應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的嵌入式課程改革

王 娜，彭 劍，周月鵬

（韶關(guān)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

嵌入式技術(shù)是智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。是繼硬件時代（80年代：IBM）、軟件時代（90年代：微軟、facebook）、互聯(lián)網(wǎng)（00年代：谷歌、百度）、移動互聯(lián)網(wǎng)（10年代：蘋果、華為）之后，“萬物互聯(lián)、泛在智能”的物聯(lián)網(wǎng)時代正在呼之欲出。截至2021年12月，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已達280億，其中160億與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)，到2025年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能達到500億，將為全球提供無處不在、無所不包、無所不能的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)及應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)正在快速地滲透到各個領(lǐng)域，越來越多的設(shè)備、車輛、終端等納入到信息網(wǎng)絡(luò)之中，使人類加速邁向萬物互聯(lián)、泛在感知的時代。智能學(xué)科的崛起必定帶動新型的嵌入式技術(shù)的發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)熱潮下，從事設(shè)計開發(fā)智能設(shè)備終端的嵌入式計算企業(yè)面臨著全新的機遇，同時有著良好素質(zhì)的嵌入式從業(yè)人員的缺口與日俱增，嵌入式從業(yè)人員面臨著一個空前的歷史機遇。

嵌入式的發(fā)展前景是被普遍認可的，但學(xué)生對嵌入式行業(yè)，并不是特別熱衷，究其原因主要有5點：（1）考研，考公人數(shù)上升；（2）想從事嵌入式開發(fā)的同學(xué)能力不足（高校開設(shè)嵌入式課程理論居多，實踐項目少，學(xué)得比較淺顯）；（3）迷茫的學(xué)生不少，不清楚專業(yè)的就業(yè)方向；（4）各大JAVA相關(guān)公司誤導(dǎo)學(xué)生去學(xué)軟件；（5）部分學(xué)生轉(zhuǎn)行，沒有從事本專業(yè)的工作。

同時，芯片領(lǐng)域被“卡脖子”讓國人重新認識到研發(fā)自主芯片的重要性。為擺脫受限于人的局面，國家迅速制定了一系列芯片發(fā)展規(guī)劃，民營企業(yè)加大投入引進人才、突破技術(shù)。人才培養(yǎng)是國產(chǎn)芯片之路的基石，筆者主要研究以應(yīng)用型創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程改革。嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程是嵌入式方向的核心課程，該課程的培養(yǎng)目標之一是培養(yǎng)學(xué)生對于嵌入式開發(fā)和嵌入式行業(yè)的興趣、提升理論與工程應(yīng)用開發(fā)結(jié)合、理論指導(dǎo)實踐的意識；充分、全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，提高學(xué)生的社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐應(yīng)用能力。

一、存在問題及原因分析

（一）嵌入式課程體系龐大，學(xué)習(xí)難度大

嵌入式技術(shù)是一門應(yīng)用工程技術(shù)，是把用戶需求，各種協(xié)議/標準配合硬件轉(zhuǎn)化成最后產(chǎn)品的工作，其難度和復(fù)雜度都是非常大的。嵌入式系統(tǒng)課程體系既涉及電子電路、ARM處理器體系結(jié)構(gòu)，匯編語言，寄存器、各種接口和總線、模塊電路等底層硬件知識，又涉及U-Boot移植、Linux系統(tǒng)移植、文件系統(tǒng)制作、設(shè)備驅(qū)動等中間層知識，還涉及Linux系統(tǒng)編程、網(wǎng)絡(luò)編程、QT或者Android圖形化界面設(shè)計等應(yīng)用層知識。

（二）嵌入式技術(shù)更新快，沒有權(quán)威教材

嵌入式技術(shù)是應(yīng)用型交叉學(xué)科技術(shù)，嵌入式課程不像數(shù)據(jù)庫、Java等傳統(tǒng)課程那么成熟，教材更是五花八門，有基于ARM9，CortexA8，CortexA9，CortexA7等各種ARM處理器架構(gòu)和開發(fā)平臺的教材，教材內(nèi)容重難點差別大，而目前市場應(yīng)用廣泛的Cortex A53等64位處理器并沒有相應(yīng)教材，導(dǎo)致教師上課被動，備課難度大。學(xué)生對課堂教授知識跟不上新技術(shù)感到不足，臨近畢業(yè)紛紛參加校外相關(guān)嵌入式培訓(xùn)機構(gòu)，費用大，學(xué)習(xí)周期長，使學(xué)生的生活及學(xué)習(xí)都受到影響。

（三）在線學(xué)習(xí)資料龐雜，自學(xué)困難

有學(xué)生自己購買開發(fā)板，跟著網(wǎng)上的視頻課程學(xué)習(xí)，這類學(xué)習(xí)資源龐雜，有正點原子、北京迅為、野火等。這些公司推出了自己的開發(fā)板和學(xué)習(xí)視頻，不但價格昂貴，而且因為知識體系龐雜，課程內(nèi)容太多，學(xué)生在學(xué)習(xí)時缺乏指導(dǎo)和學(xué)習(xí)方法，很可能長時間不得要領(lǐng)，學(xué)習(xí)效率低下，很難堅持下來，導(dǎo)致學(xué)生紛紛吐槽“嵌入式有毒”。

（四）受課時限制，課程教學(xué)沒法展開和深入

嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程48學(xué)時，其中理論課32學(xué)時，實驗課16學(xué)時，較少的課時數(shù)，教師無法系統(tǒng)、深入講解相關(guān)的裸機接口技術(shù)、系統(tǒng)移植和驅(qū)動開發(fā)等知識點。按課程講解的順序展開的計劃授課內(nèi)容依次是：ARM-CortexA8處理器體系結(jié)構(gòu)和S5PV210芯片的接口技術(shù)、匯編指令集，ARM裸機程序開發(fā)，U-boot的工作原理和移植方法，Linux內(nèi)核配置與裁剪，Linux內(nèi)核模塊開發(fā)，字符設(shè)備驅(qū)動程序制作等。這些知識點相輔相成前后關(guān)聯(lián)，但在授課過程中總會因為ARM體系結(jié)構(gòu)和裸機的知識占用課時較多，導(dǎo)致系統(tǒng)移植和驅(qū)動的課程不夠時間講解，只能進行簡單介紹甚至直接跳過。但是嵌入式的目標是做出產(chǎn)品，利用ARM 和Linux系統(tǒng)開發(fā)穩(wěn)定的嵌入式產(chǎn)品；ARM-CortexA系列處理器用來做裸機開發(fā)根本發(fā)揮不了ARM處理器的性能，只有運行了操作系統(tǒng)才能夠充分發(fā)揮ARM 處理器的優(yōu)勢，保證系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。課程后半部分系統(tǒng)移植和驅(qū)動的知識是產(chǎn)品開發(fā)必不可少的技術(shù)，而ARM 本身處理器的知識不需深究。但如果不講清楚，在驅(qū)動編寫時對驅(qū)動接口的理解又不深入只知其然不知其所以然。

相關(guān)嵌入式課程的改革一直在進行中，并取得一定的成效，相關(guān)的研究成果有面向“雙創(chuàng)”教育的嵌入式系統(tǒng)課程改革與實踐［1］、基于產(chǎn)教融合的嵌入式應(yīng)用型課程體系構(gòu)建研究［2］、CDIO理念下《嵌入式系統(tǒng)》工程教學(xué)模式的探索與實踐［3］、基于PBL教學(xué)理念的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與研究［4］與OBE 理念下課程教學(xué)的研究及實踐——嵌入式應(yīng)用開發(fā)為例［5］等，所有研究方法都是旨在提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。筆者認為無論采用何種教學(xué)理念教和學(xué)模式，最終的落腳點都是如何更好地把知識傳授給學(xué)生，使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使其能夠深入自主學(xué)習(xí)。

二、解決措施

（一）縱向?qū)W習(xí)法

嵌入式系統(tǒng)的知識龐雜，且是分層的，其系統(tǒng)軟硬件層次架構(gòu)，見圖1。在實際工作中，嵌入式工程師會根據(jù)具體工作層次，分為嵌入式軟件工程師、嵌入式系統(tǒng)工程師和嵌入式驅(qū)動工程師，但初學(xué)者需要熟悉整個嵌入式開發(fā)流程，能獨立構(gòu)建簡單的嵌入式產(chǎn)品［6］。

圖1 嵌入式Linux 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)層次圖

課程授課不能把每一層的知識面面俱到，可引導(dǎo)學(xué)生利用縱向思維，先把整個知識的框架結(jié)構(gòu)理解掌握，再利用每一層的基本知識構(gòu)建一個簡單的產(chǎn)品模型，即先盡快開發(fā)出產(chǎn)品的雛形，然后再逐步迭代，層層完善，逐漸清晰，一步步走向成熟，開發(fā)出最終產(chǎn)品，此方法即產(chǎn)品開發(fā)方法中的快速原型法［7］。對初學(xué)者采用“快速原型法”的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方法，使其能夠快速掌握嵌入式開發(fā)模型和開發(fā)流程，基于這種開發(fā)方法，筆者提出一種可前后兼顧的課程講授方法——嵌入式基礎(chǔ)框架教學(xué)法［8］。具體措施，見圖2。

圖2 課程授課層次圖

教學(xué)案例：以開發(fā)產(chǎn)品為目標，從最簡單的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)入手，實現(xiàn)遠程和觸摸屏控制LED燈。基于此目標，先學(xué)習(xí)ARM體系結(jié)構(gòu)和ARM指令集，實現(xiàn)匯編和C語言裸機點亮LED燈，然后學(xué)習(xí)Linux字符設(shè)備驅(qū)動，實現(xiàn)LED驅(qū)動開發(fā)，學(xué)習(xí)QT界面開發(fā)，實現(xiàn)界面按鈕控制LED，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程，實現(xiàn)LED數(shù)據(jù)上傳云平臺，最終實現(xiàn)遠程控制。從一個簡單GPIO接口的縱向深入學(xué)習(xí)，沒有橫向展開，開發(fā)出第一個簡單產(chǎn)品，掌握嵌入式開發(fā)的總體框架和流程，先使學(xué)生入門。

（二）兼顧最新技術(shù)選擇合適教材

最新技術(shù)雖然沒有相應(yīng)教材，但嵌入式產(chǎn)品追求的一直是高性能和低功耗，新技術(shù)性能提高的同時功耗也在增大，市場上一直是多平臺并存，教材選用ARM-Cortex A9多核處理器架構(gòu)，與新技術(shù)接近，相對成熟，資料豐富，市場應(yīng)用廣泛，實驗設(shè)備也相應(yīng)更新，學(xué)生實驗課積極性高，興趣濃厚。

（三）采用“快速原型法”開發(fā)技術(shù)，邊做邊學(xué)

從LED簡單項目入手。項目實施中，學(xué)生主動找資料學(xué)習(xí)，自主篩選出項目所需知識進行學(xué)習(xí)，以“快速原型法”開發(fā)項目為驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生對產(chǎn)品進行逐步迭代完善，培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

（四）結(jié)合“快速原型法”產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的框架教學(xué)法

結(jié)合“快速原型法”產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的框架教學(xué)法解決課時不足問題，靠課堂灌輸?shù)闹R畢竟有限，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力才是嵌入式課程教學(xué)的終極目標。

最終課程結(jié)束時，要求學(xué)生提交在LED項目基礎(chǔ)上迭代完成課程大作業(yè)，占學(xué)生總評成績的50%，作業(yè)要求實現(xiàn)功能主要有幾個方面：（1）實時監(jiān)控RFID信號，即門禁卡的信號；（2）將采集的門禁卡信號與數(shù)據(jù)庫進行核對和驗證，驗證通過驅(qū)動繼電器將門打開；（3）將本次操作記錄到數(shù)據(jù)庫，具體實現(xiàn)可以通過無線WIFI模塊上傳給服務(wù)器；（4）在開發(fā)板LCD屏上通過圖形界面進行交互。

分析該案例用到的技術(shù)，RFID模塊通過Linux系統(tǒng)的SPI驅(qū)動進行數(shù)據(jù)讀寫，繼電器的操作是通過GPIO的驅(qū)動實現(xiàn)，頂層對于驅(qū)動的操控利用系統(tǒng)文件IO接口調(diào)用實現(xiàn)。數(shù)據(jù)上報服務(wù)器需要SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程實現(xiàn)。圖形化界面開發(fā)選擇QT，使用C++作為開發(fā)語言［9］。本案例是一個典型的嵌入式產(chǎn)品模型，通過分析讓學(xué)生明白嵌入式產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，所有的嵌入式相關(guān)課程的學(xué)習(xí)圍繞實現(xiàn)此案例中相關(guān)功能，有目標地學(xué)習(xí)，并且將來做課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時，學(xué)生可在此案例基礎(chǔ)上設(shè)計和增加相應(yīng)功能，例如增加手勢識別，語音模塊，GPS模塊、GPRS模塊、攝像頭模塊等，在已經(jīng)做好的基本框架上根據(jù)實際應(yīng)用繼續(xù)創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力。

嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程授課方法采用理論講解，代碼編寫，然后下載到開發(fā)板調(diào)試運行的沉浸式教學(xué)方法，讓學(xué)生馬上看到實際的運行效果，能更直觀深刻理解知識，更好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

嵌入式的基礎(chǔ)框架就是搞清楚什么是bootloader、kernel和文件系統(tǒng)［10］，先進行這 3 部分內(nèi)容的講解，能進行u-boot移植，內(nèi)核裁剪和最小文件系統(tǒng)制作，然后將這幾個文件燒寫到板子上，之后學(xué)習(xí)字符設(shè)備驅(qū)動中簡單的GPIO接口驅(qū)動，完成基礎(chǔ)框架知識學(xué)習(xí)［11］。講授完字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的相關(guān)知識并能正確編寫IO口驅(qū)動控制LED燈，驅(qū)動開發(fā)即已入門，對所做項目進一步迭代完善，完成最終課程大作業(yè)，并將完成情況計入過程考核中，考核學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

這種授課順序保證了產(chǎn)品開發(fā)中重點知識的講授時間，以最簡單產(chǎn)品開發(fā)為出發(fā)點，講解驅(qū)動框架，有利于培養(yǎng)學(xué)生通過操作系統(tǒng)這個抽象軟件開發(fā)產(chǎn)品的能力，這是尤為重要的步驟。前期學(xué)生學(xué)習(xí)的單片機和STM32課程都是裸機開發(fā)，裸機最大的特點是對于程序的每行代碼每個細節(jié)都非常清晰，而直接在操作系統(tǒng)的抽象層開發(fā)會感覺很不踏實。而學(xué)會這種中間抽象層的開發(fā)才符合潮流，是產(chǎn)品發(fā)展和個人發(fā)展必須轉(zhuǎn)變的思路和觀念。最后引導(dǎo)學(xué)生課程結(jié)束之后繼續(xù)深入學(xué)習(xí)驅(qū)動中斷和內(nèi)核時間管理，進一步深入學(xué)習(xí)驅(qū)動知識，并應(yīng)用到案例中，對產(chǎn)品功能進一步完善，不斷迭代，隨著產(chǎn)品的逐漸成熟，根據(jù)新的需求，堅持學(xué)習(xí)所需知識，最終開發(fā)出成熟的產(chǎn)品［12］。

三、實踐運用情況及效果評價

以筆者授課班級為例，課程在開展教學(xué)改革后獲得了學(xué)生的一致認可，課程在線評教評分在4.7分以上，項目案例迭代得到很好地推進。物聯(lián)網(wǎng)學(xué)生基于項目案例進行轉(zhuǎn)化成挑戰(zhàn)杯、廣東省大學(xué)生電子設(shè)計競賽等參賽作品。從2018 級物聯(lián)網(wǎng)工程班開始，嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程實施教學(xué)改革，嵌入式課程改革使學(xué)生對嵌入式課程體系，自身價值和社會定位有了更清楚的認識，學(xué)生更加勇于嘗試、勇于探究、不怕失敗，申請大創(chuàng)項目和參加學(xué)科競賽更加踴躍，2018 級學(xué)生畢業(yè)設(shè)計題目 65%以上都是嵌入式相關(guān)應(yīng)用題目，其中梁海亮同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計“基于嵌入式Linux的老年人居家健康伴侶”被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文。畢業(yè)實習(xí)的崗位基本都是與專業(yè)相關(guān)的技術(shù)崗位，單片機和STM32的學(xué)得好的畢業(yè)生很多，但懂Linux驅(qū)動開發(fā)的畢業(yè)生很少，待遇又高，在薪資待遇和滿意度方面學(xué)生反應(yīng)良好，通過談話了解到同學(xué)們對自己未來，都有很好的規(guī)劃。各方面數(shù)據(jù)顯示進行嵌入式教學(xué)改革，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

為檢驗教學(xué)效果，筆者對任教的5 個班級（2017物聯(lián)網(wǎng)1、2班，2018物聯(lián)網(wǎng)1班和2019物聯(lián)網(wǎng)1、2班）進行從班級課程平均成績、畢業(yè)設(shè)計嵌入式方向人數(shù)、嵌入式方向獲獎和項目立項人數(shù)及職業(yè)規(guī)劃中致力嵌入式和Android方向?qū)W生人數(shù)等4個維度對比傳統(tǒng)教學(xué)和框架教學(xué)兩種教學(xué)模式的結(jié)果，從2019級學(xué)校開始學(xué)分制改革，專業(yè)選修課只有部分學(xué)生選，所以課程合班上課，對比數(shù)據(jù)，見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不同教學(xué)模式評價結(jié)果

對比傳統(tǒng)授課模式，學(xué)生的課程成績明顯提高，說明學(xué)生的上課積極性提高，對于嵌入式方向的畢業(yè)設(shè)計人數(shù)、獲獎和立項人數(shù)和致力于嵌入式和Android底層開發(fā)人數(shù)都有明顯提高，說明框架教學(xué)使學(xué)生清楚嵌入式系統(tǒng)框架，掌握了有效學(xué)習(xí)方法，對嵌入式方向提高了學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新應(yīng)用能力。

2018級物聯(lián)網(wǎng)課程結(jié)束后對其班級學(xué)生進行匿名問卷調(diào)查，以此了解學(xué)生對教學(xué)方法的滿意度。其中有50人填寫調(diào)查問卷，學(xué)生滿意度比較高，教學(xué)質(zhì)量與效果有很大改善，有力證明了教學(xué)改革的有效性，調(diào)查結(jié)果，見表2。

表2 2018級物聯(lián)網(wǎng)工程1班教學(xué)滿意度調(diào)查（n=50）

四、結(jié)語

采用這種基礎(chǔ)框架的講授方法，并根據(jù)“快速原型法”的產(chǎn)品開發(fā)流程，邊學(xué)邊做，使學(xué)生隨著知識和開發(fā)經(jīng)驗的積累，不斷深入學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，以及更深層次的框架知識，這樣相互迭代，使得整體水平得到進一步升華，直到能夠精通嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的目的，并達到我們的最終目的——開發(fā)出目標產(chǎn)品，為企業(yè)和國家培養(yǎng)合格的嵌入式開發(fā)人才。