嵌入式系统课程现状分析与对策研究

摘 要:文章对一般院校在嵌入式系统课程的理论和实践教学中普遍遇到的问题进行了分析,结合作者实际的教学经验和对重点高校、嵌入式技术公司的调研,提出相应的思路、对策以供讨论和研究,文章最后总结了国内重点院校的成功经验。

关键词:嵌入式系统;课程群;实验教学体系;开放实验室;教学方式

随着嵌入式技术日益普及,国内外企业纷纷加大了对嵌入式产品的研发,嵌入式系统产业的人才需求也日益旺盛[1]。为了适应社会和行业的广泛需求,全国各高校纷纷开设嵌入式系统课程,嵌入式系统课程一时成为各高校最受欢迎和最热门的课程之一[2]。然而,与嵌入式技术的快速发展相比,我国教育机构在此方面的培养则相对滞后[3-4],作为一个新兴的课程体系,嵌入式系统课程在理论教学和实践教学方面存在很多不足,特别是一般院校在教学实践中遇到了很多困难和问题[5-7]。本文针对这些问题和不足进行了分析,并结合笔者在嵌入式系统教学方面的实践和对其他高校经验的总结,提出了相应对策以供讨论和研究。

1现状分析

作为一个新兴的课程体系,嵌入式系统的理论教学和实践教学一直处于不断探索和磨合的阶段,远不如其他课程那样成熟和完善。一般院校的教学实践目前主要存在以下几个问题:

1) 嵌入式系统入门难,且不同专业的学生各有其局限性。

嵌入式系统领域门槛较高,要求开发人员不仅要懂底层的硬件,而且要有较高的软件专业水平[8],在有限的学时里要掌握好软硬两方面,对学生来说压力很大。各专业学生的背景知识参差不齐,自动化、测控和电子类的学生往往硬件基础好,软件偏弱;而计算机和软件工程类的学生往往软件基础好,硬件偏弱。

2) 实验环节复杂,师资力量有限。

一般院校在嵌入式系统方向的师资有限,特别是实验人员极其匮乏,而嵌入式系统实验难度大,过程复杂,学生遇到的问题多,需要教师投入很多的精力和时间。另外,嵌入式实验设备需要比其他实验更多的维护和管理,这也会增加实验老师的工作量。

3) 实验设备匮乏,实验资源使用受限。

嵌入式系统开发板、仿真工具等实验器材价格不菲,学生无法自行配备,只能到实验室进行实验,而这限制了学生随时、随地学习的灵活性,也限制了学生创意和灵感的发挥,而一般院校经费投入有限,开发板的数量有限,这也在相当程度上限制了学生的实践时间和空间。

4) 实验内容单一,缺乏综合性和创新性内容。

很多院校的实验学时偏低,且实验内容单一,大都是基础性、验证性实验,缺乏设计性、综合性实验,有的即使是综合性的,但很少更新,与业界的主流开发技术和开发平台脱离,致使学生所学与业界实际需求有差距,失去了嵌入式教学的意义。

5) 缺乏完善的立体教学资源和环境,同时教学手段落后、单一。

很多院校还没有建立起完善的教学体系,更缺乏支撑学生学习的立体教学资源和环境,除了上课和实验以外,缺乏其他的方式、手段来巩固和促进学生的学习和进一步的发展。在教学方式上,仍然采用了过去相对落后和单一的讲学方式,只是采用PPT进行“灌输式”、“一言堂”的理论讲解。

2对策探讨和研究

本文结合笔者的实际任教经验、平时的思考以及对一些重点院校、嵌入式技术公司的调研,提出针对上述几个问题的对策以供研究和探讨。

1) 院系合作,建立合理、完善的嵌入式系统课程群。

嵌入式系统课程内容多而杂,系统性和综合性强,嵌入式系统本身就是一个包含软件和硬件的完整微型计算机系统,因此,嵌入式系统的设计原理和技术不是一两门课程就能讲授的,需要建立一个完整的嵌入式系统课程群。参考和总结各高校嵌入式系统课程的开设情况,本文认为图1所示的嵌入式系统课程群是可以借鉴的。

其中,硬件基础和软件基础课程是作为嵌入式系统课程的先修课程,在低年级开设,而嵌入式系统原理、嵌入式处理器结构、嵌入式操作系统和嵌入式软件开发技术4门课作为课程群的主干课,主要为本科三、四年级和研究生开设。这些课程不是为了嵌入式系统而重复开设的,而是结合嵌入式系统进行重新调整和优化,以便于嵌入式系统的课程学习。

为了节约师资力量和共享实验设备,相关院系可以建立合作机制,互补开设课程。例如,计算机专业的学生可以选修自动化或电子专业的模拟电路等课程,而自动化或电子专业的学生可以选修计算机学院的数据结构和操作系统等课程。这样既可以节约师资力量,也可以共享实验设备,还可以使“偏软”和“偏硬”专业的学生进行软硬互补,互相学习、互相促进。

2) 加强师资培训和进行结构性扩展。

要解决实验课中师资力量受限的问题,在不额外引入师资的情况下,可以从横向和纵向两个方面进行师资培训,达到扩展师资力量的目的。横向是加大对本专业的硬件类课程的相关实验员(例如体系结构、数字电路课程的实验员)的培训,使之可以兼任嵌入式系统实验员;纵向是可以着力培养少数优秀研究生,使之可以和教师一起带实验,每年进行一次选拔,以维持能够带实验的常规人员阵容。

3) 建立开放实验室。

解决学生实验设备受限的问题,有两个思路:一是建立全天候开放性实验室,使学生可以随时随地到实验室学习和实验,这里需要建立严格的管理制度,既保障学生自由的学习又保障实验室的安全和规范运作,目前国内很多高校已经有这方面的成功经验;二是可以引入和开发能够运行在通用PC平台上的MPU仿真软件如SkyEye, 通过仿真软件,学生可以在自己的PC上建立起ARM系列MPU的运行、调试环境,对操作系统和系统软件进行开发调试,学生通过初步调试后,可以再到实验室真实环境下验证,能够缓解实验时间、实验设备有限的压力。

4) 构建“一体化、多层次、开放式”创新实验教学体系。

嵌入式课程是一门实践性、应用性很强的课程,只有建立完善的实验教学体系才能培养出真正有动手能力的学生。可以建立多层次、逐步递进的实验教学体系,如图2所示。

在实验教学中,还应注意打通课程之间的“壁垒”,做到“两个贯通”――在纵向上把专业基础课、专业核心课的实验内容上下贯通,在横向上将不同门类课程的实验教学内容左右贯通。

5) 建立完善的立体教学资源和环境,改进教学方式和手段。

可以从以下几个方面完善教学资源和环境:一是建立嵌入式系统课程资源网站,集资源共享、技术交流、信息反馈等多功能于一体,让师生、学生之间可以自由学习和交流;二是举办嵌入式系统技术讲座,邀请来自高校的研究成果突出的学者,来自公司企业的工程技术人员进行专题讲座,使学生能接触到最新的知识和实用技术,并了解社会对嵌入式系统人才的具体需求;三是对难理解、较抽象的课程内容开发配套的CAI软件辅助教学;四是展开校企合作,为学生创建工程实践环境;五是举办校内嵌入式系统竞赛,并引导学生参加地区和全国性的竞赛,激发学生的学习热情和培养学生的创新能力。

改进教学方式和手段可以从大力开发CAI课件、Flas、网络视频课件入手,以增强教学的生动性、直观性、形象性,不仅可以激发学生的学习兴趣,也能促进学生对重点和难点的掌握和吸收。对于工程项目,可以录制项目的完整过程,在实践教学中向学生展示从设计到实现整个过程的原理、方法和技巧。

3国内高校成功经验

经过调研和交流,笔者认为国内一些院校的经验值得学习和借鉴。

1) 重视与各类嵌入式技术公司合作。国内一些名校,例如清华、北大、北航、北京工业大学等都非常重视与一些国际知名公司进行合作,如Intel、Microsoft、Xilinx等。与技术公司合作,不仅可以及时获得最前沿的技术支持,也可以不断地培训教师和学生,还可以弥补课程资源的不足。一般院校由于条件限制,无法和国际大公司合作,可以选择和国内一些公司合作,例如博创、周立功、凌阳等。