面向应用型嵌入式人才培养的课程体系设计

摘要：课程体系设计是否合理直接关系到专业培养目标能否真正实现。本文在认真分析应用型嵌入式人才知识、能力、素质结构的基础上，以“知识―能力―素质”为主线，构建符合嵌入式应用开发人才能力晋级阶梯的课程体系以及以“一体化、多层次、分阶段”为特征的实践教学体系。

关键词：应用型嵌入式人才；能力晋级阶梯；课程体系

1研究背景

嵌入式系统是以微控制器为核心，嵌入到产品或设备中，以实现功能的数字化和智能化的系统。它既是相关产品设备的智能核心，也是这些产品设备实现创新和增值的关键。嵌入式系统的应用十分广泛，覆盖了消费类电子、智能家电、工业控制、通讯网络、仪器仪表、汽车电子等多个领域。与此同时，社会对嵌入式人才的需求越来越旺盛，对嵌入式专业人才的知识、能力和素质提出了更高的要求[1-4]。

为了适应市场需求，不少高校近年在IT类专业中开设了嵌入式系统相关课程或设置了嵌入式专业方向，但大多只是在传统的IT类课程基础上增设一些嵌入式课程，并没有形成比较完整的课程体系。如果从嵌入式应用开发人才培养角度来看，可以说开设了很多与现实脱节、与嵌入式应用开发能力培养无关的课程，培养的学生在专业技能、实践能力、创新意识等方面都不能满足用人单位的要求[2-4]。因此，如何适应形势的变化和发展，提高嵌入式专业人才的培养水平，培养社会需要的高素质应用型嵌入式人才，是一个亟待研究的课题。

为了拓宽计算机专业学生的就业面，提升学生的就业能力和就业质量，从2002年开始，电子科技大学中山学院建设了嵌入式系统实验室，并以选修课形式开设了嵌入式系统概论课程。从2006年开始，为了适应中山市及珠三角电子信息产业的特点，我们将计算机科学与技术专业定位为嵌入式系统及其应用方向，确定本专业方向的培养目标是培养具备计算机工程技术领域的基本理论、基本知识和基本技能，扎实掌握嵌入式系统基础理论、开发方法和工具环境，接受嵌入式系统应用开发严格训练的高素质应用型人才。通过几年的探索和实践，我们逐步明晰应用型嵌入式人才的知识、能力和素质要求，梳理嵌入式专业学生应当掌握的专业知识单元、基本技能、核心能力，并在此基础上构建了比较符合应用型嵌入式人才培养规律的课程体系和实践教学体系。

2应用型嵌入式人才内涵和培养目标

嵌入式系统有两个很显著的特点，一是面向应用，嵌入式系统是通过嵌入到具体的产品中提升产品性能，降低产品成本的；二是软硬件结合，可以说任何嵌入式系统都是软硬件协同设计的结果[5]。这就在知识、能力、素质等方面对应用型嵌入式人才提出了特别的内涵要求。

在知识结构方面，除了通识教育所涉及的公共基础知识、人文社科和经济管理知识外，应用型嵌入式人才还必须具备比较扎实的计算机软硬件基础知识和比较系统的嵌入式系统专业知识，具备一定的行业领域知识。

对于应用型嵌入式人才，能力结构涉及核心能力和专业能力两个方面。核心能力包括获取知识的能力，即具有较强的自学能力及获取嵌入式相关专业知识的能力；应用知识的能力，即具有运用所学知识分析和解决嵌入式应用领域实际问题的能力；工程实践能力，即具有较强的软硬件设计、调试能力及嵌入式系统运行维护能力；团队协作能力，即具有较强的沟通能力和合作意识；技术创新能力，即具有一定的创新意识和产品开发能力。专业能力包括专业基本技能，即学生应具备较强的程序设计能力、硬件制作和调试能力以及软硬件工具平台应用能力；应用开发能力，即学生应初步具备嵌入式项目开发能力和解决关键技术问题的能力。

素质结构涉及品德、人文、身心、专业四个方面。首先企业用人品德为先，因此学校培养的学生必须具有良好的思想品德和职业道德；其次应具有较好的语言、文字表达能力；第三应当身心健康，具有一定抗挫折能力；最后，学生须具有扎实的专业基础知识和工程意识、分析问题和解决问题的能力。

基于对应用型嵌入式人才知识、能力、素质内涵的分析，我们确定嵌入式人才专业方向的培养目标是以市场需求为导向，以应用开发能力培养为中心，以“知识―能力―素质”为主线，培养具有扎实的计算机专业基础，具有嵌入式专业核心能力和专业能力，“上手快，能实战，后劲足”的高素质应用型嵌入式人才。

3课程体系设计的基本原则

课程体系设计是否合理，直接关系到专业培养目标能否真正实现。课程体系设计不只是简单考虑开设哪些课程，还应该重点关注课程的授课内容和教学模式，处理好课程板块之间、共性要求与个性发展之间的关系，实现课程与课程之间、课程板块与和课程板块之间、理论与实践之间的有机衔接，为学生的能力进阶提供一个合理的学习路径[1,6]。我们在设计课程体系时遵循了如下几个原则：

1) 适当保持计算机专业特色，从“系统”出发，在强调嵌入式软硬件协同设计的同时，适当侧重于嵌入式软件开发。

国内许多高校在计算机科学与技术、电子工程、自动化等专业开设了嵌入式相关的专业方向，由于各专业培养目标、教学体系侧重点不同，他们的课程体系和教学内容也不尽相同。电子工程专业主要侧重嵌入式硬件设计，自动化专业侧重自动控制、智能仪器仪表的设计，计算机专业则应从“系统”的角度出发，更侧重软/硬件的协同工作，将计算机核心课程和嵌入式专业方向课程有机地整合起来，形成一条清晰的逻辑主线。

电子科技大学中山学院在计算机科学与技术专业中设置了嵌入式专业方向。所以，我们是在保留计算机专业核心课程的基础上，针对嵌入式特点，通过对相关课程进行内容整合和更新，适当强化相关硬件课程，引入嵌入式相关课程来构建嵌入式专业方向的课程体系。

2) 以“知识―能力―素质”为主线，构建符合嵌入式系统应用开发能力晋级阶梯的课程体系。

课程体系是专业培养方案的核心，我们将以学科体系为导向的课程设置转变为以能力培养为主线的课程设置，即认真分析企业对应用型嵌入式人才的知识、能力和素质要求，分析嵌入式专业学生应当掌握的专业知识单元、专业基本技能、专业核心应用能力。在此基础上，以能力培养为主线，构建符合嵌入式系统应用开发能力晋级阶梯的课程体系和学习路径。大一阶段注重科学基础训练(主要包括通识教育、专业认识和编程训练)，大二阶段注重专业基础训练(主要包括计算机软硬件基础理论教育和技能培养)；大三阶段注重专业课程学习(包括嵌入式专业技能和应用开发能力培养)，大四阶段注重提高工程实践能力(包括实践能力与工程素养培养)[6]。

符合能力晋级阶梯原则课程体系的构建，使得嵌入式课程体系的所有课程都是以能力培养为基本出发点，前后衔接紧密，层层递进，逐步提高学生的嵌入式应用开发能力。

3) 围绕嵌入式应用开发能力的培养，构建以“一体化、多层次、分阶段”为特征的实践教学体系。

在层次上，我们将嵌入式实践教学体系分成三个层次：基础层、综合设计层和应用创新层。基础层主要包括相关课程(如程序设计、模拟电路、数字逻辑设计、单片机及其应用开发、嵌入式系统基础等)的课内实验，主要目的在于课程知识的巩固。综合设计层主要包括两个方面，一是相关课程综合性、设计性实验，主要目的在于提高学生相关课程的知识和综合运用能力；二是里程碑式的综合实践课程，即在能力培养主线上设置一些里程牌，并通过综合性实践课程培养学生阶段性综合应用能力。应用创新层主要培养学生的综合分析、设计、创新能力和工程素养，主要通过创新实验和课程设计、项目实训、学科竞赛、学生科研和毕业设计完成。

从阶段上来看，我们将嵌入式实践教学体系分成三个阶段。第一个阶段着重培养学生的编程功底和基本的硬件制作和调试能力，第二个阶段着重培养学生的嵌入式软硬件设计和开发能力，第三个阶段着重培养学生的嵌入式系统综合应用开发能力、软硬件协同设计思想和工程素养[6]。

4) 关注课程教学内容和实践教学环节的改革，

使课程教学内容、实践教学环节与应用型嵌入式人才培养目标保持一致，同时保持课程之间的有机衔接，理论教学和实践教学的有机结合。

首先，将应用型嵌入式人才培养目标分解细化到相关课程和实践环节，使课程内容与培养目标保持一致，实践环节与应用开发能力培养保持一致，前后课程之间保持有机衔接。其次，通过理论教学环节和实践环节的有机结合，在培养学生比较扎实的理论基础的同时，培养学生的核心能力和专业能力。

4课程体系的具体设计

4.1总体设计

嵌入式方向课程体系总体结构如图1所示。整个课程体系分成三个部分，理论教学体系、实践教学体系和素质教学体系。整个课程体系是围绕着学生的能力培养而设计的。

4.2学科基础课程

电子科技大学中山学院在计算机科学与技术专业中设置了嵌入式专业方向。所以，我们在课程体系的学科基础课程中基本保留了计算机专业的核心课程，如程序设计基础、离散数学、数据结构、计算机网络基础、计算机组成原理、计算机操作系统、数据库原理与应用、多媒体技术基础、软件工程等。考虑到嵌入式系统软硬件并重的特点，我们适当强化了电路与模拟电子技术、数字逻辑设计及应用这两门电路课程。

针对嵌入式特点和后续专业课程的教学要求，我们对这些学科基础课程的内容进行了整合和更新。

程序设计基础既是很多后续专业课的学习基础，也关系到学生的专业自信。我们对这门课程的处理方法是淡化语法细节，强调学生程序设计逻辑和分析问题解决问题能力的培养。同时，针对嵌入式软件开发特点，对教学内容和重点进行适当调整，引入嵌入式C相关的教学内容。

在数据结构中，教师将在嵌入式软件开发中经常用到的内容(如内存动态分配和释放、栈、队列、串、查找算法等)作为重点内容进行讲述，而对于在嵌入式应用开发中较少用到的内容(树、图等)，只作简单介绍。

模拟电路与电子技术基础、数字逻辑设计及应用这两门电路课程的教学任务由具有比较丰富的嵌入式硬件开发经验的教师担任。教学不受老教材的束缚，教师大胆地对教学内容进行取舍，有用的内容讲通讲透，过时无用的内容坚决舍弃，并在相关章节讲授中联系后续专业课程内容，做好铺垫性教学。同时，我们站在一个嵌入式应用开发工程师角度讲授相关电路知识，着重它们的工程应用，而适当简化数学公式和理论推导，降低学生的学习门槛，提高学生的学习兴趣和自信。

很多高校的嵌入式专业方向都开设了微机原理及接口技术课程。但是，我们通过实践发现，这门课程的知识与实际应用脱节，学生学习起来没有兴趣。同时，由于在后续的课程设计、课外科技竞赛、毕业设计甚至今后的工作中都很难用到它们，这些内容即使学了也很容易忘记。基于这些原因，我们取消了微机原理及接口技术这门课程。

4.3专业方向课程

专业方向课程的主要目的是培养学生基本的嵌入式应用开发能力，设置的课程包括Linux软件开发基础、单片机及其应用开发、嵌入式系统基础、嵌入式操作系统及其程序设计、嵌入式Linux应用开发。

设置单片机及其应用开发课程，除了用它替代微机原理与接口技术以外，我们还期望从单片机这一相对简单的嵌入式微控制器入手，让学生能够比较深入地理解嵌入式系统的工作原理和应用，为嵌入式系统的学习打下基础，同时也让学生对前面学习的两门电路课程加深认识，为部分对硬件感兴趣学生的后续发展做好铺垫。我校的单片机实验教学平台采用自主设计AVR单片机实验开发平台，而没有采用传统的51单片机，主要是考虑教学与学生今后的应用相衔接，同时便于开发一些设计性、综合性实验项目。

嵌入式系统基础可以看成是嵌入式专业方向登堂入室的课程，是正式跨入专业课程学习的桥梁。该门课程主要讲述嵌入式系统的基本概念、ARM7体系结构及指令系统、ARM硬件结构和接口、接口电路与硬件设计、嵌入式系统工程设计等。在这门课程中，我们选择ARM7作为嵌入式处理的主要介绍对象，因为相对ARM9来说，ARM7的体系结构、接口相对简单，学生容易把握，也易于与实践教学环节中的嵌入式最小系统设计相衔接。我们将这门课程的教学重心放在嵌入式处理接口的理解和应用上，让学生容易入手并能够动手应用，而不是一开始就让学生接触过于抽象的概念和比较复杂的内核东西，学起来困难，又动不了手。同时采取一种先易后难、先外后内的方式编排教学内容，更加符合学生的学习规律。

嵌入式操作系统及其程序设计课程的教学目的是让学生在学习操作系统和嵌入式系统基础的基础上，掌握嵌入式操作系统的基本概念、基本原理思想，掌握基于嵌入式操作系统的应用程序设计方法和技术。该门课程既关注嵌入式实时操作系统的内核实现思想，同时也更加关注嵌入式操作系统的应用，即基于嵌入式操作系统的程序设计方法。该门课程的教学内容以 C/OS-Ⅱ为主，原因是 C/OS-II麻雀虽小，却五脏基本全(微内核)；通过其开放源码，学生可以理解嵌入式操作系统实现的基本思想，把前面学到的操作系统抽象概念具体化；可以学习实时系统的一些编程技巧； C/OS-II已经移植到嵌入式实验平台上，课程实验和课程设计可以与原来的嵌入式系统基础课程很好衔接；在一些中低端嵌入式软件开发中，它具有很强的实用性。同时，教师在该课程中引入文件系统和GUI，强化学生基于嵌入式操作系统的嵌入式软件设计能力。

嵌入式Linux应用开发课程进一步凸显该专业方向的计算机特色，让学生掌握基于嵌入式Linux软件的开发方法和技巧，真正培养学生的嵌入式软件开发能力。

4.4专业选修课程

在选修课程中，我们有意识地设计了一些课程模块，便于学生根据兴趣和就业取向选修，如信息终端软件开发课程模块、硬件设计和驱动开发课程模块等。信息终端软件开发课程模块包括.Net程序设计、J2ME架构软件开发、WinCE嵌入式软件开发、移动设备应用软件开发；硬件设计和驱动开发课程模块包括电子线路硬件设计、嵌入式驱动应用开发、EDA技术及其应用、嵌入式网络协议及应用等。另外，我们会根据嵌入式技术的发展和社会需求适时调整选修课程。

4.5实践教学环节

实践教学环节对于应用型人才培养十分重要。我们在加大实验实践学时，强化实验实践环节的同时，注意有机整合实验内容，减少验证性实验，增加设计性、综合性实验项目，按照“一体化、多层次、分阶段”的思想，设计比较合理的嵌入式专业方向的实践教学体系，如表1所示。

整个实践教学环节具有以下几个特点：

1) 将电路和模拟电子技术、数字逻辑设计及其应用课程的实验独立出来，并加大实验课时比重，培养学生的硬件实践动手能力。

2) 对于一些重要的专业基础课程和专业课程，除了有课内实验加深学生对所学知识的理解外，还设置一些专门的专业实践环节，进一步提升学生的实践动手能力和综合创新能力。例如，在学生学习数字逻辑设计及其应用之后开设数字系统设计，利用我们自主开发的基于FPGA的数字逻辑设计教学与开发平台，通过可编程逻辑器件等数字设计的主流器件和EDA数字系统设计重要工具，引入数字逻辑的最新内容和设计理念，开展一些创新性课程设计，一来引起学生的兴趣，二则为学生的后续学习打下基础。对于嵌入式系统基础，我们除了在课程内完成GPIO、串口、定时器等相关基础实验外，还设置了嵌入式系统进阶实验这一单列的实践教学环节，提供GPRS、CanBus、SD卡读写、以太网、USB等一些嵌入式系统进阶实验，开拓学生的眼界，提高学生的实际应用开发能力。

3) 在能力培养主线上设置一些里程牌，并引入一些综合型实践课程(以实践为主、讲授为辅)，提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。例如，在学习完程序设计、数据结构等课程之后设置程序设计综合实训，进一步强化学生的编程功底；在学习完模拟电路、数字电路、电子线路设计工具等课程之后设置嵌入式工程实践，培养学生基本的硬件制作和调试能力；在学习完单片机及其应用开发、嵌入式系统基础等课程之后设置嵌入式最小系统设计，让学生深入理解嵌入式系统的结构和工作原理，培养学生的嵌入式系统设计和开发能力；在学习完嵌入式系统基础、嵌入式操作系统及其程序设计、嵌入式Linux应用开发、WinCE嵌入式软件开发等课程之后设置嵌入式系统综合实训和毕业设计，着重培养学生嵌入式系统综合应用开发能力、软硬件协同设计思想和工程素养。

同时，我们还通过加大实验室开放力度，鼓励和引导学生通过课程设计、参与嵌入式学科竞赛、参与教师科研课题，进一步提升实践能力和创新能力。利用新实验室，学生可以开展自主学习、合作学习、任务驱动式学习、研究性学习，实现从自主实验嵌入式工程实践小型科研课题研究开发参加各种学科竞赛的创新教育全过程，提高知识应用能力、信息获取和选择能力、实践动手能力，并在实践中逐步提高创新能力。

5结语

作为一个新兴的专业方向，嵌入式暂时还没有一个公认的比较成熟完善的课程体系可供借鉴。本文在深入分析应用型嵌入式人才知识、能力结构的基础上，以“知识―能力―素质”为主线，构建了符合嵌入式系统应用开发人才能力晋级阶梯的课程体系和“一体化、多层次、分阶段”的实践教学体系。经过电子科技大学中山学院几年的教学实践，取得了较好的效果，证明该课程体系具备合理性和可行性。本专业方向培养的学生不少成为企业的技术骨干，甚至就职于产品技术开发管理岗位。同时，他们在一些学科竞赛中也取得了很好的成绩，先后获得“博创杯”大学生嵌入式设计大赛一等奖两项、二等奖两项、三等奖一项，全国大学生信息安全竞赛一等奖一项，“ZLG杯”ARM嵌入式系统电子设计大赛二等奖两项、优胜奖三项等。

当然，嵌入式系统会随着技术发展和应用需求而变得越来越复杂。为了适应这种需要，嵌入式人才的培养方案和课程体系也必须做出相应调整。同时，随着我们和企业嵌入式开发人员、高校嵌入式教学人员交流的深入，我们对嵌入式人才内涵的认识也将越来越深，相应地，嵌入式课程体系也将更加完善。

参考文献：

[1] 马义德,汤书森,张北斗,等. 嵌入式系统课程群建设与创新型人才培养[J].高等理科教育,2004(8):23-25.

[2] JIANG Linying, LI Dancheng, ZHU Zhijiang. Research and Practice of the Training Model of Industrialization in Embedded[J]. 计算机教育,2010(9):2-5.

[3] HUANG Ming, LIU Zhen, LIANG Xu, et al. Exploration and Practice of Complex Embedded Software Training Model[J].计算机教育,2010(9):6-9.

[4] 俸皓. 嵌入式系统教学体系改革的探讨[J]. 科技信息:科学教研,2007,12(30):29-31.

[5] 周立功,王祖麟,陈明计,等. ARM嵌入式系统基础教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2005:163-190.

[6] 罗嗣海,周立功,王祖麟. 新型校企合作培养零适应期应用型人才探讨(以江西理工大学嵌入式系统人才培养为例)[J]. 江西理工大学学报,2009,30(2):57-60.

Design of Embedded Curriculum for Application-oriented Talents Cultivation

LI Wensheng, MA Zheng, FU Yu, DENG Chunjian

(Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China)

Abstract: Curriculum plays an important role in the realization of talents cultivation objective. Based on the in-depth analysis of requirement for application-oriented embedded talents on knowledge, ability and caliber, this paper puts forward an embedded curriculum which accords with the growth steps of embedded application development capabilities and a practice training system which is consistent, phased and multi-level.

Key words: application-oriented embedded talents; growth steps of capabilities; curriculum system