嵌入式系统课程教学改革的探索与创新

浅谈嵌入式系统课程教学改革

叶建森　严迎建　徐金甫

(信息工程大学电子技术学院三系，河南郑州450004)

摘　要　随着嵌入式技术发展和在各个领域的广泛应用，传统的课程体系已经不适应嵌入式专业的人才需求。嵌入式系统课程教学改革已势在必行。本文在分析了嵌入式系统的课程目标和课程知识体系的基础上，确立了适应社会需求的嵌入式系统人才的培养目标，提出具体的课程内容设置和教学实施方案。

关键词　嵌入式系统;课程体系;课程改革

一、引言

深化课程改革，构建高校课堂是教学改革当前以及今后的永恒主题。在传统的以教员为中心的课堂教学模式下，教室成为被权威占据的空间，学员做着相同的基本技能的任务，以便保证学习的一致性，标准的结论潜藏于这一环境的每个环节。教员在整个教学过程中处于主导地位，教学中缺乏批判精神，缺乏怀疑精神，缺乏创新精神，学员在学习中也必然形成严重的依赖性，缺乏批判能力，导致创新能力缺失。从而出现没有问题的课堂，低效的课堂。为了适应现代高等教育教学的发展，必须进行有效的教学改革。本文根据嵌入式系统课程教学实践，提出了教学改革思路与方案。

二、嵌入式系统课程目标

嵌入式系统是一门综合性很强的课程，强调嵌入式系统知识与相关学科的融合，其内容涉及硬件、软件、网络等多门课程知识。确定什么样的培养目标、选择什么样的教学内容、如何体现课程教学特色是嵌入式系统课程教学效果的关键因素。

目前，随着嵌入式技术的不断发展和新型电子产品的不断出现，嵌入式系统开发人才需求的数量和质量也不断提高。因此，培养学员实践能力和创新能力是高校培养嵌入式人才的首要问题。信息工程大学作为军队院校，办学定位是为国家和军队培养高素质的应用型人才，掌握嵌入式系统的复合型工程人才是国家和军队急需的人才。为了适应国家和军队的实际需要，使毕业生具备相应的工程实践能力，对嵌入式系统课程制定如下目标:(1)掌握嵌入式软件开发的系统流程;(2)掌握嵌入式软件的交叉编译方法及调试方法;(3)熟悉嵌入式操作系统的应用;(4)掌握一些典型接口及设备的驱动;(5)掌握嵌入式图形用户界面的设计，使学员能够对嵌入式系统的构建有个整体的概念，理解硬件和软件之间衔接点，而这个恰恰是以前计算机专业传统课程中的缺口。

三、嵌入式系统课程知识结构及相关课程体系

为了实现嵌入式系统课程目标，必须制定完备的嵌入式系统知识结构和相关课程体系。嵌入式系统是一门软件、硬件的有机结合综合性的课程。专业上涉及电子工程、计算机科学与技术、自动控制等众多领域。课程上需要多门先修课程作为基础，包括模拟电子技术、数字电子技术、C语言程序设计、计算机网络和接口设计、微机原理及应用、单片机技术基础、操作系统原理等多种专业基础课。

在实际的教学实践中，我们发现学员对这些先修课程掌握和理解的程度，极大地影响了嵌入式系统课程的学习。由于学员对先修课程掌握水平参差不齐，在将先期知识转换到嵌入式系统方面时存在一定困难。这样一方面导致教员在教学过程中，需要对相关基础知识进行一定的复习巩固，占用了课程本身已经不多的学时，因而不可避免地减少了对嵌入式系统课程重点内容的投入;另一方面，基础好的学员的学习热情也因此降低，同时教员为兼顾不同水平的学员而降低了难度的实践环节，也使得学员的收获有限。

另外，当前许多高校所开设的嵌入式系统课程内容，一般针对的是某种ARM处理器平台，在讲述此平台的体系结构、软硬件开发方法和基础实验上，占据了大部分的学时，使得嵌入式系统课程在一定程度上演变为另一种复杂处理器系统的学习，这显然有悖于嵌入式系统课程的初衷。因此，嵌入式系统不是一门课程所能讲授的，需要根据专业特点，建立相应的课程体系。在制定嵌入式系统培养计划时，既要拓宽深度和广度体现嵌入式系统软硬结合、面向特殊应用的特点，又要注意与原有的计算机专业课程体系相兼容。制订了嵌入式系统所涉及的专业基础课程体系，如图1所示。

图1　嵌入式系统相关课程体系结构

四、嵌入式系统课程教学的组织与实施

通过以上对嵌入式课程体系的分析，嵌入式系统课程内容及相关课程应进行一定的梳理，通过有效的教学方法和手段达到高效的教学效果。教学过程中教员“教什么，怎么教”?学员“学什么，怎么学”?切实的做法是从学员的实际出发，根据学员的学情确定教学内容，教学策略。传统习惯认为，教员讲得越多，越细，越深，越透，学员学得就越快，越好。事实上，这样做容易造成学员思维的惰性，学员成了被动的学。“教”也是有讲究的，“教什么?怎样教”学员会的不教，学员不会的尽量让学员自行解决;教员少讲精讲，只做点拨性的引导。主要从以下几个方面着手对嵌入式系统课程教学组织和实施进行改革。

(一)嵌入式系统课程内容梳理

首先，随着嵌入式技术的迅速发展，新的技术和新的内容在不断更新，高校原有的课程体系和课程内容已不适应社会对嵌入式人才的需求。因此必须把嵌入式课程的内容进行及时更新，对相关专业的相关课程进行梳理。例如，我校的嵌入式系统课程逐渐成为了电子工程、计算机应用，密码装备等专业的必修课程和很多相关专业的选修课程，根据各个专业的特点和前期的相关课程，对相关专业的专业课程内容都要做相应的补充和删减，以达到该专业的专业课程系统性、连贯性，避免重复教学。

其次，嵌入系统课程无论采用何种软硬件平台，除了涉及操作系统底层接口和性能高度优化的情况之外，C语言都是主要的开发语言。将嵌入式C语言的特点，在单片机技术课程中进行提前学习，并安排相应的实践内容，是比较妥当的做法。此外，考虑到嵌入式系统的代码规模普遍较大，从理解到开发和维护都有一定的难度，因此单片机技术课程，在应用嵌入式C语言的同时，需培养学员形成良好的程序设计和文档撰写风格。(www.xing528.com)

另外，嵌入式操作系统是嵌入式系统课程必不可少的内容，可以在操作系统原理课程中，适当安排这部分的内容，选择μC/OS和Linux讲述，都是合适的。虽然操作系统原理课程以X86处理器为平台，但可使学员提前熟悉μC/OS和Linux系统的基本特点，进行相关的实验，降低嵌入式系统课程对嵌入式操作系统本身的学习投入和难度。

(二)教学与科研结合形成专业特色

当前，高校在进行嵌入式系统教学中，存在一个很大不足，课程内容对于工程实践中的薄弱环节和前沿技术很少涉及，仅止于原理上的教学。这就造成了学员对实际工程应用的需求缺乏概念，导致所学非所用，实践能力不强。

实践证明，没有科研的教学是没有深度的。课程教学必须与教员的研究领域紧密相关。嵌入式系统授课的教员要具有很深的专业背景和工程项目经验，能够抓住学员心理，引导学员自学的能力，重视学员独立思考问题的能力和创新精神。为了极大地发挥学员的学习积极性，根据学员所学专业，教员可以给出多个项目，项目贯穿整个教学过程，充分发挥学员的主体作用。学员根据自己的特长和兴趣，选择自己感兴趣的项目，并且自由组合成项目小组，各个小组自行分析、设计并完成，最后由老师来评分并计算在期末成绩中，通过这种教学和科研的完美结合，逐渐打造各学科的新型专业特色。

因此，我校在对嵌入式系统教学改革的时候，将课程内容与工程实践相结合，就变得相当迫切。适当安排这方面的内容，不仅对学员形成很好的工程观念和动手能力，也为我校打造为精品课程和特色专业打下坚实的基础。

(三)建立以培养创新能力为核心的实验体系

首先，嵌入式系统实践性很强，且有一定难度。学员最好有一点单片机的基础，初期用现成的学习开发板，尽量简单，后期可尝试自己设计，从硬件到软件完全自己做。不仅要进行软件的设计，而且还要进行硬件电路的设计和制作，以及软硬件系统的联合调试，使学员建立相关课程之间知识的有机联系。让学员熟悉需求分析、方案设计、原理图和PCB绘制、元器件采购、电路的焊接和调试、嵌入式软件开发等各个环节，使他们的工程实践能力得到真正提高。项目必须尽可能接近真实世界，因为真实的项目有很多约束，而这正是嵌入式系统的特点。

其次，考虑到学员的基础参差不齐，必须分层次要求和考核。针对实验教材过于详细的问题，任课教员对实验重新进行逐一设计，制造一些问题，尽管工作量很大，但确实十分必要。要发挥教员指导作用，强调学员自学能力的培养和提高。教学中要讲思路、思维方式和方法。

另外，鼓励学员积极参与国家和地区举办的各种电子设计大赛。在实践中强化知识，锻炼综合能力与检验学习效果。

(四)建立教学创新需求的教材和CAI课件

建立适用的、成系统的教材体系，撰写覆盖某课目经典内容的教材和教学课件。每个学校都有自己的专业侧重点，基础也不一样，建议自编讲义，不要完全按教材进行授课。应根据各专业的相关专业课的内容，对教学内容做相应增减。同时，结合教学大纲更多地融于自己的研究内容，在讲授的过程中思路也会更加清晰，内容也更有深度。从而可以在教学中传授更多的实践经验而非简单的知识。

(五)师资培养

由于“嵌入式系统”最近几年才逐渐发展起来一门新的学科，并且随嵌入式新技术的发展，其知识结构和内容在该领域不断更新，教员队伍建设成为一个非常关键的问题。因此，教员需要通过多种渠道去学习掌握新的知识，例如，网络资源、新教材、期刊、去公司企业实际调研等。同时学校也要提供更多的研讨学习交流机会，始终保持教员具有最新、最前沿的嵌入式系统的知识体系。这样，才可以建立一批既具有嵌入式理论知识和实践经验、又有较高教学水平的教员队伍。

五、结束语

随着嵌入式应用的迅猛发展，社会对高素质嵌入式系统人才的需求日益增加，我国信息化与全面小康社会建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，与巨大的市场和产业需求相比，教育相对滞后，在高校嵌入式系统教学方面迫切要求建立能与时代跟上步伐的嵌入式系统教学体系，这样才能为社会输送大批具有实践能力的技术型人才。因此，我们将嵌入式系统课程体系、实验体系、教材体系和教员培养体系等方面进一步改革，努力做到在嵌入式教学的各个环节融入嵌入式系统的最新知识和技术。

参考文献

［1］徐远超，张聪霞，关永.嵌入式系统专业课程教学存在的问题与思考.计算机教育，2009(8).

［2］李凤云.计算机本科专业嵌入式系统课程体系研究与实践.高教论坛，2007(4).

［3］胡伟.嵌入式系统的知识体系与课程体系探索.单片机与嵌入式系统应用，2008(11).

［4］徐迎晖，冯然.嵌入式系统课程设置与教学的思考.装备制造技术，2009(8).