新工科背景下“嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)模式改革

張廣宇

桂林信息科技學(xué)院 廣西桂林 541004

1 概述

新經(jīng)濟(jì)背景下，信息技術(shù)得到了空前的發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)為以高新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向、各產(chǎn)業(yè)向高新信息產(chǎn)業(yè)靠攏的發(fā)展趨勢。我國高校，旨在為社會(huì)培養(yǎng)輸送人才，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新經(jīng)濟(jì)的背景下，誕生出新工科。“嵌入式操作系統(tǒng)”課程作為信息類及機(jī)電類專業(yè)的核心課程備受矚目，如何做好“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)工作，為相關(guān)學(xué)科提供引領(lǐng)性課程改革方案，為國家培育符合新工科標(biāo)準(zhǔn)的綜合型工程人才，引領(lǐng)我國高新科技產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步革新，是當(dāng)前背景下高校課程改革的重要內(nèi)容。

“嵌入式操作系統(tǒng)”課程是當(dāng)前高新科技的技術(shù)基礎(chǔ)，“嵌入式操作系統(tǒng)”所傳授的理論體系與實(shí)踐技術(shù)，對于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)起著不可替代的支撐作用。嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于我國各個(gè)產(chǎn)業(yè)，對于我國高新信息技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大幫助?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”作為計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及機(jī)電類專業(yè)的核心課程，其知識(shí)體系龐大，實(shí)踐性強(qiáng)，對于教學(xué)質(zhì)量有著較高要求。在新工科背景下，針對“嵌入式操作系統(tǒng)”課程，探討其教學(xué)模式的改革，優(yōu)化教學(xué)策略與教學(xué)手段、拓展教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)一步貼合實(shí)際、增強(qiáng)學(xué)生對于專業(yè)知識(shí)及專業(yè)技能的把控程度，對我國高校的信息類課程有著重要的示范作用，同時(shí)在“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)模式改革的過程中，也能很好地幫助高校在新經(jīng)濟(jì)形勢下，培養(yǎng)輸送高質(zhì)量人才。

2 “嵌入式操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容及教學(xué)要求

2.1 教學(xué)內(nèi)容

“嵌入式操作系統(tǒng)”是一種實(shí)用性極強(qiáng)的系統(tǒng)軟件，其個(gè)性化突出，軟件和硬件結(jié)合緊密，在各種信息產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。完整的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容主要包括三個(gè)方面：

2.1.1 嵌入式硬件電路

嵌入式操作系統(tǒng)的硬件與軟件關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，因此要充分理解嵌入式操作系統(tǒng)中硬件電路的各個(gè)部分及連接方式，以便于從原理出發(fā)，更好地掌握嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。在“嵌入式操作系統(tǒng)”課程中，嵌入式硬件電路部分主要包括最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接口線路設(shè)計(jì)三方面內(nèi)容。

2.1.2 處理器編程結(jié)構(gòu)與軟件

處理器的編程結(jié)構(gòu)質(zhì)量決定著編譯效率和指令的執(zhí)行速度，對于整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的工作性能起著重要影響。嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式軟件密不可分，嵌入式軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支撐軟件三大類。嵌入式軟件必須安全可靠，并具備故障檢測與修復(fù)功能，才能更好地保障嵌入式操作系統(tǒng)安全。在“嵌入式操作系統(tǒng)”課程中，處理器編程結(jié)構(gòu)與軟件部分包括：處理器編程結(jié)構(gòu)、異常處理機(jī)制、匯編指令集、匯編語言程序設(shè)計(jì)、接口應(yīng)用程序開發(fā)等部分。

2.1.3 嵌入式操作系統(tǒng)

“嵌入式操作系統(tǒng)”是課程內(nèi)容的核心，這一部分主要闡述了嵌入式操作系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)理論知識(shí)，包括BootLoader、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、嵌入式GUI和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等部分。

2.2 教學(xué)要求

從“嵌入式操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容來看，嵌入式操作系統(tǒng)涉及教學(xué)內(nèi)容極其廣泛，其專業(yè)性和操作性極強(qiáng)。對于機(jī)電類專業(yè)來說，“嵌入式操作系統(tǒng)”課程，要求培養(yǎng)嵌入式人才，更需要注重嵌入式設(shè)計(jì)，需要加強(qiáng)實(shí)踐學(xué)習(xí)，以幫助學(xué)生培養(yǎng)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)能力。而對于信息類專業(yè)來說，“嵌入式操作系統(tǒng)”課程更注重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)操作能力，應(yīng)融合理論知識(shí)、應(yīng)用方法、工程技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等綜合內(nèi)容。在新工科背景下，“嵌入式操作系統(tǒng)”課程要側(cè)重于培養(yǎng)在工程領(lǐng)域具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、分析、驗(yàn)證、評測能力的工程技術(shù)人才，不僅在嵌入式領(lǐng)域深入學(xué)習(xí)，更要在其他高新信息領(lǐng)域拓展，進(jìn)行學(xué)科交叉與創(chuàng)新，真正培育出多元型、綜合型工程技術(shù)人才。

3 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的問題

嵌入式系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)飛速發(fā)展、市場迅猛擴(kuò)大是在近二十年完成的，雖然嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念及理論早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)誕生，但由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還未普及，發(fā)展速度緩慢。從嵌入式系統(tǒng)的理論發(fā)展及應(yīng)用推廣進(jìn)程來看，我國“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)也不過數(shù)十年，而在過去的幾十年中，高新科技的研究發(fā)展還未升溫，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)模式及教學(xué)理念與現(xiàn)今的新工科背景存在較大出入，已不適應(yīng)當(dāng)今的教學(xué)模式與教學(xué)理念。結(jié)合我國各高?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”及相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀來看，當(dāng)前我國嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)主要存在以下問題：

3.1 教學(xué)內(nèi)容不全面

新工科背景下，“嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)作為機(jī)電類及電子信息類專業(yè)的核心課程，要求學(xué)生充分掌握嵌入式操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用及設(shè)計(jì)，其教學(xué)內(nèi)容應(yīng)覆蓋嵌入式操作系統(tǒng)軟硬件各部分組成、處理器及軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)及原理等理論知識(shí)，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)、硬件組成等工程實(shí)踐性技能。而部分高校對于教學(xué)內(nèi)容及教材沒有做到合理配置，有些偏重硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序開發(fā)，而有些又只注重嵌入式操作系統(tǒng)理論知識(shí)，無法做到理論與實(shí)踐相結(jié)合以及課程知識(shí)內(nèi)容的完整性。

我校所開設(shè)的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的主要內(nèi)容主要包括：

(1)嵌入式操作系統(tǒng)概述。

(2)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、進(jìn)程管理。

(3)Linux入門、VI使用、Shell編程。

(4)嵌入式C語言、GCC、Makefile、文件操作、信號、Linux網(wǎng)絡(luò)編程。

(5)嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建、uboot移植，內(nèi)核移植裁剪，文件系統(tǒng)的制作。

(6)驅(qū)動(dòng)開發(fā)(GPIO、串口、觸摸屏、顯示屏、驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)的中斷)。

(7)嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)。

可以看到所涉及的教學(xué)內(nèi)容只有七部分，對應(yīng)的課時(shí)也受到相應(yīng)限制，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容缺乏嵌入式硬件電路及處理器編程結(jié)構(gòu)內(nèi)容，對于學(xué)生真正掌握“嵌入式操作系統(tǒng)”極其不利。此外，教學(xué)內(nèi)容所涉及的實(shí)踐項(xiàng)目較少，無法與當(dāng)前階段人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來，不利于教學(xué)內(nèi)容的延展與深入。

3.2 實(shí)踐教學(xué)不過關(guān)

當(dāng)前階段我國“嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容過于單一，其評判標(biāo)準(zhǔn)也只浮于表象，無法真正考查學(xué)生對于專業(yè)知識(shí)的掌握程度。

首先，嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)與理論教學(xué)具備同等地位。實(shí)踐教學(xué)部分與理論教學(xué)進(jìn)度應(yīng)契合互補(bǔ)，以幫助學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)的過程中及時(shí)復(fù)習(xí)與鞏固相關(guān)理論知識(shí)，而不能將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)割裂開來。部分高校只注重理論教學(xué)，教師僅對教材進(jìn)行講解，而實(shí)踐部分交由學(xué)生自我發(fā)揮，完全不注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)與考察，從而導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的課程學(xué)習(xí)，只是了解了幾個(gè)概念，距離真正全面地掌握課程知識(shí)體系搭建相距甚遠(yuǎn)。

大部分高校在實(shí)踐教學(xué)往往采用非定制的嵌入式開發(fā)板或?qū)Ｓ脤?shí)驗(yàn)箱。其具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：嵌入式微處理器+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式微處理器+嵌入式Linux/Android兩類，這兩類內(nèi)容只能覆蓋“嵌入式操作系統(tǒng)”知識(shí)體系的部分內(nèi)容。

其次，由于缺乏對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與配置，自然也無法有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

最后，大部分高校對于“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的實(shí)踐教學(xué)考核極其不夠重視，實(shí)踐教學(xué)部分課程課時(shí)安排占比普遍偏少，其考核模式也是通過簡單的“布置項(xiàng)目—檢驗(yàn)成果—給予分?jǐn)?shù)”的方式進(jìn)行，缺乏答辯與成果展示，無法真正考查學(xué)生的項(xiàng)目完成情況。

3.3 教學(xué)模式單一

“嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)在當(dāng)前各高校的授課中，仍然采用了傳統(tǒng)工科的教學(xué)方法，以課堂教授為主，往往采用教師“一言堂”的形式開展。在這種模式下，學(xué)生能夠很好地掌握課程所規(guī)定的理論知識(shí)，也能夠解決各類理論題型，但對于實(shí)際工程項(xiàng)目中嵌入式操作系統(tǒng)的理解和應(yīng)用較少，無法培養(yǎng)學(xué)生成為綜合型工程人才。

此外，這種教學(xué)模式難以突出新工科背景下的教學(xué)需求，從而導(dǎo)致學(xué)生對于課程的要求與標(biāo)準(zhǔn)理解偏差，對于專業(yè)的定位不清晰，不利于學(xué)生從事相關(guān)工作以及對“嵌入式操作系統(tǒng)”和衍生的前沿知識(shí)進(jìn)行探索與學(xué)習(xí)。

4 “嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)模式的改革措施

為了響應(yīng)新工科背景下，高校培養(yǎng)人才的新標(biāo)準(zhǔn)與新要求，以“嵌入式操作系統(tǒng)”課程為例，結(jié)合我國各高校當(dāng)前教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容，提出以下教學(xué)模式改革措施：

4.1 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)比重，完善教學(xué)設(shè)備

當(dāng)前階段，我國各高校普遍存在“嵌入式操作系統(tǒng)”課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容較少等問題，究其原因在于，學(xué)校在設(shè)置課程時(shí)對于“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的實(shí)踐部分不夠重視，或是相應(yīng)的配套實(shí)踐設(shè)備或教師資源不足所造成的。因此，為了從根本上解決這類問題，學(xué)?？梢酝ㄟ^豐富教學(xué)方式解放教學(xué)資源，通過線上、線下雙結(jié)合的形式，減輕教師理論知識(shí)教學(xué)部分壓力，進(jìn)一步增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)場地短缺的院校，可以充分考慮企業(yè)資源，聯(lián)系當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)，提供實(shí)際項(xiàng)目支持學(xué)校與企業(yè)之間的合作，不僅能充分幫助學(xué)生了解到嵌入式操作系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，也能加強(qiáng)學(xué)校與企業(yè)之間的合作，將高校研究成果真正應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)業(yè)，從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

結(jié)合我校案例，我校現(xiàn)采用嵌入式平臺(tái)為Samsung Cortex-A9 S5p4418開發(fā)板，操作系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux。該開發(fā)板，偏重于系統(tǒng)型應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均圍繞“嵌入式操作系統(tǒng)”展開，而沒有預(yù)留接口實(shí)驗(yàn)，缺乏對硬件電路連接和接口程序設(shè)計(jì)的支持。后續(xù)，我校考慮增加Cortex-M系列偏重控制型應(yīng)用，通過兩種開發(fā)板的對比，幫助學(xué)生更好理解嵌入式操作系統(tǒng)的整體性，通過對比兩種平臺(tái)，在增加實(shí)踐內(nèi)容的同時(shí)，也能更好幫助學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)。

此外，我?？紤]搭建虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，為學(xué)生和教師提供一種自主式、開放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的加入，能夠很好地增加課程的實(shí)踐內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的可行性。

4.2 豐富教學(xué)模式

新工科背景下，要求學(xué)生具備創(chuàng)新性意識(shí)與較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力。目前，我國“嵌入式操作系統(tǒng)”教學(xué)模式單一，教學(xué)內(nèi)容不夠全面，在這種條件下，急需教師與教研組探討新的教學(xué)模式，加入更加豐富、新穎的教學(xué)內(nèi)容，以幫助學(xué)生從多個(gè)角度理解專業(yè)知識(shí)，從而激勵(lì)學(xué)生自我思考、自我探究學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

當(dāng)前的教學(xué)模式，依然延續(xù)傳統(tǒng)工科教學(xué)，由理論知識(shí)傳授+日常作業(yè)+期末試題考核三個(gè)部分形成的教學(xué)模式。這種教學(xué)模式對于真正的實(shí)踐工程的應(yīng)用和學(xué)科交叉與學(xué)科前沿知識(shí)的探索作用不大，難以滿足新工科背景的教學(xué)要求。

針對我國高校教學(xué)現(xiàn)狀，首先，可以考慮采用“小組制”與“項(xiàng)目制”的教學(xué)方式，課程知識(shí)傳授作為貫穿整個(gè)學(xué)期的輔助工具，幫助學(xué)生打好理論基礎(chǔ)。教學(xué)成果側(cè)重于各個(gè)小組之間的合作項(xiàng)目，以及對實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的完成情況。其次，教師可以增加教學(xué)助理，通過助理達(dá)成與各個(gè)小組之間的緊密聯(lián)系，及時(shí)為各個(gè)小組解答困難，并監(jiān)督各個(gè)小組按時(shí)完成工作。通過小組交流溝通以及導(dǎo)師制度，給予教師與學(xué)生更多自由，加入更多合作與自學(xué)的部分，從而激發(fā)學(xué)生的興趣。最后，由學(xué)生小組合作完成的項(xiàng)目可以交由老師評定，并在相關(guān)企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目合作交流，進(jìn)一步對優(yōu)秀項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)意優(yōu)化，與企業(yè)聯(lián)動(dòng)能更好地激發(fā)各個(gè)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

4.3 拓展教學(xué)內(nèi)容，形成學(xué)科交叉

為了更好地完成在新工科背景下的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)，學(xué)部教研組可以考慮延長課程學(xué)時(shí)，增加課程內(nèi)容。

通過幾門課程的融合或優(yōu)化，將“嵌入式操作系統(tǒng)”的教學(xué)內(nèi)容拓寬，并與其他專業(yè)課程積極響應(yīng)起來。通過延長學(xué)時(shí)，幫助學(xué)生充分理解專業(yè)知識(shí)，在教材中加入更多高新科技產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的眼界，引領(lǐng)學(xué)生積極探索前沿信息技術(shù)領(lǐng)域，從而引導(dǎo)學(xué)生走向科研道路，為我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

首先，教學(xué)體系要完整，部分高校對于“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了過度的側(cè)重，使教學(xué)內(nèi)容不全面，知識(shí)體系搭建不完善，導(dǎo)致學(xué)生對專業(yè)知識(shí)理解偏差。

其次，教學(xué)案例要新穎。對于一些老舊的教材，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行內(nèi)容豐富與優(yōu)化，教材應(yīng)結(jié)合我國前沿產(chǎn)業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目，從而進(jìn)一步幫助學(xué)生理解新經(jīng)濟(jì)形式下我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

最后，要適度進(jìn)行學(xué)科交叉?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”課程作為各信息類專業(yè)與機(jī)電類專業(yè)的核心課程，其應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域深厚，學(xué)院可以充分考慮各個(gè)專業(yè)的課程設(shè)置背景，考究相應(yīng)的學(xué)科交叉與融合部分，以幫助學(xué)生更好地加深對于“嵌入式操作系統(tǒng)”課程專業(yè)知識(shí)的多元理解。

結(jié)語

新工科背景下，我國社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對于高校的工科人才培養(yǎng)有了更高的要求，“嵌入式操作系統(tǒng)”課程作為當(dāng)前高新技術(shù)的基礎(chǔ)性理論知識(shí)，急需進(jìn)行教學(xué)模式改革，脫離傳統(tǒng)工科的教學(xué)模式，以滿足新工科背景下工程人才培養(yǎng)要求。針對當(dāng)前我國高校對于該課程的教學(xué)現(xiàn)狀，各高校應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)比重，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，豐富教學(xué)模式，拓展教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，形成學(xué)科交叉，為社會(huì)輸送一批卓越型工程人才，以引導(dǎo)和推動(dòng)我國工科產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)前沿產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。