增設(shè)Capstone頂石課程的嵌入式系統(tǒng)課程體系改革與探索

裴雪丹 王利利 鄢永明 薛竣文

【摘要】目前，嵌入式系統(tǒng)已為現(xiàn)今電子科技產(chǎn)品其內(nèi)部控制器的主流，特別是針對(duì)低功耗、高效能、有網(wǎng)絡(luò)需求的便攜式電子產(chǎn)品而言，嵌入式系統(tǒng)更是最佳解決之道。然而，由于嵌入式系統(tǒng)涉及領(lǐng)域較多，如果課程設(shè)置和教學(xué)方法不得當(dāng)，就會(huì)影響學(xué)生的掌握程度和實(shí)操水平。本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程體系的改革和Capstone頂石課程的設(shè)置進(jìn)行深入的探討和研究，以促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力的提高。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) ?Capstone頂石課程 ?課程體系改革

【中圖分類號(hào)】G212 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）16-0031-02

引言

隨著當(dāng)今電子、工控、軟件以及通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用人才成為目前最急需的專業(yè)人才之一，很多應(yīng)用型高校為了適應(yīng)社會(huì)需求，開(kāi)設(shè)了嵌入式課程教學(xué)。但是大部分高校只開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)與專業(yè)相關(guān)的一、兩門課程，有的甚至沒(méi)有設(shè)置前導(dǎo)課程，直接進(jìn)入嵌入式理論課程。這樣的課程設(shè)置，不但沒(méi)有形成有效的人才培養(yǎng)模式，在一定程度上還影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生產(chǎn)生困惑。因此，構(gòu)建合理的嵌入式系統(tǒng)課程體系成為亟待解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)企業(yè)需求、嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)特點(diǎn)、高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的深入研究，將嵌入式系統(tǒng)的課程體系分為理論課程體系和實(shí)踐課程體系進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃。

一、理論課程體系建設(shè)

將理論課程體系分為核心類課程和選修類課程，分別進(jìn)行設(shè)置。

1.嵌入式系統(tǒng)核心類課程的設(shè)置。

如嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用，該課程主要教授學(xué)生掌握微控制器的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)流程，掌握上層應(yīng)用程序編寫、arm 嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)配置、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等。

嵌入式系統(tǒng)專業(yè)核心類課程的教學(xué)方式是按照課程大綱的安排，結(jié)合教材的章節(jié)內(nèi)容，在學(xué)期的前段進(jìn)行理論教學(xué)，在學(xué)期后段按照教學(xué)計(jì)劃安排實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。

2.嵌入式系統(tǒng)選修類課程的設(shè)置。

如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高級(jí)編程語(yǔ)言（JAVA）、基于安卓系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)等，這類課程主要是為嵌入式系統(tǒng)專業(yè)核心類課程服務(wù)，對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的全面提升起到輔助作用。

因此，專業(yè)選修類課程的開(kāi)設(shè)必須本著“針對(duì)性、實(shí)用性、有效性、補(bǔ)充性”的原則，為提高教學(xué)質(zhì)量和用人單位滿意度提供保障。

二、實(shí)踐課程體系建設(shè)

將實(shí)踐課程體系分為核心實(shí)踐類課程和Capstone頂石課程，分別進(jìn)行設(shè)置。

1.嵌入式系統(tǒng)核心實(shí)踐類課程的設(shè)置。

嵌入式系統(tǒng)課程體系具有涉及領(lǐng)域廣、專業(yè)綜合性強(qiáng)的鮮明特點(diǎn)。為了培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，教學(xué)的重點(diǎn)要放在以實(shí)踐充實(shí)理論、證明理論，加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)等方面。

所以，我們將嵌入式系統(tǒng)核心實(shí)踐類課程分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)二部分。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)老師的指導(dǎo)，按著指定的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，便于對(duì)理論知識(shí)形成更深層次的理解。課程設(shè)計(jì)根據(jù)具體專業(yè)的需求，用一到兩周的時(shí)間，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)，并結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行綜合性課程實(shí)踐或設(shè)計(jì)。

2.Capstone頂石課程的設(shè)置。

為了培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)交流、國(guó)際視野和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的能力和職業(yè)規(guī)范，2017年，我校的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)申請(qǐng)參加臺(tái)灣地區(qū)“中華工程教育學(xué)會(huì)”（Institute of Engineering Education Taiwan，簡(jiǎn)稱IEET）的工程及科技教育認(rèn)證（EAC2010），該認(rèn)證范圍對(duì)應(yīng)的是華盛頓協(xié)定（Washington Accord），以培養(yǎng)專業(yè)工程師為目的，協(xié)助學(xué)校及專業(yè)提升教育內(nèi)涵建設(shè)及教育質(zhì)量，增加競(jìng)爭(zhēng)力。

IEET工程教育認(rèn)證最重要的一項(xiàng)考核指標(biāo)就是capstone course，顧名思義，就是“頂石課程”。這個(gè)課程一般開(kāi)設(shè)在實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)中，是一門讓學(xué)生整合所學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，并充分利用這些知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，同時(shí)培養(yǎng)相關(guān)技能和態(tài)度的課程。

頂石課程主要針對(duì)高年級(jí)學(xué)生，特別是為臨近畢業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門綜合性課程。該課程主要有兩個(gè)特點(diǎn)：①為學(xué)生提供整合已學(xué)習(xí)到的知識(shí)，并掌握技能和職業(yè)態(tài)度的機(jī)會(huì);②為學(xué)生進(jìn)入真正的職場(chǎng)做準(zhǔn)備，即通過(guò)要求學(xué)生完成一些應(yīng)用性的項(xiàng)目，如：短期實(shí)習(xí)、實(shí)戰(zhàn)練習(xí)等，為學(xué)生提供參與“實(shí)戰(zhàn)演練”的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生把此前所學(xué)知識(shí)和技能應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生進(jìn)入職場(chǎng)做好鋪墊。

三、改革方案實(shí)施

嵌入式系統(tǒng)課程體系結(jié)合了嵌入式硬件與操作系統(tǒng)軟件的發(fā)展概念，為使學(xué)生能由淺入深，并有系統(tǒng)的學(xué)習(xí);在原有《嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用》課程體系的架構(gòu)下，提出了一套可執(zhí)行的改革方案。

首先，將嵌入式系統(tǒng)分為三個(gè)層次：底層是嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備和相關(guān)的軟件驅(qū)動(dòng)程序;中間層是各種操作系統(tǒng)，例如uc/os實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、linux操作系統(tǒng)、Android系統(tǒng)、ISO操作系統(tǒng)等;上層是基于不同操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件包。其次，針對(duì)這三個(gè)層次，將嵌入式系統(tǒng)課程體系改革的內(nèi)容分為三個(gè)階段。

1.針對(duì)嵌入式系統(tǒng)底層和基礎(chǔ)的內(nèi)容，如微控制器的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件設(shè)備、基于C或匯編的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等，課程內(nèi)容著重于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件基本架構(gòu)和基礎(chǔ)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，介紹最新的ARM系統(tǒng)微處理器技術(shù)，通過(guò)緊密結(jié)合嵌入式基礎(chǔ)和現(xiàn)代最新技術(shù)，使學(xué)生打好嵌入式硬件設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。此階段的理論內(nèi)容大部分安排在嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用課程中講授，實(shí)踐內(nèi)容部分由嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)完成。要求強(qiáng)化升級(jí)至32位的ARM Cortex-M4，以迎合企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)需求，并結(jié)合實(shí)務(wù)的訓(xùn)練，以奠定嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

2.針對(duì)嵌入式系統(tǒng)選修類課程的內(nèi)容，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高級(jí)編程語(yǔ)言（JAVA）、基于安卓系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)等，課程內(nèi)容主要是為嵌入式系統(tǒng)專業(yè)核心類課程服務(wù)，對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的全面提升起到輔助作用。因此，專業(yè)選修類課程的開(kāi)設(shè)必須為專業(yè)核心類課程的高質(zhì)量教學(xué)提供有效的補(bǔ)充。

3.設(shè)置Capstone實(shí)訓(xùn)課程。在吸取傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行教學(xué)方式改革，采用“教師指導(dǎo)—學(xué)生分組—項(xiàng)目開(kāi)發(fā)”的集中實(shí)踐教學(xué)模式。讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以3—5人為一個(gè)項(xiàng)目小組，模仿企業(yè)工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的完整流程，針對(duì)Cortex-M4和Cortex-A53+雙平臺(tái)雙系統(tǒng)，對(duì)業(yè)界廣泛使用的嵌入式技術(shù)進(jìn)行全面深入的學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)踐;使學(xué)生可以在電視機(jī)機(jī)頂盒、多媒體廣告機(jī)、平板電腦、手持移動(dòng)終端、通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、流媒體服務(wù)器、四軸飛行器、車載導(dǎo)航、車輛行駛記錄儀、智能機(jī)器人、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等行業(yè)大顯身手。使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)際操作對(duì)本行業(yè)嵌入式技術(shù)有了深刻的理解和掌握。

四、結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)課程由嵌入式硬件和軟件兩部分組成，課程體系設(shè)置的目的是培養(yǎng)軟、硬件相結(jié)合的復(fù)合型人才，引入Capstone實(shí)訓(xùn)課程，以行業(yè)內(nèi)某個(gè)具體應(yīng)用為項(xiàng)目任務(wù)，制定項(xiàng)目計(jì)劃，各小組成員分工協(xié)作、按時(shí)提交進(jìn)程報(bào)告，教師將課程的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)融合在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)全過(guò)程中，學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)課程知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，也熟悉了嵌入式系統(tǒng)行業(yè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，有效地提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭華，張小軍，張德學(xué).嵌入式教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇.2016（27）.

[2]吳銀琴，陳錕.電子類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].計(jì)算機(jī)教育.2015（09）.

[3]周金和.電子信息工程專業(yè)嵌入式教學(xué)改革嘗試[J].計(jì)算機(jī)教育.2007（12）.