面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

黃連麗+周奎+周海鷹

摘要：基于嵌入式行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述和分析，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向的課程體系；在教學(xué)方法上結(jié)合CDIO教育模式，面向案例驅(qū)動(dòng)和互聯(lián)網(wǎng)+，提出了創(chuàng)新人才培養(yǎng)的方法和手段，完善了嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)體系，對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮了作用。

關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)；人才培養(yǎng)；教學(xué)方法

G42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是當(dāng)今最為熱門(mén)的領(lǐng)域之一，嵌入式開(kāi)發(fā)從業(yè)人員的需求也與日俱增。為滿足社會(huì)人才需求，很多高校都開(kāi)展了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的建設(shè)與教學(xué)。大多高校只是在現(xiàn)有相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程體系中增加了一兩門(mén)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，但嵌入式系統(tǒng)完整的課程體系沒(méi)有形成，更沒(méi)有確定嵌入式系統(tǒng)人才的培養(yǎng)模式；并且教學(xué)內(nèi)容繁雜，深度不夠，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏目的，失去學(xué)習(xí)積極性。不僅如此，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐性強(qiáng)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，多數(shù)高校受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所以及師資的影響，大多數(shù)是開(kāi)設(shè)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用相差較遠(yuǎn)[1]?；谝陨显颍咝Ｔ谇度胧较到y(tǒng)教學(xué)方面需要提出一系列的改革方案，并加以落實(shí)。

本文嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革以本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)（嵌入式方向）為研究對(duì)象，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向的課程體系；在教學(xué)方法上結(jié)合CDIO教育模式，面向案例驅(qū)動(dòng)和互聯(lián)網(wǎng)+，提出了創(chuàng)新人才培養(yǎng)的方法和手段，完善了嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)體系，對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮了作用。

一、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以上是國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)的定義，從該定義指出了嵌入式系統(tǒng)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

1.軟硬結(jié)合：嵌入式系統(tǒng)是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由軟件和硬件組成，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需要軟硬件協(xié)同，這要求學(xué)生既要具備硬件知識(shí)，還要熟練編程，要從系統(tǒng)的角度去學(xué)習(xí)。

2.面向應(yīng)用：嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，不同的應(yīng)用領(lǐng)域的項(xiàng)目，都存在較大的差異性，嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用出發(fā)，提高學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。

針對(duì)上述嵌入式系統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)，本人結(jié)合自身嵌入式系統(tǒng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，探討面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)（嵌入式方向）的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革。

二、嵌入式系統(tǒng)課程體系改革

1.嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)體系

結(jié)合自身及學(xué)生的特點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中選用ARM Cortex-A8開(kāi)發(fā)板，以該開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的講解，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)體系。將嵌入式系統(tǒng)的課程體系分為以下3個(gè)部分：

（1）專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。開(kāi)始的課程多而雜，容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)沒(méi)有目的、力不從心、學(xué)而無(wú)味的情況產(chǎn)生，因此此類(lèi)課程的開(kāi)設(shè)與教學(xué)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行有機(jī)整合、精心設(shè)計(jì)，一定要考慮到嵌入式系統(tǒng)崗位需求的特點(diǎn)，同時(shí)考慮現(xiàn)有的師資和專(zhuān)業(yè)特色，可以請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行課程論證，保證課程開(kāi)設(shè)的質(zhì)量和科學(xué)性。

（2）專(zhuān)業(yè)核心課。開(kāi)設(shè)的課程主要講授嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、指令集、開(kāi)發(fā)步驟，讓學(xué)生掌握基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的先理論后實(shí)踐的教學(xué)方式，不利于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，會(huì)造成學(xué)生“眼高手低”。我們采用基于項(xiàng)目的理論加實(shí)踐教學(xué)方式，將項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)融入理論教學(xué)，理論與實(shí)踐同時(shí)進(jìn)行。

（3）專(zhuān)業(yè)選修課。這類(lèi)課程主要是服務(wù)于專(zhuān)業(yè)核心課程，對(duì)專(zhuān)業(yè)核心課程進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，輔助學(xué)生找到自己的興趣愛(ài)好點(diǎn)，課程開(kāi)設(shè)的原則是實(shí)用、具體、新穎，最終面向各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域[2]。

2.嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)顯得及其重要，它是理論知識(shí)的驗(yàn)證與升華，也是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)成敗的關(guān)鍵。結(jié)合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)將實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論、綜合、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐能力。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)大綱中的理論進(jìn)行驗(yàn)證，操作內(nèi)容和步驟較具體，并且理論老師和實(shí)驗(yàn)老師同時(shí)指導(dǎo)，使實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成。

綜合實(shí)驗(yàn)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)綜合了嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系，主要是培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、理論實(shí)踐相結(jié)合以及對(duì)知識(shí) 的綜合應(yīng)用能力。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)在前兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)之后，一般采用課程設(shè)計(jì)的教學(xué)形式。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)只有目的和要求，沒(méi)有具體內(nèi)容和步驟，要求學(xué)生自己完成，老師給予一定指導(dǎo)和答疑，驗(yàn)收學(xué)生的完成情況[3]。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容安排應(yīng)隨嵌入式技術(shù)發(fā)展進(jìn)行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上應(yīng)按照：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)，安排上按照每學(xué)年的計(jì)劃，從實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法

嵌入式系統(tǒng)在當(dāng)前創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新環(huán)境中具有重要地位，嵌入式人才培養(yǎng)要比以前更注重創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)，更注重挖掘?qū)W生創(chuàng)新思想，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新靈感。在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異的新常態(tài)下，以前身懷絕技的老師由于長(zhǎng)期在教學(xué)一線，來(lái)不及緊跟業(yè)界動(dòng)態(tài)，逐漸脫離新技術(shù)的發(fā)展?？蒲泻徒虒W(xué)互動(dòng)的良性閉環(huán)尚未成熟，因此，嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)要比以前更注重與業(yè)界的結(jié)合，只有這樣才能培養(yǎng)出符合業(yè)界需要的嵌入式創(chuàng)新人才[4]。

1.基于CDIO理念

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）是構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作四個(gè)單詞英文的縮寫(xiě)，它是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”（Project based education and learning）的集中概括和抽象表達(dá)[5]。嵌入式系統(tǒng)是一門(mén)注重學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程，將課程教學(xué)與CDIO理念相結(jié)合，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

我們依據(jù)CDIO的理念、大綱和標(biāo)準(zhǔn)，商討和制定了以知識(shí)、實(shí)踐和創(chuàng)新培養(yǎng)為目的的培養(yǎng)計(jì)劃[6]。首先，人才培養(yǎng)計(jì)劃不再是以“講授知識(shí)”為主要目的，而是以“知識(shí)為載體，實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)“為目標(biāo)。其次，圍繞創(chuàng)新人才所應(yīng)具備的素質(zhì)——專(zhuān)業(yè)技術(shù)、工程能力和創(chuàng)新意思，以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為導(dǎo)向，以突出學(xué)生個(gè)性為核心，制定了以知識(shí)、實(shí)踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目的的培養(yǎng)方案。最后，根據(jù)學(xué)生的興趣愛(ài)好及特點(diǎn)，進(jìn)行因材施教和分層次培養(yǎng)，突出學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)與CDIO有機(jī)結(jié)合。

2.基于案例驅(qū)動(dòng)

嵌入式教學(xué)方式如采用從局部到全局的方法，會(huì)導(dǎo)致初學(xué)者往往不知為何要學(xué)和學(xué)后有何用處。而從全局需求出發(fā)，逐一講授各項(xiàng)技術(shù)，采用貫穿核心課程學(xué)習(xí)的案例來(lái)驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的過(guò)程中體驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程，使學(xué)與做之間形成良性循環(huán)。

以車(chē)載嵌入式系統(tǒng)為案例，貫穿整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件教學(xué)，結(jié)合汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生熟悉汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方法和流程，最終掌握嵌入式系統(tǒng)在汽車(chē)上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。車(chē)載嵌入式系統(tǒng)硬件主要介紹ECU相關(guān)的硬件知識(shí)；軟件介紹常用車(chē)載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹汽車(chē)嵌入式系統(tǒng)的軟件構(gòu)成；車(chē)載網(wǎng)絡(luò)介紹通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念，重點(diǎn)介紹CAN和LIN總線的基本應(yīng)用；開(kāi)發(fā)方法和流程講解基于MBD和V模式的開(kāi)發(fā)方法，介紹主流的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和建模工具。

3.基于互聯(lián)網(wǎng)+

“互聯(lián)網(wǎng)+”是李克強(qiáng)總理在十二屆全國(guó)人大三次會(huì)議上第一次提出。所謂“互聯(lián)網(wǎng)+”，是指以互聯(lián)網(wǎng)為主的新一代信息技術(shù)（包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等）在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活各部門(mén)的擴(kuò)散、應(yīng)用與深度融合的過(guò)程，這將對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生巨大、深遠(yuǎn)而廣泛的影響[7]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”不是什么新技術(shù)，而是現(xiàn)有技術(shù)的換代升級(jí)。“互聯(lián)網(wǎng)+”與嵌入式系統(tǒng)有密切聯(lián)系，但還未很好融合，如何將“互聯(lián)網(wǎng)+”的信息技術(shù)融合到嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中去，是我們研究的難點(diǎn)。在專(zhuān)業(yè)選修課設(shè)置上，課程要與“互聯(lián)網(wǎng)+”信息技術(shù)相結(jié)合，如開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)概述、手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)以及大數(shù)據(jù)概述等課程，擴(kuò)展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”綜合性人才需求。

四、結(jié)束語(yǔ)

目前，針對(duì)本學(xué)院計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革正在深入進(jìn)行，根據(jù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，積極開(kāi)展師資隊(duì)伍建設(shè)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程體系和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行全方位的構(gòu)思與設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中堅(jiān)持以創(chuàng)新人才培養(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[8]。

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