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計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式課程教學(xué)改革探索
計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式課程教學(xué)改革探索
牛薌潔
（北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京102206）
摘要：近年來(lái)國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)、電子、軟件等專(zhuān)業(yè)針對(duì)市場(chǎng)需求，開(kāi)設(shè)了嵌入式方向相關(guān)課程，筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)嵌入式課教學(xué)中存在的若干問(wèn)題，提出自己獨(dú)特的見(jiàn)解，對(duì)農(nóng)林院校嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)改革和創(chuàng)新進(jìn)行了深入的探討，對(duì)具有其他辦學(xué)特色的地方院校有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：嵌入式教學(xué)；實(shí)踐；自主互助學(xué)習(xí)
一、存在的問(wèn)題
隨著技術(shù)的快速發(fā)展和對(duì)嵌入式行業(yè)人才的持續(xù)需求，各個(gè)高等院校紛紛開(kāi)設(shè)了嵌入式相關(guān)課程，然而在培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、教學(xué)方法等教學(xué)關(guān)鍵因素中均存在若干問(wèn)題�，F(xiàn)將本人在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方法教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題提出自己的一些想法。
1. 市場(chǎng)人才要求和高校畢業(yè)生素質(zhì)之間的差異。目前，智能化計(jì)算機(jī)領(lǐng)域就業(yè)市場(chǎng)對(duì)嵌入式從業(yè)人員的需求持續(xù)高漲，然而從高校畢業(yè)的嵌入式專(zhuān)業(yè)或方法的大學(xué)生中卻難以真正達(dá)到嵌入式從業(yè)人員標(biāo)準(zhǔn)，甚至多數(shù)畢業(yè)生并不具備從事嵌入式開(kāi)發(fā)工作的能力，即便企業(yè)錄用的專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生，也通常需要對(duì)其進(jìn)行一段相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的再培訓(xùn)。市場(chǎng)人才要求和高等畢業(yè)生素質(zhì)之間的矛盾日益突出。
2.重理論講述而輕實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練。據(jù)了解，我國(guó)大多數(shù)院校的嵌入式系統(tǒng)本科教育仍采用以理論為主，實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)模式。多數(shù)學(xué)校的理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比例為3∶1或2∶1，能達(dá)到1∶1的情況很少；一般以實(shí)驗(yàn)室提供的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱配套實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，教師在實(shí)驗(yàn)中往往選用的是基礎(chǔ)側(cè)重驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，選用的復(fù)雜和高級(jí)實(shí)驗(yàn)較少。
我校是在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)開(kāi)設(shè)嵌入式方向，其作為專(zhuān)業(yè)方向課開(kāi)設(shè)在大學(xué)三年級(jí)，前修課程為《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《數(shù)字邏輯》等課程。眾所周知，嵌入式方向所涉及的實(shí)驗(yàn)都是以系統(tǒng)層面為基礎(chǔ)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)均需要投入較多時(shí)間來(lái)完成，因此實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)需求較大，而從整體課程體系來(lái)看，確實(shí)存在理論部分內(nèi)容占用較多學(xué)時(shí)的問(wèn)題，目前，我校在課程設(shè)置中理論學(xué)時(shí)較小，加大了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的比重，然而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)如何有效使用以及如何對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行外延，這是擺在我們面前一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。3.缺乏與企業(yè)和公司的合作。除了必要的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與公司企業(yè)的需求有一定差異，其一，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和市場(chǎng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展之間的不協(xié)調(diào)，使得嵌入式課程的實(shí)踐教學(xué)跟市場(chǎng)有所脫節(jié)；其二，嵌入式方向課程綜合性的特征使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施必須得到必要的資金支持。否則在校學(xué)生接觸市場(chǎng)的機(jī)會(huì)減少，使得嵌入式課程的實(shí)踐教學(xué)缺乏必要的直觀性，制約學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
地方院�？梢园l(fā)揮其辦學(xué)特點(diǎn)，和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系，通過(guò)校企合作，由教師審核指導(dǎo)，學(xué)生動(dòng)手，開(kāi)展校企合作項(xiàng)目，這也是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要途徑之一。
二、嵌入式課程體系教學(xué)設(shè)置
1.嵌入式課程特點(diǎn)。我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向的學(xué)生側(cè)重從事嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。我們?cè)趯?shí)際的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和一般的PC機(jī)開(kāi)發(fā)具有明顯的差異。首先，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)往往需要根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行定制，而不是通用操作，開(kāi)發(fā)人員必須具備完善的知識(shí)體系；其次，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程性，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)往往都是一個(gè)體積非常小的部件，CPU通常不采用Intelx86系列，開(kāi)發(fā)工具也是專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)板。學(xué)生如果不通過(guò)實(shí)際動(dòng)手開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)模塊，就很難了解嵌入式開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程，因此，實(shí)際動(dòng)手能力是嵌入式課程最顯著的特點(diǎn)。
2.我校嵌入式課程體系設(shè)置。嵌入式課程的特點(diǎn)使得學(xué)生必須有較完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，因此，嵌入式課程體系的設(shè)置尤為重要，表1是我校嵌入式課程內(nèi)容及時(shí)間設(shè)置情況。
表1顯示，我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向?qū)I(yè)課程從第二學(xué)年第4學(xué)期開(kāi)始，從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本概念以及開(kāi)發(fā)平臺(tái)出發(fā)，依次對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)Linux、嵌入式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)以及Java程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行深入講解，最后對(duì)嵌入式接口技術(shù)以及高級(jí)編程展開(kāi)講解，第四學(xué)年兩個(gè)學(xué)期分別對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)進(jìn)行持續(xù)性的工程化實(shí)踐教學(xué)。
三、教學(xué)改革措施與創(chuàng)新實(shí)踐
1.注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力。嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)依托產(chǎn)品和市場(chǎng)，而設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性決定了系統(tǒng)的價(jià)值，因此，如何通過(guò)課程加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)是我們面臨的難題。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中的措施如下：理論學(xué)時(shí)僅概要講解基本原理和方法，要求學(xué)生充分利用課外時(shí)間，查閱各種文獻(xiàn)資料進(jìn)一步學(xué)習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣有選擇地對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行深入的分析研究，環(huán)境搭建以及技術(shù)要點(diǎn)則通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)完成；將學(xué)生兩人一組，要求每組必須選取至少一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，小組內(nèi)進(jìn)行任務(wù)分工，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K所涉及的知識(shí)點(diǎn)以及代碼編寫(xiě)，甚至存在的問(wèn)題等，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)容許的范圍內(nèi)進(jìn)行全班范圍內(nèi)講解，任務(wù)在學(xué)期初就進(jìn)行認(rèn)領(lǐng)，提前布置給學(xué)生，使學(xué)生有充分時(shí)間準(zhǔn)備，將被動(dòng)接受知識(shí)的灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索思考，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)例所采用的技術(shù)和方案進(jìn)行不同角度的評(píng)價(jià)，深入研究實(shí)際系統(tǒng)，任課教師也對(duì)分組學(xué)生的任務(wù)完成給予一定的評(píng)價(jià)和考核，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性；利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)的綜合開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，任課教師鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極提出自己的設(shè)計(jì)思想，并且注重設(shè)計(jì)的原創(chuàng)性。2.以生命期為線，規(guī)劃教學(xué)體系。完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)離不開(kāi)完善的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)生命期的教學(xué)體系，因此嵌入式教學(xué)體系按照從下往上，從硬件到軟件，從平臺(tái)到應(yīng)用的“三步走”思路，將嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的生命周期和課程設(shè)置進(jìn)行對(duì)應(yīng)：①嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立，對(duì)應(yīng)課程《嵌入式軟件開(kāi)發(fā)導(dǎo)論》、《嵌入式接口技術(shù)》，著重開(kāi)發(fā)平臺(tái)的了解和認(rèn)識(shí)，交叉編譯、仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建和使用方法的掌握，這不但是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，也是實(shí)際工程項(xiàng)目的開(kāi)始。②基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，對(duì)應(yīng)課程《嵌入式操作系統(tǒng)》、《嵌入式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)和核心編寫(xiě)代碼，是實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。③嵌入式綜合應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，對(duì)應(yīng)課程《嵌入式高級(jí)編程》、《Java程序設(shè)計(jì)》，包括農(nóng)業(yè)移動(dòng)多媒體、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嵌入式圖形應(yīng)用、智能農(nóng)業(yè)等復(fù)雜的復(fù)合型應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，直接面向?qū)嶋H工程項(xiàng)目。
這完整的嵌入式課程實(shí)驗(yàn)體系，不僅使得教師可以在各個(gè)層面對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行培養(yǎng)，并且可以幫助學(xué)生更清晰地理解嵌入式系統(tǒng)的全貌，對(duì)嵌入式系統(tǒng)有更加深入的認(rèn)識(shí)。
3.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容以及硬件平臺(tái)是影響實(shí)踐教學(xué)的重要因素，也是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的兩個(gè)關(guān)鍵方面。我校教學(xué)平臺(tái)是購(gòu)買(mǎi)市面上現(xiàn)成的通用型實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)箱，按照廠家提供的內(nèi)容來(lái)授課，實(shí)驗(yàn)課程初期，學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)受限于教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大多只能做些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，直接影響學(xué)生面對(duì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)的實(shí)際操作創(chuàng)新能力與后續(xù)開(kāi)發(fā)實(shí)際動(dòng)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(shù)合作關(guān)系，在通用型的開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，自行改進(jìn)設(shè)計(jì)成為適合本校學(xué)生使用的開(kāi)發(fā)板，在實(shí)踐教學(xué)中，通用型和改進(jìn)型開(kāi)發(fā)板結(jié)合使用，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。和廠家進(jìn)行技術(shù)合作關(guān)系，我們收獲頗多。對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行一定的調(diào)整；減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)數(shù)量，增加了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)部分；基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)擴(kuò)展一定的外部功能模塊。一系列的改進(jìn)措施，不但貼近了我們的教學(xué)目標(biāo)，而且更好地與實(shí)際應(yīng)用接軌。
4.運(yùn)用學(xué)生自主互助學(xué)習(xí)形式。運(yùn)用多種形式的自主互助學(xué)習(xí)形式對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性有極大的促進(jìn)。①采取項(xiàng)目為載體，小組活動(dòng)的形式。以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)小項(xiàng)目，采取分組分工運(yùn)行的方式，根據(jù)題目的具體分工進(jìn)行分崗位操作，團(tuán)隊(duì)成員每人完成一部分工作，教師提出項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，由項(xiàng)目組成員對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析討論，完成從嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立到驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。②鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目。教師結(jié)合自己的科研課題，將任務(wù)進(jìn)行模塊化劃分，鼓勵(lì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有興趣，能堅(jiān)持吃苦的學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，自主選擇對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目模塊進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，按照項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)，留出學(xué)生自由學(xué)習(xí)的空間；教師在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中給予一定的方向性指導(dǎo)和技術(shù)支持。③鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課外專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽或科研項(xiàng)目，如國(guó)家級(jí)、省級(jí)的嵌入式電子設(shè)計(jì)大賽，大學(xué)生創(chuàng)新性科技項(xiàng)目，學(xué)生科學(xué)研究項(xiàng)目等，通過(guò)競(jìng)賽可以有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神，訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)踐證明，我校參加過(guò)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽或科研項(xiàng)目的學(xué)生在解決問(wèn)題的方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。
嵌入式系統(tǒng)課程具有應(yīng)用性極強(qiáng)的特點(diǎn)，其教學(xué)改革也將是復(fù)雜而艱巨的過(guò)程，因此，我們要在今后的教學(xué)過(guò)程中，不但力求建立完整、合理的課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)，而且還要注重強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，這樣才能培養(yǎng)出理論基礎(chǔ)扎實(shí)、工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式專(zhuān)業(yè)人才。
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