“嵌入式软件和系统”专业教学改革思路探索

陈国荣 施金良 彭 军

摘要:随着嵌入式系统应用的迅速发展,许多高校陆续开始培养基于嵌入式应用的人才,但是,相当一部分高校却不得不面对学生“会背书、会考试、不会做”的尴尬局面。为此,作者在分析“嵌入式软件和系统”专业需求主干课程特点的基础上,提出了从教学理念(Learning by doing)、教学方法(面向市场、结合产学研)、考核方法(项目考核)、能力培养(综合能力)和专业导向(前沿性和时代性)等多个方面进行综合改革的思路。

关键词:教学改革;嵌入式软件和系统;专业培养

中图分类号:G642 文献标识码:A

1概述

嵌入式系统是面向国防军工、数字家庭、工业控制、教育教学、消费电子、网络通信、航空航天等各个领域的(如图1所示),以应用为中心、以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,能满足目标应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算机系统,它是继IT网络技术之后,又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征,应用领域越来越广。可以说嵌入式技术是当前发展最快、应用最广、前景最好的信息技术主要应用领域之一,也是近年来各高校信息学科普遍重视的专业方向之一。

但是,许多高校未能考虑到该专业主干课程具有的实践性强、专业性强等特点,一味地照搬其他学科的教学方法,致使课程教学的效果与预期相比有较大的差距。为了解决这个问题,作者提出了一种基于“Learningby doing(做中学)”的嵌入式系统设计课程教学改革思路。同时,将该课程教学改革思路应用到重庆科技学院计算机科学与技术专业的“嵌入式软件和系统”专业方向中,取得了较好的应用效果。

2主干课程分析

教学改革的具体对象是面向课程的,因此,对该专业方向的课程进行分析有利于弄清楚该专业中主干课程的特点,进而明确课程教学改革要解决的核心问题和今后课程改革的方向。

2.1课程体系方向分析

嵌入式系统是软硬结合的应用系统,嵌入式系统开发主要有两个大的方向。

方向一偏重硬件设计,例如与电子工程、通信工程相结合。这个方向培养出来的学生主要从事硬件设计工作,有时需要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件,如BootLoader、Board Support Package(像PC的BIOS一样,往下驱动硬件,往上支持操作系统)、最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚,不足在于这类方向的人才更擅长定义各种硬件接口,但对复杂软件系统往往力不从心(例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等)。

方向二偏重软件设计,例如和软件工程、计算机科学与技术结合,这个方向培养出来的学生主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。他们对硬件原理和接口有较好的掌握,也完全可以写BSP和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后,各种功能就全靠软件来实现了,嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件,这占了嵌入式系统的最主要工作。目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司,很多嵌入式公司自己只负责开发软件,因为公司都知道,嵌入式产品的差异很大程度在软件上。越是智能设备,越是复杂系统,软件越起关键作用。

2.2课程体系及主干课程分析

从以上分析还可以看出,一个完整的嵌入式课程体系主要包括一门主流嵌入式微处理器的结构与原理、一个嵌入式操作系统以及熟悉嵌入式软件开发流程(至少做过一个嵌入式软件项目),如图2所示。

为此,该专业的课程设置一般包含以下课程:

(1) 嵌入式微处理器结构与应用

这是一门嵌入式硬件基础课程,这门课程与“微机原理与接口”内容上有些类似。学习本课程的目的是对ARM处理器工作原理、ARM的汇编指令系统和接口技术有充分的了解。无论学生以后的方向是ARM+WinCE、ARM+LINUX、ARM+VXWORKS中的哪一种,学习本课程都是非常重要的。

(2) 嵌入式操作系统类课程

大多数嵌入式操作系统的实时性都很强,所以也可称为实时操作系统Real Time Operating System,从事嵌入式工作的人至少须掌握一个嵌入式操作系统,这在嵌入式的所有技术中是最为关键的。目前最重要的RTOS主要包括Vxworks操作系统、嵌入式Linux操作系统、Windows CE嵌入式操作系统。其中Vxworks主要用在通信领域,Linux的优点在于价格便宜,Windows CE的优点在于入门容易,且支持的开发工具很多。目前,大多数高校在“Windows CE与嵌入式软件开发”或“嵌入式Linux设计与开发”中选择一种。

(3) 嵌入式软件设计与编程相关课程

本课程的方向决定具体的专业应用方向,例如北京大学的嵌入式系统综合实践、移动通信服务终端、数字家庭技术分别代表了三个不同的专业发展方向,即嵌入式系统工程、移动通信服务终端、数字家庭技术等方向。我们可以根据需要设置一个主攻方向,另外可开设一些其他方向的选修课程。

(4) 嵌入式开发的相关软硬件基础课程

“数字电路”、“计算机组成原理”、“嵌入式微处理器结构”、“汇编语言”、“C/C++”、“数据结构和算法”、“软件工程”等,这些都是软硬件开发的基础课程,是学习嵌入式软件和系统方向的基础。

另外,针对具体的应用需求,还可以开设与该应用需求相关的一些课程。

目前,国内已经有部分高校在该专业招生,东南大学、北京大学、重庆大学、电子科技大学、浙江大学等开设的主干课程均完全按照上述需求进行课程设置,但由于各自的专业重心不同,选修课程略有差别。

3教学改革思路

基于上述主干课程的分析可以看出,“嵌入式软件和系统”主干课程最大的特点就是要求实践,强调学生的动手能力。针对该专业课程的特征,可从教学理念、教学方法、考核方法、能力培养和专业导向等多个方面进行综合改革,如图3所示。

3.1教学理念

嵌入式常常与新产品和新技术联系在一起,嵌入式课程本应是最能激发学生学习主动性和创新意识的实践性很强的课程,但目前国内嵌入式教学仍普遍停留在以讲概念和讲原理为主的水平上,导致学生学完后“会背书,不会做”,严重影响教学质量。为解决这一老大难问题,采用“Learning by doing(做中学)”这一先进教学理念势在必行。

“Learning by doing”是一种让学生在工程项目(包括综合性设计性单元教学)中通过实战来提高动手能力的学习方法。该方法有利于学生在学习中养成良好的项目管理、团队合作精神,提高其技术水平和开发能力。

3.2教学方法

我们对常规教学方法进行全面改革,并与国内外知名研究机构、企业合作,采用“面向市场、结合产学研”的教学方式,实现与企业的无缝对接,使本专业学生具有“显著工程实践能力”。例如,结合重庆大学城毗邻重庆西永微电子产业园的优势,我们的嵌入式软件和系统专业方向目前已与东方标准培训中心、惠普重庆研究中心、中科院软件中心的渝德科技、NTT Data等厂商签订或正在洽谈产学研合作办学事宜,引进这些大公司研发机构的成熟经验,一方面可以提高学生的动手能力,另一方面也为学生今后的就业打下坚实的基础。

3.3考核方法

“会考试,不会做”是我国工程类课程教学长期存在的一大顽疾,学生通常只要到期末临时突击背书便可混过考试,这样的现象归根到底还是传统的笔试考核模式在作怪。为此,我院改革传统的笔试考核,完全以各章节的小项目及提交的期末大项目(作品)进行考核,即采用“项目考核”的考核方式。这就要求学生平时必须花很多时间和精力在项目上,通过项目又可激发学生的成就感,充分调动学生的学习主动性,对提高课程教学质量和保证教学效果起到至关重要的作用,此项举措在该类课程中尤其具有推广价值。

3.4能力培养

本课程非常强调学生综合能力的培养。我们鼓励学生开动脑筋报项目,并要求其项目作品能在不同的嵌入式硬件平台上运行,促进学生充分发挥想象力和创造力。学生在项目实践中锻炼了自学和解决实际问题的能力,以自由组合的形式进行团队软件项目开发,也培养了学生的团队合作能力,而采用演讲演示、答辩的方式验收课程项目,则培养了他们的交流表达能力。同时,为改变目前理工科专业学生普遍重视技术技巧,忽视工程项目过程管理的现状,本课程在教学过程中将全面采用项目组织和管理思想,使学生在校期间就能形成良好的软件工程素养和意识,提高团队工程项目的组织和管理水平。加强以上全面能力的培养正是我国理工科专业教育改革的方向。

3.5课程的前沿性和时代性

嵌入式技术的突出特点是与具体应用紧密结合。学生学习嵌入式的根本目的就是为了有能力做实际嵌入式系统的开发。如果教学脱离业界的主流开发技术去空谈,就失去了嵌入式教学的意义。教育的根本目的是为企业培养人才,不是为闭门造车。本课程直接以业界主流的嵌入式操作系统和开发平台为基础,学生学完后可立即开始实际嵌入式软件的开发工作,避免了传统教学方法所导致的学生参加工作后要重新从头学起的弯路。同时课程设计将紧密跟随嵌入式技术的发展,及时地把最新的技术应用到教学内容中,这使得学生能及时地接触和学到业界的最新技术。随着技术的进步,不断充实和更新教学内容,可长期保持课程的生命力和发展活力。

上述课程改革方案在重庆科技学院的“嵌入式软件和系统”方向的课程教学中进行了尝试,取得了较好的应用效果。

4结论

针对目前“嵌入式软件和系统专业”课程教学中普遍存在的“会背书、会考试、不会做”的实际情况,作者在本文中完成了如下工作:

(1) 分析了“嵌入式软件和系统”专业的应用需求和主干课程的特点;

(2) 从教学理念、教学方法、考核方法、能力培养和专业导向等多个方面提出了“嵌入式软件和系统”专业的教学改革思路。

应用效果证明该课程改革思路对提高“嵌入式软件和系统”主干课程的教学质量具有明显的效果。

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Reform Thinking About College Education in the Specialty of Embedded Software System

CHEN Guo-rong, SHI Jin-liang, PENG Jun

(School of Electron & Information EngineeringChongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Abstract: With the extending of the application in embedded software system, the talent-trainings in the specialty bearing have appeared in some college. But a difficult situation of “rote learning and coping test but do not have the capability of solving problems” appears in most of those. In order to deal with the difficulty, the needing of the specialty and the performance of the main courses were analysized. The reform thinking were put forward to in five aspects: a new teaching conception of learning by doing; a teaching method of markets oriented and CEEUSRO based; assessing the learning effect by the items their doing; aiming at the target of improving their integrated ability; and keeping the course with the times. The reform thinking about college education in the specialty of Embedded Software System has been practiced in the specialty in Chongqing University of Science and Technology, and the application effect proved it.

Key words: teaching reform; Embedded Software System; specialty training