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計算機專業嵌入式課程教學改革探索
計算機專業嵌入式課程教學改革探索
牛薌潔
（北京農學院計算機與信息工程學院，北京102206）
摘要：近年來國內高校計算機、電子、軟件等專業針對市場需求，開設了嵌入式方向相關課程，筆者結合實際教學經驗，針對嵌入式課教學中存在的若干問題，提出自己獨特的見解，對農林院校嵌入式課程實踐教學改革和創新進行了深入的探討，對具有其他辦學特色的地方院校有一定的借鑒意義。
關鍵詞：嵌入式教學；實踐；自主互助學習
一、存在的問題
隨著技術的快速發展和對嵌入式行業人才的持續需求，各個高等院校紛紛開設了嵌入式相關課程，然而在培養目標、課程設置、教學方法等教學關鍵因素中均存在若干問題。現將本人在計算機科學與技術專業嵌入式方法教學過程中存在的問題提出自己的一些想法。
1. 市場人才要求和高校畢業生素質之間的差異。目前，智能化計算機領域就業市場對嵌入式從業人員的需求持續高漲，然而從高校畢業的嵌入式專業或方法的大學生中卻難以真正達到嵌入式從業人員標準，甚至多數畢業生并不具備從事嵌入式開發工作的能力，即便企業錄用的專業畢業生，也通常需要對其進行一段相當長時間的再培訓。市場人才要求和高等畢業生素質之間的矛盾日益突出。
2.重理論講述而輕實踐環節訓練。據了解，我國大多數院校的嵌入式系統本科教育仍采用以理論為主，實驗為輔的教學模式。多數學校的理論課時與實驗課時的比例為3∶1或2∶1，能達到1∶1的情況很少；一般以實驗室提供的嵌入式系統實驗箱配套實驗為基礎，教師在實驗中往往選用的是基礎側重驗證性實驗，選用的復雜和高級實驗較少。
我校是在計算機科學與技術開設嵌入式方向，其作為專業方向課開設在大學三年級，前修課程為《程序設計基礎》、《計算機操作系統》、《計算機組成原理》、《數字邏輯》等課程。眾所周知，嵌入式方向所涉及的實驗都是以系統層面為基礎，每個實驗均需要投入較多時間來完成，因此實驗學時需求較大，而從整體課程體系來看，確實存在理論部分內容占用較多學時的問題，目前，我校在課程設置中理論學時較小，加大了實驗學時的比重，然而實驗學時如何有效使用以及如何對實踐環節進行外延，這是擺在我們面前一個嚴峻的問題。3.缺乏與企業和公司的合作。除了必要的相關課程實驗項目，我們在教學過程中，發現有些實驗項目與公司企業的需求有一定差異，其一，實驗項目內容和市場整個行業發展之間的不協調，使得嵌入式課程的實踐教學跟市場有所脫節；其二，嵌入式方向課程綜合性的特征使得實驗項目的實施必須得到必要的資金支持。否則在校學生接觸市場的機會減少，使得嵌入式課程的實踐教學缺乏必要的直觀性，制約學生學習的積極性。
地方院校可以發揮其辦學特點，和當地相關產業緊密聯系，通過校企合作，由教師審核指導，學生動手，開展校企合作項目，這也是培養應用型人才的重要途徑之一。
二、嵌入式課程體系教學設置
1.嵌入式課程特點。我校計算機科學與技術專業嵌入式方向的學生側重從事嵌入式操作系統和應用軟件的開發。我們在實際的教學過程中發現嵌入式系統開發和一般的PC機開發具有明顯的差異。首先，嵌入式系統的開發往往需要根據用戶的需求進行定制，而不是通用操作，開發人員必須具備完善的知識體系；其次，嵌入式系統開發的工程性，嵌入式系統開發往往都是一個體積非常小的部件，CPU通常不采用Intelx86系列，開發工具也是專用的開發板。學生如果不通過實際動手開發一個系統模塊，就很難了解嵌入式開發的基本過程，因此，實際動手能力是嵌入式課程最顯著的特點。
2.我校嵌入式課程體系設置。嵌入式課程的特點使得學生必須有較完整的知識結構，因此，嵌入式課程體系的設置尤為重要，表1是我校嵌入式課程內容及時間設置情況。
表1顯示，我校計算機科學與技術專業嵌入式方向專業課程從第二學年第4學期開始，從系統開發基本概念以及開發平臺出發，依次對嵌入式操作系統Linux、嵌入式程序設計基礎以及Java程序設計基礎進行深入講解，最后對嵌入式接口技術以及高級編程展開講解，第四學年兩個學期分別對專業實習和畢業實習進行持續性的工程化實踐教學。
三、教學改革措施與創新實踐
1.注重培養創新能力。嵌入式系統的開發依托產品和市場，而設計的創新性決定了系統的價值，因此，如何通過課程加強學生創新素質培養是我們面臨的難題。我們在教學過程中的措施如下：理論學時僅概要講解基本原理和方法，要求學生充分利用課外時間，查閱各種文獻資料進一步學習，學生可以根據個人興趣有選擇地對某些問題進行深入的分析研究，環境搭建以及技術要點則通過實驗學時完成；將學生兩人一組，要求每組必須選取至少一個實驗模塊，小組內進行任務分工，對實驗模塊所涉及的知識點以及代碼編寫，甚至存在的問題等，在實驗學時容許的范圍內進行全班范圍內講解，任務在學期初就進行認領，提前布置給學生，使學生有充分時間準備，將被動接受知識的灌輸轉變為主動探索思考，鼓勵學生對實例所采用的技術和方案進行不同角度的評價，深入研究實際系統，任課教師也對分組學生的任務完成給予一定的評價和考核，提高學生的學習能動性；利用實驗學時6學時的綜合開放實驗，任課教師鼓勵和引導學生積極提出自己的設計思想，并且注重設計的原創性。2.以生命期為線，規劃教學體系。完整的知識結構離不開完善的嵌入式系統開發生命期的教學體系，因此嵌入式教學體系按照從下往上，從硬件到軟件，從平臺到應用的“三步走”思路，將嵌入式系統開發的生命周期和課程設置進行對應：①嵌入式開發環境的建立，對應課程《嵌入式軟件開發導論》、《嵌入式接口技術》，著重開發平臺的了解和認識，交叉編譯、仿真開發環境的搭建和使用方法的掌握，這不但是嵌入式系統開發的基礎，也是實際工程項目的開始。②基于嵌入式操作系統的軟件開發，對應課程《嵌入式操作系統》、《嵌入式程序設計基礎》，包括應用開發和核心編寫代碼，是實際工程項目中的應用程序設計的基礎。③嵌入式綜合應用的開發，對應課程《嵌入式高級編程》、《Java程序設計》，包括農業移動多媒體、農業生產嵌入式圖形應用、智能農業等復雜的復合型應用的開發，直接面向實際工程項目。
這完整的嵌入式課程實驗體系，不僅使得教師可以在各個層面對學生的實踐能力進行培養，并且可以幫助學生更清晰地理解嵌入式系統的全貌，對嵌入式系統有更加深入的認識。
3.強化實踐教學。教學內容以及硬件平臺是影響實踐教學的重要因素，也是強化實踐教學的兩個關鍵方面。我校教學平臺是購買市面上現成的通用型實驗開發箱，按照廠家提供的內容來授課，實驗課程初期，學生的實踐環節受限于教學內容和實驗設備，大多只能做些驗證性實驗，直接影響學生面對實際系統時的實際操作創新能力與后續開發實際動手能力，隨著課程體系的不斷完善，我校和廠家建立了一定的技術合作關系，在通用型的開發平臺的基礎上，自行改進設計成為適合本校學生使用的開發板，在實踐教學中，通用型和改進型開發板結合使用，達到了良好的教學效果。和廠家進行技術合作關系，我們收獲頗多。對實驗指導書的實驗要求進行一定的調整；減少驗證性實驗數量，增加了創新性實驗部分；基于現有的實驗教學平臺擴展一定的外部功能模塊。一系列的改進措施，不但貼近了我們的教學目標，而且更好地與實際應用接軌。
4.運用學生自主互助學習形式。運用多種形式的自主互助學習形式對提高學生學習主觀能動性有極大的促進。①采取項目為載體，小組活動的形式。以學生為主體、以教師為主導，將每個實驗內容作為一個小項目，采取分組分工運行的方式，根據題目的具體分工進行分崗位操作，團隊成員每人完成一部分工作，教師提出項目設計要求，由項目組成員對問題進行分析討論，完成從嵌入式系統開發平臺建立到驅動程序和應用程序的項目開發。②鼓勵學生參與教師的科研項目。教師結合自己的科研課題，將任務進行模塊化劃分，鼓勵對嵌入式系統開發有興趣，能堅持吃苦的學生以團隊為單位，自主選擇對應的項目模塊進行深入學習，整個過程中，學生以團隊為單位，按照項目開發流程實施項目任務，留出學生自由學習的空間；教師在項目實施過程中給予一定的方向性指導和技術支持。③鼓勵學生積極參與課外專業競賽或科研項目，如國家級、省級的嵌入式電子設計大賽，大學生創新性科技項目，學生科學研究項目等，通過競賽可以有效地激發學生的創新能力，培養學生勇于探索的精神，訓練學生的綜合能力，提高學生的實踐動手能力。實踐證明，我校參加過專業競賽或科研項目的學生在解決問題的方面具有更大的優勢。
嵌入式系統課程具有應用性極強的特點，其教學改革也將是復雜而艱巨的過程，因此，我們要在今后的教學過程中，不但力求建立完整、合理的課程設置體系結構，而且還要注重強化實踐教學活動，這樣才能培養出理論基礎扎實、工程設計經驗豐富的嵌入式專業人才。
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