǎn),建立以學(xué)生為中心、學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)安排由簡(jiǎn)單到綜合,由平臺(tái)到應(yīng)用,充分培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原則上1人1組,根據(jù)需要其它部分實(shí)驗(yàn)可2人一組,少數(shù)大型實(shí)驗(yàn)同組人數(shù)可適當(dāng)增加。注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、百折不撓的工作作風(fēng)、相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神、勇于開(kāi)拓的創(chuàng)新意識(shí)[6]。有條件的學(xué)校要積極倡導(dǎo)高年級(jí)學(xué)生參與教師的科研工作,使學(xué)生得到科研方法方面的訓(xùn)練。

    圖2 人才培養(yǎng)層次模式

    實(shí)驗(yàn)教學(xué)融于理論教學(xué),激發(fā)了學(xué)生的求知欲,有助于學(xué)生對(duì)基本概念的理解、基本方法的掌握和基本理論的應(yīng)用,有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、定性分析與定量分析的能力。創(chuàng)新人才培養(yǎng)是指具有綜合能力和突出專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新能力的人才培養(yǎng),基于上述思路,明確了分層次的實(shí)踐教學(xué)人才培養(yǎng)模式,包括人才培養(yǎng)、人才創(chuàng)新培養(yǎng)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)三個(gè)層次,如圖2所示。

    對(duì)應(yīng)于上述層次模式,在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)綜合型實(shí)驗(yàn)、探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然,最底層的應(yīng)該是基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)。為此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中確定了“抓兩頭、促中間”的指導(dǎo)思想,體現(xiàn)了夯實(shí)基礎(chǔ)、拓展創(chuàng)新、推進(jìn)工程系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)的改革思路。一頭抓基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),另一頭重視創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),通過(guò)這兩頭帶動(dòng)和促進(jìn)中間的探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)水平的提高。其基本思路是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)教學(xué),對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的整體布局做出必要的調(diào)整,可將部分成熟的科研轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容下放到探索創(chuàng)新內(nèi)容中,而探索創(chuàng)新內(nèi)容可以適當(dāng)下放到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中。這樣,既達(dá)到提高了整體教學(xué)水平的目標(biāo),而且兼顧了各層次人才培養(yǎng)的實(shí)際需求。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    目前,軟件學(xué)院嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐在繼續(xù)深入,根據(jù)交叉學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)需求,積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理等方面的研究。及時(shí)把科研項(xiàng)目和科研成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí),嵌入式教學(xué)中堅(jiān)持以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式改革為切入點(diǎn),以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo),建立大學(xué)生創(chuàng)新教育的課程體系,完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu),提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力,預(yù)示著作為交叉學(xué)科的嵌入式系統(tǒng)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中有著巨大的發(fā)展空間[7]。

    [1]彭濟(jì)根.交叉應(yīng)用型數(shù)學(xué)優(yōu)秀人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐[J].教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)通訊,2011(12):18-22.

    [2]何立民.嵌入式系統(tǒng)支柱學(xué)科的交叉與融合[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(5):5-8.

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