應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐

張曉東, 盧 濤, 曹 毅, 王艷芳

(河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河南 鄭州 450007)

1 嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。何立民教授曾將嵌入式系統(tǒng)定義為嵌入到對(duì)象體系內(nèi)部的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),其本質(zhì)涵蓋了嵌入性、專(zhuān)用性和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3個(gè)重要因素[2]。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)融合了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟、硬件設(shè)計(jì)技術(shù),主要涉及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方法,已經(jīng)成為后PC時(shí)代電子工程技術(shù)人員必備的專(zhuān)業(yè)技能之一[3]。

近年來(lái),隨著智能手機(jī)、數(shù)碼設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品的快速發(fā)展以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)通訊、航空航天、國(guó)防軍事、醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)電子等行業(yè)的廣泛應(yīng)用,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前IT行業(yè)最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一[4-5]。作為一門(mén)以正在快速發(fā)展中的新技術(shù)為應(yīng)用背景的高校新興課程,其主要授課目的是使學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的體系組成和基本原理,學(xué)習(xí)ARM體系結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)的基本方法,掌握嵌入式系統(tǒng)的具體開(kāi)發(fā)流程,培養(yǎng)學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的綜合創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力,為后續(xù)實(shí)踐嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 教學(xué)存在的主要問(wèn)題

我校是一所以培養(yǎng)“基礎(chǔ)扎實(shí),適應(yīng)性強(qiáng),具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”為培養(yǎng)目標(biāo)的行業(yè)特色院校。具體到我院的“嵌入式系統(tǒng)”課程,其知識(shí)體系涉及到了電子、通信、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)。要求主講教師專(zhuān)業(yè)知識(shí)面寬廣,課堂內(nèi)容講授難度較大。同時(shí),作為高年級(jí)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程,其先修基礎(chǔ)課程包括“微機(jī)原理與接口”“計(jì)算機(jī)組成原理”“電路原理”“單片機(jī)技術(shù)”“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“操作系統(tǒng)”“程序設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等,對(duì)選課學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力要求較高[6]。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)潛力和廣闊的用人需求,但我國(guó)高校嵌入式系統(tǒng)系列課程教育的起步時(shí)間較晚,當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式相對(duì)滯后,授課內(nèi)容對(duì)嵌入式系統(tǒng)最新研發(fā)技術(shù)的更新時(shí)延性較大。部分高校嵌入式系統(tǒng)課程存在授課知識(shí)體系陳舊、實(shí)驗(yàn)條件不完善、嵌入式專(zhuān)業(yè)教師缺乏工程背景等問(wèn)題。受制于實(shí)驗(yàn)室硬件條件的限制,通常較為注重理論知識(shí)的傳授而忽略了對(duì)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與指導(dǎo)。課堂實(shí)驗(yàn)大多屬于演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的鍛煉。導(dǎo)致培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)方向的畢業(yè)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)薄弱、動(dòng)手能力較差,已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)各大研發(fā)企業(yè)的實(shí)際用人需要[7]。如何緊跟嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展腳步,培養(yǎng)符合用人市場(chǎng)實(shí)際需求的應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)人才,已經(jīng)成為吸引各大高校嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)聚焦的熱門(mén)課題[8]。

3 加強(qiáng)教改研究,踐行應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)人才培養(yǎng)

3.1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)的選擇

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)理論課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)。選擇一款適合學(xué)生的ARM嵌入式系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái),在后期的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中可以起到事半功倍的效果[9]。在綜合比較目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱和開(kāi)發(fā)板之后,從接口豐富程度、易操作性、可擴(kuò)展性、廠商售后支持力度等幾個(gè)因素出發(fā),選擇了北京博創(chuàng)智聯(lián)UP-NETARM2410、UP-CUP2440等系列的模塊化教學(xué)科研平臺(tái)。這些平臺(tái)以通用的三星S3C2410或S3C2440微處理器為核心,外部接口及平臺(tái)軟、硬件資源較為豐富，方便移植Linux、μC/OS II、WinCE等多種嵌入式操作系統(tǒng),可擴(kuò)展CAN總線、USB攝像頭、紅外對(duì)射、溫濕度傳感器、霍爾開(kāi)關(guān)、廣譜氣體傳感器、紅外通信、GPS/GPRS等多種模塊，既可以滿(mǎn)足大部分學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)軟、硬件基礎(chǔ)知識(shí)的基本需求,又可以方便后續(xù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的開(kāi)展。

3.2 課堂教學(xué)模式改革

嵌入式系統(tǒng)以用戶(hù)應(yīng)用為中心,實(shí)用性與創(chuàng)新性設(shè)計(jì)決定了所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的嵌入式產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值[10]。培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力,是本課程的側(cè)重點(diǎn)之一。為此,在理順嵌入式系統(tǒng)相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)思路的同時(shí),嘗試增加課堂演示實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的比重,增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外,重點(diǎn)引入項(xiàng)目教學(xué)法,加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生綜合性、設(shè)計(jì)性、團(tuán)隊(duì)合作實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練。項(xiàng)目教學(xué)法就是以嵌入式系統(tǒng)小型實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目為例,教師按照真實(shí)項(xiàng)目的運(yùn)行需求設(shè)計(jì)整個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。要求學(xué)生以小組形式完成整個(gè)課題的設(shè)計(jì),了解項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程和運(yùn)作要求,掌握嵌入式系統(tǒng)軟、硬件的具體設(shè)計(jì)步驟與方法。小組成員根據(jù)自己的特點(diǎn)和技術(shù)擅長(zhǎng)進(jìn)行項(xiàng)目分工協(xié)作,開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)遇到的問(wèn)題可以進(jìn)行團(tuán)隊(duì)交流協(xié)商,最終團(tuán)隊(duì)共同完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)報(bào)告并進(jìn)行課堂演示答辯。

3.3 課程精品教材建設(shè)

在授課過(guò)程中,需要將理論知識(shí)與科研及工程實(shí)踐項(xiàng)目有機(jī)地結(jié)合起來(lái)[11]。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程教材注重理論知識(shí)的講授,主要章節(jié)缺乏配套的動(dòng)手實(shí)例介紹。在歷屆授課過(guò)程中,嵌入式系統(tǒng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)迫切需要一本能密切結(jié)合我校教學(xué)實(shí)際的應(yīng)用型精品教材。在試用自編校內(nèi)講義和總結(jié)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室組織經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)教師新編寫(xiě)了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教材,并已經(jīng)成功入選普通高等教育電氣工程與自動(dòng)化(應(yīng)用型)“十二五”規(guī)劃教材,其具體內(nèi)容安排如表1所示。

表1 《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》新教材的內(nèi)容安排

在該教材中,以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ),注重實(shí)踐應(yīng)用。在介紹完每個(gè)章節(jié)的理論知識(shí)以后,主要章節(jié)都配套了相應(yīng)的動(dòng)手實(shí)例講解。特別是在最后一章 “嵌入式系統(tǒng)的工程開(kāi)發(fā)實(shí)例”中,著重介紹了幾個(gè)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例。這些實(shí)例絕大部分來(lái)自于課程組教師的縱向科研課題或橫向工程項(xiàng)目,具有較強(qiáng)的實(shí)踐代表性和工程應(yīng)用背景。該教材由機(jī)械工業(yè)出版社順利出版之后,在我校嵌入式系統(tǒng)系列課程上進(jìn)行了多次試用,獲得了學(xué)生與讀者良好的反饋。

3.4 增強(qiáng)師生之間的互動(dòng)交流

在嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生隨時(shí)會(huì)有各種疑問(wèn)需要解答。特別是在課后學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)綜合性、設(shè)計(jì)性項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中,隨時(shí)都可能遇到形形色色的各種小問(wèn)題。甚至一個(gè)簡(jiǎn)單的軟件參數(shù)設(shè)置問(wèn)題,學(xué)生就有可能卡在那里,許久找不到答案,影響整個(gè)項(xiàng)目后續(xù)開(kāi)發(fā)步驟的實(shí)施[12]。此時(shí)，如果教師能盡快回應(yīng)學(xué)生提出的疑問(wèn),無(wú)疑會(huì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)系列課程的效率。

為了增強(qiáng)師生之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)交流,嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建立了師生互動(dòng)交流學(xué)習(xí)QQ群。由于智能手機(jī)的廣泛普及,學(xué)生已經(jīng)人手1機(jī)。在實(shí)驗(yàn)課前,教師可以將課堂實(shí)驗(yàn)講義、課件、程序包等資料提前發(fā)到QQ群中,供學(xué)生下載預(yù)習(xí)。在每堂課之后,師生可以及時(shí)在QQ群中討論今天的課堂內(nèi)容和授課效果,便于教師對(duì)班級(jí)的整體學(xué)習(xí)情況進(jìn)行把握,方便教師對(duì)后續(xù)課程的進(jìn)度和難度進(jìn)行微調(diào)。在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)課外學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生也可以利用QQ手機(jī)在線模式,隨時(shí)隨地在QQ群里提出問(wèn)題,與教師進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)交流。

3.5 校企合作,以賽促學(xué)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以應(yīng)用為中心,特別注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程過(guò)程中,必須進(jìn)一步深化實(shí)踐教學(xué)改革,鍛煉學(xué)生解決工程綜合問(wèn)題的實(shí)際動(dòng)手能力,培養(yǎng)符合企業(yè)用人需求的“訂單式”人才[13]。為此,我校電氣工程學(xué)院在2015年暑期與浙江大學(xué)華嵌信息技術(shù)有限公司聯(lián)合舉辦了“樂(lè)馬營(yíng)”嵌入式培訓(xùn)班；近年來(lái),也一直與深圳信盈達(dá)電子有限公司保持校企合作,聯(lián)合舉辦了多期嵌入式ARM培訓(xùn)班。其培訓(xùn)內(nèi)容涵蓋了Linux嵌入式操作系統(tǒng)、C語(yǔ)言、ARM體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)的主要組成部分。經(jīng)過(guò)校企聯(lián)合培訓(xùn),為低年級(jí)學(xué)生后續(xù)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)方向的課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。部分面臨畢業(yè)的大四學(xué)生在接受這些專(zhuān)業(yè)的校企聯(lián)合強(qiáng)化訓(xùn)練之后,甚至被培訓(xùn)企業(yè)直接推薦到深圳、杭州等地的嵌入式相關(guān)行業(yè)的知名企業(yè)去工作,薪酬遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我院同屆畢業(yè)生的平均工資水平。該現(xiàn)象反映了目前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)崗位用人需求的火爆程度,同時(shí)也驗(yàn)證了校企聯(lián)合培訓(xùn)對(duì)培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的重要性。

此外,大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽與科技競(jìng)賽也是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生頑強(qiáng)拼搏的精神、自學(xué)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的重要途徑。電氣工程學(xué)院于2017年舉辦了河南工業(yè)大學(xué)第一屆單片機(jī)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，與杭州哲嘉科技有限公司聯(lián)合舉辦了2017年首屆“哲嘉杯”河南省大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計(jì)大賽，每年組織學(xué)生參加教育部倡導(dǎo)的全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。我院取得的眾多競(jìng)賽優(yōu)秀成績(jī)表明,大學(xué)生科技競(jìng)賽充分調(diào)動(dòng)了廣大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的熱情,為我院培養(yǎng)應(yīng)用型高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才踐行了一條較為成功的改革之路。

4 結(jié)語(yǔ)

我院嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室自2006年籌建以來(lái),人才培養(yǎng)模式及開(kāi)設(shè)的嵌入式系統(tǒng)系列課程就處在不斷的改革實(shí)踐與完善過(guò)程中。通過(guò)師生10多年的不懈努力,實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)逐漸走上了嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課—課程設(shè)計(jì)—開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—大學(xué)生科技競(jìng)賽—畢業(yè)設(shè)計(jì)的良性循環(huán),培養(yǎng)并增強(qiáng)了大學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐動(dòng)手能力,為用人企業(yè)輸送了一大批高素質(zhì)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型技術(shù)人才。

在下一步的“應(yīng)用型”嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)模式改革中,我院將統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點(diǎn),積極配合我校工程教育認(rèn)證和本科教學(xué)工作審核評(píng)估,進(jìn)一步優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)大綱和理論講授內(nèi)容,并繼續(xù)完善該課程的實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)。