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摘要:嵌入式系统是信息产业发展的重要领域之一,但国内在嵌入式人才培养方面还比较欠缺。本文分析了当前高校嵌入式系统教学中的问题,结合西华大学信息工程专业的特色,提出了相应的教学改革方案。
关键词:嵌入式系统;教学;实践
作者简介:王维博(1977-),男,山东菏泽人,西华大学电气信息学院,讲师,西南交通大学信息科学与技术学院博士研究生,(四川 成都 610031)主要研究方向:嵌入式系统、智能优化算法;王海滨(1964-),女,云南思茅人,西华大学电气信息学院副院长,教授,工学博士,主要研究方向:生物医学信息检测与处理。(四川 成都 610039)
电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科,主要研究信息的获取与处理、电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。随着社会信息化的深入,各行业急需电子信息工程专业人才。
嵌入式系统是指以嵌入式处理器和嵌入式操作系统为核心组成的专用计算机系统,它以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础,强调硬件软件的协同性与整合性,软件与硬件可剪裁,以满足系统对功能、成本、体积和功耗的要求。以嵌入式系统为核心的电子信息技术是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的领域之一,嵌入式产品已广泛应用于我们日常生活的各个方面。[1,2]由于市场对嵌入式系统人才的巨大需求,许多高校都相继开设了嵌入式系统的相关课程。在IEEE计算机协会和ACM共同制定的CC2004版计算机类课程体系中,嵌入式系统已经被列为核心课程。[3]
如何开展嵌入式系统教学,以达到学习嵌入式技术知识、掌握嵌入式系统基本开发方法和应用的目的,是很多高校都在思索的问题。
一、嵌入式系统教学存在的问题
目前嵌入式系统人才还远远不能满足社会的需求,许多高校在这方面的教学还存在很多问题。
1.课程定位不明确
目前许多高校都开设了嵌入式系统课程和嵌入式专业方向,各高校的学生素质、师资力量和硬件设备等都存在着巨大的差异,开课的专业和院系也不同。比如电子类、通信类、计算机类专业都可以开设嵌入式系统的相关课程,但培养目标是不相同的,课程设置和侧重点也不同。[4]而现在很多不同层次的高校所开设的嵌入式系统课程都是相同的学时、教材和实验设备,这远远达不到系统地学习嵌入式技术的需要。高校开设嵌入式系统课程和嵌入式专业时必须定位明确,结合自身的特点和优势开设课程。
2.课程群安排不合理
课程群是将本专业或跨专业培养方案中若干门在知识、方法、问题等方面有逻辑联系的课程加以整合而成的课程体系。课程群所包含的各门课程应具有相关性和整合性。嵌入式系统是一门较新的课程,许多高校仅在原有的教学体系中加入嵌入式系统的一门或几门课程。这就造成:一方面,嵌入式系统课程与已有的课程是割裂开来的,没有形成合理的课程群。另一方面,部分高校目前没有开设与嵌入式系统课程配套的相关课程。这使得教师在有限的学时内不能很好地传授嵌入式系统开发所需的知识,学生没有足够的精力学习额外的相关内容,导致了对嵌入式系统的粗浅学习,毕业后无法胜任嵌入式系统的相关工作。
3.师资队伍不能满足要求
嵌入式系统的教学要求教师具有处理器、汇编语言、接口、操作系统、驱动程序开发、应用程序开发等各方面丰富的知识。部分开设嵌入式课程的重点高校,其整体师资较强,教师有从事嵌入式项目开发的经验;但对于大多数新开设嵌入式课程的高校,师资往往没有同步跟上。这是因为一方面就业市场对嵌入式人才需求旺盛,愿意到高校执教的嵌入式人才很少;另一方面,课程建设往往比较匆忙,承担嵌入式系统课程的多以青年教师为主。大部分教师无项目经验,动手能力比较差,或从单片机教学转型。另外,教师缺少嵌入式系统相关技术的系统培训,且多数培训只是实验设备厂商的短期培训。所以,师资队伍的建设在短期内无法跟上新技术的变革,出现了教学内容广度有限、深度不够的现象。
4.教材质量不高
通过教学实践和调研,笔者发现嵌入式系统课程教材的更新速度很难赶上技术更新的速度,这也导致了很难找到一套普遍适用的教材,给教学带来了一定不利影响。有的嵌入式系统教材,内容上往往显得很宽泛,不仅介绍了ARM、MIPS、x86和PowerPC等各种体系结构的处理器、硬件接口,还包括BootLoader、驱动程序、各种嵌入式操作系统等,还有嵌入式系统调试方法、嵌入式应用程序设计等。学习这种教材,除了能记住一些基本概念外,学生很难掌握嵌入式的基础知识,更不用说是熟悉某一款处理器的基本开发过程。另一种教材一般是由嵌入式系统实验设备厂商提供的,主要包括实验说明书和数据手册。使用这种教材,学生往往难以全面系统地掌握嵌入式系统的基本理论和概念。
5.缺少足够的实践环节
实践是嵌入式系统教学的重要环节。嵌入式系统内容涉及广泛,指令编程、驱动程序设计、内核的移植设计和应用程序编写等知识的学习,都需要学生通过大量的实践环节来加深理解。但是目前很多高校的实践教学基本都是验证性实验,缺乏学生主动参与的环节,无法调动学生积极性,导致学生实践能力不强;并且缺乏与工程实际应用密切结合的课程设计和毕业设计。学生在课程之余没有更多的实践机会,学习后劲不足。另外,实验学时不够。据笔者统计,部分重点高校开设的嵌入式系统课时较长,而且实验学时所占总学时的比例一般都超过50%。比如北京理工大学开设的嵌入式系统原理与应用有72学时,实验占48学时。与重点高校不同,大多数高校开设的嵌入式系统课程一般为32～48学时,实验环节仅占8～16学时。有限的课内学时无法满足实践教学,尤其是综合性、设计性实践的需要。这使得缺乏足够实践动手环节训练的学生难以真正了解和熟悉嵌入式开发过程。
6.对校企合作和参加嵌入式竞赛不够重视
嵌入式系统技术发展日新月异,与国内外知名企业合作,能有效地避免课堂教学内容陈旧,能提供给教师和学生更多接触新知识、新技术的机会,学生毕业后能够迅速融入到企业工程项目中。同时科技竞赛能调动学生学习的积极性,激发学生的创新精神。不仅是学生,教师也需要走出去。不同学校、不同专业背景的教师和学生间通过相互交流,不仅能够检验嵌入式系统教学效果,也可进一步促进嵌入式系统教学和实验水平的提高。
二、教学改革的思路
西华大学电气信息学院于2007年开设嵌入式系统原理及应用课程,共48学时,其中理论40学时,实验8学时。学院的信息工程专业主要以硬件知识为主,开设的相关课程包括单片机原理及应用、电子线路基础、现代测试技术及应用、微机接口技术、EDA技术、DSP技术及应用等。学院没有开设数据结构、操作系统、编译原理、驱动程序开发、JAVA程序设计,学生比较缺乏软件编程方面的知识技能,对软件系统了解甚少。
根据学院的专业特色和学生特点,须首先明确嵌入式系统课程的定位:培养学生掌握接口电路设计,具备汇编和C语言的初级编程能力,能进行ARM处理器操作系统层面的驱动、移植。学生侧重微处理器和接口设计方面的学习研究。
关于课程群的规划,根据学院的具体情况,结合嵌入式系统技术发展迅速、知识横跨多个学科领域的特点,在分析了社会对嵌入式人才需求的基础上,笔者认为学院应该以移动通信、数字图像处理和网络通信安全为切入点,建立起能够培养实际工程应用人才的嵌入式系统课程体系。在核心课程嵌入式系统原理及应用中,教学内容以ARM+嵌入式Linux为主。ARM7的教学偏重于硬件,ARM9的教学则偏重于软件。学生在学习ARM7的过程中打下扎实的硬件理论、硬件设计和制作基础,有利于后期学习基于ARM9的嵌入式Linux。为了能更好地形成嵌入式系统课程体系,建议学院开设以下主要课程:操作系统原理、Linux课程、数据结构、通信协议及编程技术、网络与信息安全技术。
由于嵌入式系统技术强调工程实践,教师需要积极主动地参与到相关科研项目中,从项目中积累经验,以达到更好地指导学生实践环节的效果。同时学校和学院需要与国际知名企业(如Microsoft、Intel、周立功、博创等)积极合作,为教师和学生提供一个接触、学习新技术的环境。重视与知名企业的合作,不仅可以弥补课程资源的不足,同时也可以让教师获得最直接、最前沿的技术支持,从而有效地培养师资队伍。
高校需要重视和参加各种嵌入式竞赛,如微软嵌入式系统全球大学生挑战赛、英特尔杯国际大学生嵌入式系统邀请赛等。教师和学生能在竞赛中得到极大的锻炼,教师所积累的经验也会有助于教学改革。
建议创立嵌入式系统创新实训中心。通过搭建一个学生实训、参加科技竞赛的基础平台,形成一个传、帮、带的梯队,达到“以点带面”的良性循环效果,增强学生学习兴趣和创新能力,争取在国内、国际比赛中有所突破,培养出社会急需的嵌入式人才。
随着嵌入式系统课程教学的进一步改进,需要根据课程的目标和内容编写一本理论课教材。该教材应以项目任务为教学单元,以嵌入式系统开发过程为主线,以ARM处理器和嵌入式Linux操作系统为主体,同时对其他体系结构和操作系统做概要性介绍。这样既可以帮助学生掌握嵌入式系统的基本知识,又节省了学生查阅众多参考资料的时间。
增加实验学时,改革实验内容。目前,学院安排的嵌入式系统课程实验仅8个学时,并且都是验证性的实验。为了让实践环节因材施教,对不同学生应该进行兴趣导向的模块化、层次化培养,需要增加综合设计性实验和研究创新性实验。可由教师布置或由学生根据对课程的掌握情况自行设计。通过综合设计性实验,可以使学生完成由浅入深、由简单到综合、由验证到设计开发的嵌入式学习过程。研究创新性实验是提供给基础较好并且对嵌入式系统开发具有浓厚兴趣的学生深入学习的,可结合学生的课程设计、毕业设计课或嵌入式方面的竞赛进行。课题可来自于教师的科研项目,或是校企合作的工程实践。
三、结语
目前,许多高校的嵌入式系统教学刚起步,教学工作面临很多困难,存在着许多不足。这就要求教师紧跟嵌入式技术的发展,不断提高教学科研能力,以教学促进科研,以科研带动教学,促进嵌入式系统教、学、研的全面发展。
参考文献:
[1]张润杰.基于“案例”的探究式实验教学[J].实验技术与管理,2006,(6).
[2]文全刚,陈守孔.嵌入式方向课程设置与教学[J].计算机教育,2007,(9).
[3]许强,徐凯.强化工程素质培养的嵌入式系统实验教学改革[J].中国电力教育,2009,(3).
[4]俞建新.略论嵌入式系统的实验教学[J].实验室研究与探索,2006,25(7).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:嵌入式系统;教学;实践
作者简介:王维博(1977-),男,山东菏泽人,西华大学电气信息学院,讲师,西南交通大学信息科学与技术学院博士研究生,(四川 成都 610031)主要研究方向:嵌入式系统、智能优化算法;王海滨(1964-),女,云南思茅人,西华大学电气信息学院副院长,教授,工学博士,主要研究方向:生物医学信息检测与处理。(四川 成都 610039)
电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科,主要研究信息的获取与处理、电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。随着社会信息化的深入,各行业急需电子信息工程专业人才。
嵌入式系统是指以嵌入式处理器和嵌入式操作系统为核心组成的专用计算机系统,它以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础,强调硬件软件的协同性与整合性,软件与硬件可剪裁,以满足系统对功能、成本、体积和功耗的要求。以嵌入式系统为核心的电子信息技术是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的领域之一,嵌入式产品已广泛应用于我们日常生活的各个方面。[1,2]由于市场对嵌入式系统人才的巨大需求,许多高校都相继开设了嵌入式系统的相关课程。在IEEE计算机协会和ACM共同制定的CC2004版计算机类课程体系中,嵌入式系统已经被列为核心课程。[3]
如何开展嵌入式系统教学,以达到学习嵌入式技术知识、掌握嵌入式系统基本开发方法和应用的目的,是很多高校都在思索的问题。
一、嵌入式系统教学存在的问题
目前嵌入式系统人才还远远不能满足社会的需求,许多高校在这方面的教学还存在很多问题。
1.课程定位不明确
目前许多高校都开设了嵌入式系统课程和嵌入式专业方向,各高校的学生素质、师资力量和硬件设备等都存在着巨大的差异,开课的专业和院系也不同。比如电子类、通信类、计算机类专业都可以开设嵌入式系统的相关课程,但培养目标是不相同的,课程设置和侧重点也不同。[4]而现在很多不同层次的高校所开设的嵌入式系统课程都是相同的学时、教材和实验设备,这远远达不到系统地学习嵌入式技术的需要。高校开设嵌入式系统课程和嵌入式专业时必须定位明确,结合自身的特点和优势开设课程。
2.课程群安排不合理
课程群是将本专业或跨专业培养方案中若干门在知识、方法、问题等方面有逻辑联系的课程加以整合而成的课程体系。课程群所包含的各门课程应具有相关性和整合性。嵌入式系统是一门较新的课程,许多高校仅在原有的教学体系中加入嵌入式系统的一门或几门课程。这就造成:一方面,嵌入式系统课程与已有的课程是割裂开来的,没有形成合理的课程群。另一方面,部分高校目前没有开设与嵌入式系统课程配套的相关课程。这使得教师在有限的学时内不能很好地传授嵌入式系统开发所需的知识,学生没有足够的精力学习额外的相关内容,导致了对嵌入式系统的粗浅学习,毕业后无法胜任嵌入式系统的相关工作。
3.师资队伍不能满足要求
嵌入式系统的教学要求教师具有处理器、汇编语言、接口、操作系统、驱动程序开发、应用程序开发等各方面丰富的知识。部分开设嵌入式课程的重点高校,其整体师资较强,教师有从事嵌入式项目开发的经验;但对于大多数新开设嵌入式课程的高校,师资往往没有同步跟上。这是因为一方面就业市场对嵌入式人才需求旺盛,愿意到高校执教的嵌入式人才很少;另一方面,课程建设往往比较匆忙,承担嵌入式系统课程的多以青年教师为主。大部分教师无项目经验,动手能力比较差,或从单片机教学转型。另外,教师缺少嵌入式系统相关技术的系统培训,且多数培训只是实验设备厂商的短期培训。所以,师资队伍的建设在短期内无法跟上新技术的变革,出现了教学内容广度有限、深度不够的现象。
4.教材质量不高
通过教学实践和调研,笔者发现嵌入式系统课程教材的更新速度很难赶上技术更新的速度,这也导致了很难找到一套普遍适用的教材,给教学带来了一定不利影响。有的嵌入式系统教材,内容上往往显得很宽泛,不仅介绍了ARM、MIPS、x86和PowerPC等各种体系结构的处理器、硬件接口,还包括BootLoader、驱动程序、各种嵌入式操作系统等,还有嵌入式系统调试方法、嵌入式应用程序设计等。学习这种教材,除了能记住一些基本概念外,学生很难掌握嵌入式的基础知识,更不用说是熟悉某一款处理器的基本开发过程。另一种教材一般是由嵌入式系统实验设备厂商提供的,主要包括实验说明书和数据手册。使用这种教材,学生往往难以全面系统地掌握嵌入式系统的基本理论和概念。
5.缺少足够的实践环节
实践是嵌入式系统教学的重要环节。嵌入式系统内容涉及广泛,指令编程、驱动程序设计、内核的移植设计和应用程序编写等知识的学习,都需要学生通过大量的实践环节来加深理解。但是目前很多高校的实践教学基本都是验证性实验,缺乏学生主动参与的环节,无法调动学生积极性,导致学生实践能力不强;并且缺乏与工程实际应用密切结合的课程设计和毕业设计。学生在课程之余没有更多的实践机会,学习后劲不足。另外,实验学时不够。据笔者统计,部分重点高校开设的嵌入式系统课时较长,而且实验学时所占总学时的比例一般都超过50%。比如北京理工大学开设的嵌入式系统原理与应用有72学时,实验占48学时。与重点高校不同,大多数高校开设的嵌入式系统课程一般为32～48学时,实验环节仅占8～16学时。有限的课内学时无法满足实践教学,尤其是综合性、设计性实践的需要。这使得缺乏足够实践动手环节训练的学生难以真正了解和熟悉嵌入式开发过程。
6.对校企合作和参加嵌入式竞赛不够重视
嵌入式系统技术发展日新月异,与国内外知名企业合作,能有效地避免课堂教学内容陈旧,能提供给教师和学生更多接触新知识、新技术的机会,学生毕业后能够迅速融入到企业工程项目中。同时科技竞赛能调动学生学习的积极性,激发学生的创新精神。不仅是学生,教师也需要走出去。不同学校、不同专业背景的教师和学生间通过相互交流,不仅能够检验嵌入式系统教学效果,也可进一步促进嵌入式系统教学和实验水平的提高。
二、教学改革的思路
西华大学电气信息学院于2007年开设嵌入式系统原理及应用课程,共48学时,其中理论40学时,实验8学时。学院的信息工程专业主要以硬件知识为主,开设的相关课程包括单片机原理及应用、电子线路基础、现代测试技术及应用、微机接口技术、EDA技术、DSP技术及应用等。学院没有开设数据结构、操作系统、编译原理、驱动程序开发、JAVA程序设计,学生比较缺乏软件编程方面的知识技能,对软件系统了解甚少。
根据学院的专业特色和学生特点,须首先明确嵌入式系统课程的定位:培养学生掌握接口电路设计,具备汇编和C语言的初级编程能力,能进行ARM处理器操作系统层面的驱动、移植。学生侧重微处理器和接口设计方面的学习研究。
关于课程群的规划,根据学院的具体情况,结合嵌入式系统技术发展迅速、知识横跨多个学科领域的特点,在分析了社会对嵌入式人才需求的基础上,笔者认为学院应该以移动通信、数字图像处理和网络通信安全为切入点,建立起能够培养实际工程应用人才的嵌入式系统课程体系。在核心课程嵌入式系统原理及应用中,教学内容以ARM+嵌入式Linux为主。ARM7的教学偏重于硬件,ARM9的教学则偏重于软件。学生在学习ARM7的过程中打下扎实的硬件理论、硬件设计和制作基础,有利于后期学习基于ARM9的嵌入式Linux。为了能更好地形成嵌入式系统课程体系,建议学院开设以下主要课程:操作系统原理、Linux课程、数据结构、通信协议及编程技术、网络与信息安全技术。
由于嵌入式系统技术强调工程实践,教师需要积极主动地参与到相关科研项目中,从项目中积累经验,以达到更好地指导学生实践环节的效果。同时学校和学院需要与国际知名企业(如Microsoft、Intel、周立功、博创等)积极合作,为教师和学生提供一个接触、学习新技术的环境。重视与知名企业的合作,不仅可以弥补课程资源的不足,同时也可以让教师获得最直接、最前沿的技术支持,从而有效地培养师资队伍。
高校需要重视和参加各种嵌入式竞赛,如微软嵌入式系统全球大学生挑战赛、英特尔杯国际大学生嵌入式系统邀请赛等。教师和学生能在竞赛中得到极大的锻炼,教师所积累的经验也会有助于教学改革。
建议创立嵌入式系统创新实训中心。通过搭建一个学生实训、参加科技竞赛的基础平台,形成一个传、帮、带的梯队,达到“以点带面”的良性循环效果,增强学生学习兴趣和创新能力,争取在国内、国际比赛中有所突破,培养出社会急需的嵌入式人才。
随着嵌入式系统课程教学的进一步改进,需要根据课程的目标和内容编写一本理论课教材。该教材应以项目任务为教学单元,以嵌入式系统开发过程为主线,以ARM处理器和嵌入式Linux操作系统为主体,同时对其他体系结构和操作系统做概要性介绍。这样既可以帮助学生掌握嵌入式系统的基本知识,又节省了学生查阅众多参考资料的时间。
增加实验学时,改革实验内容。目前,学院安排的嵌入式系统课程实验仅8个学时,并且都是验证性的实验。为了让实践环节因材施教,对不同学生应该进行兴趣导向的模块化、层次化培养,需要增加综合设计性实验和研究创新性实验。可由教师布置或由学生根据对课程的掌握情况自行设计。通过综合设计性实验,可以使学生完成由浅入深、由简单到综合、由验证到设计开发的嵌入式学习过程。研究创新性实验是提供给基础较好并且对嵌入式系统开发具有浓厚兴趣的学生深入学习的,可结合学生的课程设计、毕业设计课或嵌入式方面的竞赛进行。课题可来自于教师的科研项目,或是校企合作的工程实践。
三、结语
目前,许多高校的嵌入式系统教学刚起步,教学工作面临很多困难,存在着许多不足。这就要求教师紧跟嵌入式技术的发展,不断提高教学科研能力,以教学促进科研,以科研带动教学,促进嵌入式系统教、学、研的全面发展。
参考文献:
[1]张润杰.基于“案例”的探究式实验教学[J].实验技术与管理,2006,(6).
[2]文全刚,陈守孔.嵌入式方向课程设置与教学[J].计算机教育,2007,(9).
[3]许强,徐凯.强化工程素质培养的嵌入式系统实验教学改革[J].中国电力教育,2009,(3).
[4]俞建新.略论嵌入式系统的实验教学[J].实验室研究与探索,2006,25(7).
(责任编辑:麻剑飞)