基于嵌入式系統應用型人才培養基地的建設

摘要：針對嵌入式產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的機遇，簡(jiǎn)要分析了目前國內高校在嵌入式系統教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足。基于我院嵌入式系統應用型人才培養基地的建設，介紹了在實(shí)施嵌入式人才培養中，從指導思想、培養目標、課程設置、實(shí)訓內容、教學(xué)模式等方面的做法。實(shí)踐證明，學(xué)生在嵌入式開(kāi)發(fā)及應用能力方面有了明顯的提升，同時(shí)又推動(dòng)了學(xué)科發(fā)展及師資隊伍建設。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；開(kāi)發(fā)；應用型；人才培養；基地建設

嵌入式系統(Embedded System)被定義為以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式涵蓋了微電子技術(shù)、電子信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，其核心包括：嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統及用戶(hù)程序，主要用于實(shí)現對設備的信息處理、控制、管理等功能。嵌入式系統的應用覆蓋網(wǎng)絡(luò )、通訊、智能信息產(chǎn)品、工業(yè)控制、航空、航天等各種領(lǐng)域，其產(chǎn)品以高性能、低功耗、應用方案靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、軍事國防、航空航天、網(wǎng)絡(luò )通信、消費電子等行業(yè)發(fā)揮著(zhù)重要作用。嵌入式系統應用已經(jīng)滲透到各個(gè)科技領(lǐng)域和日常生活的每個(gè)角落，可以說(shuō)嵌入式技術(shù)無(wú)處不在，是后PC時(shí)代最人們的研究領(lǐng)域之一。
嵌入式系統的廣泛應用及其良好的發(fā)展潛力催生了企業(yè)和社會(huì )對嵌入式系統人才的需求，越來(lái)越多的在校大學(xué)生、企業(yè)工程師和相關(guān)技術(shù)人員也都加入了嵌入式系統的學(xué)習大軍。國內高校紛紛開(kāi)設了嵌入式體系結構的相關(guān)課程，但嵌入式系統教育還處于初期階段，沒(méi)有形成統一的教學(xué)體系和人才培養模式，課程缺乏系統性和層次性；諸多高校只是為了適應技術(shù)的發(fā)展趨勢改變或者增設一兩門(mén)嵌入式系統方面課程，同時(shí)又存在著(zhù)缺設備、缺師資、缺系統的教學(xué)現狀。而嵌入式系統本身涉及知識面廣、綜合性和應用性強，加上學(xué)科發(fā)展之快，因而學(xué)習和講授難度較大，難以形成一個(gè)簡(jiǎn)單明晰的知識體系，大部分學(xué)生根本無(wú)法在很短的時(shí)間內掌握嵌入式系統的開(kāi)發(fā)和設計方法。
如何開(kāi)展嵌入式的“教”與“學(xué)”，如何在有限的學(xué)時(shí)里安排教學(xué)內容，以及通過(guò)什么樣的平臺進(jìn)行知識的學(xué)習和應用是很多高校在嵌入式系統人才培養中面臨的問(wèn)題。作者作為負責人申報了嵌入式應用型人才培養基地建設項目，該項目得到了省教育廳的資助，旨在通過(guò)基地建設，從課程體系搭建、人才培養模式創(chuàng )新、教學(xué)方式改革、師資隊伍建設等方面構建一種學(xué)習與工作相結合的教學(xué)模式和課程設計理念，從而能夠有效地對嵌入式系統方向高技術(shù)應用型人才的培養。
嵌入式系統應用型人才培養基地建設，通過(guò)市場(chǎng)調研及企業(yè)訪(fǎng)談，提取存在的問(wèn)題，并于企業(yè)共同制定培養方案及基地建設，最后通過(guò)實(shí)施調整及完善方案，重點(diǎn)突出以下5個(gè)方面：1)加強實(shí)踐環(huán)節。由于嵌入式系統設計是一個(gè)實(shí)踐性很強的技術(shù)，如果缺乏相應的實(shí)驗環(huán)節或系統性實(shí)驗作支撐，只是簡(jiǎn)單的驗證性實(shí)驗，學(xué)生很難從系統性上進(jìn)行全面把握，同時(shí)教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)單枯燥，不易激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣；2)形成社會(huì )急需嵌入式系統開(kāi)發(fā)與應用相對接的課程群，構建課程體系結構，分層次、分項目漸進(jìn)性的學(xué)習與實(shí)踐，逐步提高學(xué)生嵌入式系統的理論水平和應用能力，使學(xué)習過(guò)程上升到系統級和專(zhuān)業(yè)級。3)配備具有開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的工程師與高校教師1：1共同承擔授課任務(wù)，提高嵌入式體系相關(guān)課程的教學(xué)效果。4)研發(fā)適合學(xué)生使用的開(kāi)發(fā)平臺，為學(xué)生課下學(xué)習提供有力保障。5)采取任務(wù)驅動(dòng)的教學(xué)方法，邊干邊學(xué)，以干促學(xué)。

1 基地建設指導思想
1)前期積累
我院2005年開(kāi)始籌建嵌入式系統實(shí)驗室，自主研制、開(kāi)發(fā)用于教學(xué)的51系列(8位)，430系列(16位)，ARM系列(32位)嵌入式多功能用戶(hù)板各20套；2007年開(kāi)始投入使用到實(shí)驗教學(xué)、課程設計、畢業(yè)設計、課外科技活動(dòng)等，效果良好。
2)基地建設指導思想
目前，國內各高校嵌入式實(shí)驗教學(xué)設備一般采用市售專(zhuān)用教學(xué)實(shí)驗箱。實(shí)驗箱在嵌入式教學(xué)中存在諸多問(wèn)題，主要體現在：缺乏系統性，學(xué)生很難從系統結構上進(jìn)行全面把握；器件配置低、功能單一，不適宜工程開(kāi)發(fā)應用；體積龐大，不便于攜帶；產(chǎn)品價(jià)位高，不易普及推廣。鑒于此原因，我院于2008年3月開(kāi)始研發(fā)具有高配置、小體積、低價(jià)位的多功能系列用戶(hù)板，并進(jìn)行軟硬件系統的開(kāi)發(fā)應用于教學(xué)中，構建嵌入式系統綜合實(shí)訓平臺。其意義在于①為學(xué)生進(jìn)行綜合知識應用、發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性及創(chuàng )造能力提供軟硬件環(huán)境；②有利于學(xué)生從體系結構上全面了解嵌入式系統的基本開(kāi)發(fā)應用；③提升實(shí)驗室的綜合科技水平，培養鍛煉教學(xué)團隊，為實(shí)驗室發(fā)展注入自我造血機能：④改善實(shí)驗教學(xué)條件，不斷提高教學(xué)水平；⑤節省對實(shí)驗室設備的投資。

2 基地建設規模及定位
1)基地建設規模
我院已建成面積350 m2 4個(gè)嵌入式系統研發(fā)培訓實(shí)訓室。其中2個(gè)以嵌入式單片機開(kāi)發(fā)應用為主，主要以模塊化為主進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)目的重在掌握嵌入式系統各部分功能及應用開(kāi)發(fā)。另外2個(gè)依托相關(guān)企業(yè)合作聯(lián)建、聯(lián)合辦學(xué)，教學(xué)目的重在掌握嵌入式系統開(kāi)發(fā)應用?；乇ＷC能夠同時(shí)容納100名學(xué)員接受學(xué)習與培訓，滿(mǎn)足社會(huì )對計算機相關(guān)專(zhuān)業(yè)、電子信息與通信工程和自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)在嵌入式方面的人才培養需求。
2)基地定位與培養目標
定位：培養面向嵌入式技術(shù)應用及產(chǎn)品研發(fā)的中、高級技術(shù)人才。
培養目標：①高端人才培養目標：圍繞ARM+Linux系統的軟硬件開(kāi)發(fā)，全面深入地理解嵌入式系統的硬件組成和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)、Linux的裁剪、移植、底層驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)與編程。通過(guò)系統的學(xué)習，使學(xué)生能夠獨立承擔在嵌入式領(lǐng)域從事產(chǎn)品設計與開(kāi)發(fā)應用的復合型應用人才。②中低端人才培養目標：通過(guò)嵌入式單片機系統分析、硬件電路設計、焊接技術(shù)、系統軟件編程、代碼優(yōu)化、文檔整理、工程素質(zhì)培養等方面的學(xué)習，使學(xué)生具有工業(yè)控制核心電路板的軟／硬件系統應用開(kāi)發(fā)能力，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域工程技術(shù)開(kāi)發(fā)應用中級人才。

3 教學(xué)效果
1)教學(xué)模式創(chuàng )新
在教學(xué)模式上，采用多種教學(xué)模式，理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)相結合、教師指導與自主學(xué)習相結合、應用與創(chuàng )新相結合、課堂教學(xué)與課外創(chuàng )新實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)相結合。構建了“演示驗證型-模塊開(kāi)發(fā)應用型-系統綜合設計型-研究開(kāi)發(fā)型”4層次嵌入式實(shí)驗教學(xué)體系。授課模式以“案例”與“項目驅動(dòng)”相互融合的教學(xué)方法創(chuàng )新，通過(guò)師生共同實(shí)施一個(gè)完整的“項目案例”工作，使學(xué)生達到理論聯(lián)系實(shí)際、融會(huì )貫通，并把CDIO工程教育理念貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程。
2)師資隊伍建設
為保證基地建設持續良性的運行，不斷滿(mǎn)足社會(huì )對嵌入式方面人才的技術(shù)需求，引進(jìn)企業(yè)工程師若干名。企業(yè)工程師和高校教師1：1共同承擔核心課程的授課任務(wù)。我們高度重視在職教師的培養，有目的、有計劃地安排教師到嵌入式方面進(jìn)行培訓，每年派出教師到企業(yè)崗位掛職鍛煉；積極參加各類(lèi)研討會(huì )，定期開(kāi)展嵌入式新技術(shù)發(fā)展知識講座，及時(shí)掌握嵌入式系統發(fā)展動(dòng)態(tài)；長(cháng)期與企業(yè)合作聯(lián)合研發(fā)嵌入式相關(guān)產(chǎn)品。通過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐，逐步形成了嵌入式培訓基地教學(xué)研發(fā)團隊在知識能力、學(xué)歷層次、職稱(chēng)及年齡結構較為合理的教師梯伍。
3)教材建設
近年來(lái)，隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于嵌入式系統理論方面的教材和專(zhuān)著(zhù)如雨后春筍般涌現。但突出應用實(shí)踐性教學(xué)的教材屈指可數。這也反映了國內嵌入式系統教學(xué)過(guò)程中存在重理論輕實(shí)踐的現象。教材是體現教學(xué)內容和教學(xué)方法的知識載體，教材建設是基地在實(shí)施應用型人才培養的基礎和核心。因此，它是實(shí)施培養目標的重要保證。依據嵌入式不同層次人才培養目標要求，編寫(xiě)了基于51系列、430系列和ARM系列的實(shí)驗教材。教材內容主要包括：開(kāi)發(fā)板電路說(shuō)明、功能特點(diǎn)和使用方法，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)驗項目的軟硬件開(kāi)發(fā)應用。該系列教材以學(xué)生能力培養為目標，體現先進(jìn)性，突出系統性，注重實(shí)用性。