应用型嵌入式系统人才培养模式研究与实践

张晓东, 卢 涛, 曹 毅, 王艳芳

(河南工业大学 电气工程学院, 河南 郑州 450007)

1 嵌入式系统课程的特点

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积、功耗都有严格要求的专用计算机系统[1]。何立民教授曾将嵌入式系统定义为嵌入到对象体系内部的专用计算机系统,其本质涵盖了嵌入性、专用性和计算机系统3个重要因素[2]。嵌入式系统的设计与开发技术融合了传统的计算机软、硬件设计技术,主要涉及嵌入式系统设计原理及方法,已经成为后PC时代电子工程技术人员必备的专业技能之一[3]。

近年来,随着智能手机、数码设备等消费电子产品的快速发展以及嵌入式系统技术在仪器仪表、网络通讯、航空航天、国防军事、医疗设备、汽车电子等行业的广泛应用,嵌入式系统设计与开发已经成为当前IT行业最热门的研究领域之一[4-5]。作为一门以正在快速发展中的新技术为应用背景的高校新兴课程,其主要授课目的是使学生了解嵌入式系统的体系组成和基本原理,学习ARM体系结构和软硬件设计的基本方法,掌握嵌入式系统的具体开发流程,培养学生解决嵌入式系统实际应用问题的综合创新能力和实践动手能力,为后续实践嵌入式系统项目开发奠定良好的基础。

2 教学存在的主要问题

我校是一所以培养“基础扎实,适应性强,具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才”为培养目标的行业特色院校。具体到我院的“嵌入式系统”课程,其知识体系涉及到了电子、通信、自动化、计算机等多个专业领域的基础知识。要求主讲教师专业知识面宽广,课堂内容讲授难度较大。同时,作为高年级学生的专业课程,其先修基础课程包括“微机原理与接口”“计算机组成原理”“电路原理”“单片机技术”“计算机网络”“操作系统”“程序设计”“数据结构”等,对选课学生的综合学习能力要求较高[6]。

嵌入式系统技术的飞速发展带来了巨大的市场潜力和广阔的用人需求,但我国高校嵌入式系统系列课程教育的起步时间较晚,当前嵌入式系统人才培养模式相对滞后,授课内容对嵌入式系统最新研发技术的更新时延性较大。部分高校嵌入式系统课程存在授课知识体系陈旧、实验条件不完善、嵌入式专业教师缺乏工程背景等问题。受制于实验室硬件条件的限制,通常较为注重理论知识的传授而忽略了对学生实践环节的设计与指导。课堂实验大多属于演示性、验证性实验,缺乏综合性、设计性实验的锻炼。导致培养嵌入式系统方向的毕业生专业知识薄弱、动手能力较差,已经无法适应各大研发企业的实际用人需要[7]。如何紧跟嵌入式系统技术的快速发展脚步,培养符合用人市场实际需求的应用型嵌入式系统高素质人才,已经成为吸引各大高校嵌入式系统相关专业聚焦的热门课题[8]。

3 加强教改研究,践行应用型嵌入式系统高素质人才培养

3.1 嵌入式系统教学平台的选择

嵌入式系统教学平台是整个嵌入式系统理论课程与实验教学的基础。选择一款适合学生的ARM嵌入式系统教学平台,在后期的教学实践环节中可以起到事半功倍的效果[9]。在综合比较目前市场上常见的嵌入式系统实验箱和开发板之后,从接口丰富程度、易操作性、可扩展性、厂商售后支持力度等几个因素出发,选择了北京博创智联UP-NETARM2410、UP-CUP2440等系列的模块化教学科研平台。这些平台以通用的三星S3C2410或S3C2440微处理器为核心,外部接口及平台软、硬件资源较为丰富，方便移植Linux、μC/OS II、WinCE等多种嵌入式操作系统,可扩展CAN总线、USB摄像头、红外对射、温湿度传感器、霍尔开关、广谱气体传感器、红外通信、GPS/GPRS等多种模块，既可以满足大部分学生学习嵌入式系统软、硬件基础知识的基本需求,又可以方便后续开放实验、课程设计、创新设计、毕业设计等多个教学实践环节的开展。

3.2 课堂教学模式改革

嵌入式系统以用户应用为中心,实用性与创新性设计决定了所设计开发的嵌入式产品的市场价值[10]。培养学生的自主创新能力和解决实际应用问题的能力,是本课程的侧重点之一。为此,在理顺嵌入式系统相关理论基础知识教学思路的同时,尝试增加课堂演示实验学时的比重,增强了学生的学习兴趣。此外,重点引入项目教学法,加强了对学生综合性、设计性、团队合作实践项目的训练。项目教学法就是以嵌入式系统小型实际工程应用项目为例,教师按照真实项目的运行需求设计整个教学实验过程。要求学生以小组形式完成整个课题的设计,了解项目的设计过程和运作要求,掌握嵌入式系统软、硬件的具体设计步骤与方法。小组成员根据自己的特点和技术擅长进行项目分工协作,开发过程中对遇到的问题可以进行团队交流协商,最终团队共同完成整个项目的设计报告并进行课堂演示答辩。

3.3 课程精品教材建设

在授课过程中,需要将理论知识与科研及工程实践项目有机地结合起来[11]。传统的嵌入式系统课程教材注重理论知识的讲授,主要章节缺乏配套的动手实例介绍。在历届授课过程中,嵌入式系统教学团队迫切需要一本能密切结合我校教学实际的应用型精品教材。在试用自编校内讲义和总结多年教学实践经验的基础上,嵌入式系统实验室组织经验丰富的团队教师新编写了《嵌入式系统设计》教材,并已经成功入选普通高等教育电气工程与自动化(应用型)“十二五”规划教材,其具体内容安排如表1所示。

表1 《嵌入式系统设计》新教材的内容安排

在该教材中,以嵌入式系统设计与应用开发为基础,注重实践应用。在介绍完每个章节的理论知识以后,主要章节都配套了相应的动手实例讲解。特别是在最后一章 “嵌入式系统的工程开发实例”中,着重介绍了几个嵌入式系统应用开发实例。这些实例绝大部分来自于课程组教师的纵向科研课题或横向工程项目,具有较强的实践代表性和工程应用背景。该教材由机械工业出版社顺利出版之后,在我校嵌入式系统系列课程上进行了多次试用,获得了学生与读者良好的反馈。

3.4 增强师生之间的互动交流

在嵌入式系统课程学习过程中,学生随时会有各种疑问需要解答。特别是在课后学生进行嵌入式系统综合性、设计性项目开发过程中,随时都可能遇到形形色色的各种小问题。甚至一个简单的软件参数设置问题,学生就有可能卡在那里,许久找不到答案,影响整个项目后续开发步骤的实施[12]。此时，如果教师能尽快回应学生提出的疑问,无疑会提高学生学习嵌入式系统系列课程的效率。

为了增强师生之间的实时互动交流,嵌入式系统实验室建立了师生互动交流学习QQ群。由于智能手机的广泛普及,学生已经人手1机。在实验课前,教师可以将课堂实验讲义、课件、程序包等资料提前发到QQ群中,供学生下载预习。在每堂课之后,师生可以及时在QQ群中讨论今天的课堂内容和授课效果,便于教师对班级的整体学习情况进行把握,方便教师对后续课程的进度和难度进行微调。在整个嵌入式系统课外学习过程中,学生也可以利用QQ手机在线模式,随时随地在QQ群里提出问题,与教师进行实时互动交流。

3.5 校企合作,以赛促学

嵌入式系统技术以应用为中心,特别注重学生实践动手能力的培养。在学习嵌入式系统课程过程中,必须进一步深化实践教学改革,锻炼学生解决工程综合问题的实际动手能力,培养符合企业用人需求的“订单式”人才[13]。为此,我校电气工程学院在2015年暑期与浙江大学华嵌信息技术有限公司联合举办了“乐马营”嵌入式培训班；近年来,也一直与深圳信盈达电子有限公司保持校企合作,联合举办了多期嵌入式ARM培训班。其培训内容涵盖了Linux嵌入式操作系统、C语言、ARM体系结构及应用等嵌入式开发技术的主要组成部分。经过校企联合培训,为低年级学生后续进行嵌入式系统方向的课程设计、创新设计和毕业设计等实践环节打下了坚实的基础。部分面临毕业的大四学生在接受这些专业的校企联合强化训练之后,甚至被培训企业直接推荐到深圳、杭州等地的嵌入式相关行业的知名企业去工作,薪酬远远领先于我院同届毕业生的平均工资水平。该现象反映了目前嵌入式系统技术研发岗位用人需求的火爆程度,同时也验证了校企联合培训对培养嵌入式系统高素质应用型人才的重要性。

此外,大学生学科竞赛与科技竞赛也是激发学生学习兴趣,培养学生顽强拼搏的精神、自学能力和团队协作能力的重要途径。电气工程学院于2017年举办了河南工业大学第一届单片机设计专业竞赛，与杭州哲嘉科技有限公司联合举办了2017年首届“哲嘉杯”河南省大学生物联网和嵌入式设计大赛，每年组织学生参加教育部倡导的全国大学生电子设计竞赛。我院取得的众多竞赛优秀成绩表明,大学生科技竞赛充分调动了广大学生学习嵌入式系统的热情,为我院培养应用型高素质嵌入式系统人才践行了一条较为成功的改革之路。

4 结语

我院嵌入式系统实验室自2006年筹建以来,人才培养模式及开设的嵌入式系统系列课程就处在不断的改革实践与完善过程中。通过师生10多年的不懈努力,实验室已经逐渐走上了嵌入式系统专业课—课程设计—开放实验室—创新设计—大学生科技竞赛—毕业设计的良性循环,培养并增强了大学生的创新精神与实践动手能力,为用人企业输送了一大批高素质的嵌入式系统应用型技术人才。

在下一步的“应用型”嵌入式系统人才培养模式改革中,我院将统筹规划、突出重点,积极配合我校工程教育认证和本科教学工作审核评估,进一步优化嵌入式系统课程教学大纲和理论讲授内容,并继续完善该课程的实践教学体系建设和实验教材建设。