基于教学实践本质的一体化实践教学体系构建与实施研究

谭 海 汤 彬

摘要:本文针对扩招后生源状况的变化,以嵌入式学科专业为例,基于教学实践本质学说理论提出以应用性和实践性为基本特点,以实验、实训和研发相结合,通用职业能力与专业素养相结合,校内、企业相结合的教学体系构架;构建了培养学生的综合素质、技术实践与应用能力、创新与合作精神的三学期教学体系,提高学习内功、做足功课,有效缓解当前企业用人单位与学校培训学生之间的矛盾。

关键词:三学期;创新学分;嵌入式系统;教学实践本质;能力素质模型

中图分类号:G642 文献标识码:B

1基于教学实践本质学说的理论基础

教学实践本质学说是关注教学活动从师生展开活动、学生获得一定的收获,到学生发生某种成长性变化的最终结果这一系列逻辑链条中的过程和最终结果的意义,作为中间环节的认识或意义获得只是达到最终发展目的的手段,尽管这一手段的获得本身也是作为过程的最初或显在的目的而存在的。本课题在深刻理解教学实践本质说和充分调研的基础上,采取科学分析的手段和方法,注意实际数据的收集、积累和分析,对各实践教学环节进行整合,把培养学生综合实践能力的实践教学作为一个整体考虑,单独制定实践教学计划与大纲,构建综合实践能力整体培养目标体系,通过各实践教学环节的落实来保证整体目标的实现。这里实践教学计划的单独制定,是把实践教学体系与理论教学体系综合考虑,使两者相互补充,紧密配合,共同完成对学生整体培养目标的实现。

2专业培养目标

2.1嵌入式专业的现状

嵌入式系统是软硬结合的电子设备,所涉及的专业知识涵盖了计算机、电子、通信和控制等多个领域。现有传统高校对于嵌入式人才的专业培养基本上还是空白,只有部分大学的软件工程硕士开设了嵌入式方向,或者是在相关专业的职业选修课里增加几十学时的嵌入式系统概述课程,这样的培养体系无论是从质还是量上都无法满足社会对于嵌入式人才的需求。

目前从事嵌入式开发的人员主要由以下两类构成。

一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人,他们主要是搞硬件设计,有时要开发一些与硬件关系最密切的底层软件:如引导程序(Bootloader)、板级支持包(BSP)和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,不足的是他们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。

另一类是学软件工程、计算机专业出身的人员,主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发,他们往往比较擅长基于固定的开发平台进行软件的编程,不足的是对硬件原理和接口了解较少,很难实现与硬件相关的编程,如BSP和硬件驱动程序等。另外,目前市场上的嵌入式技术培训已成为IT职业教育的热点之一,但这些培训大多都是基于某一固定开发平台,通用性比较差,造成培训出来的学员缺少相应的专业背景知识,很难适应繁多的嵌入式产品开发领域。

从以上分析可以看出,目前嵌入式职业培训以及高校培养的电子、计算机等专业人才在从事嵌入式系统开发时虽然有其特定的专业优势,但嵌入式系统属于一个交叉学科,涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用,有足够的课程背景作支撑,很难掌握嵌入式系统的开发原理,这也是开设嵌入式系统课程困难的原因之一。

2.2培养目标

嵌入式系统工程面向电子与信息产业培养嵌入式系统,尤其是嵌入式软件工程、技术开发和项目管理所需的高层次、实用型、复合交叉型国际化人才。通过课堂教学与实验、综合项目练习、工业实习以及前沿技术讲座等多种形式,学生将接受扎实的嵌入式系统设计与开发的基本训练,重在培养学生的开拓创新精神与个性发展,同时培养学生了解嵌入式行业、适应嵌入式行业和具备良好职业行为的能力,毕业学生有能力适应嵌入式系统各类产品的市场需求。这种能力包括以下这个方面内容:

(1) 掌握嵌入式系统的基本理论、基本知识;

(2) 掌握嵌入式系统理论、技术及主流开发、调试和测试工具;

(3) 具有嵌入式系统软件、中间件、应用软件及硬件的研究开发能力,以及在移动通信服务终端、家庭网络和数字家电等领域的嵌入式系统开发能力;

(4) 了解软件工程相关法规;

(5) 熟练掌握一门外语,能顺利阅读一般外文资料和专业文献,具有较流利的听、说、写、译的能力,达到学校外语学位考试标准;

(6) 具有严谨的治学态度,艰苦奋斗、实干创新的精神和热爱劳动、遵纪守法、自律谦让、团结合作的品质。有较好的文化、道德修养和健康的心理素质,养成良好的生活和学习习惯。

3主要课程与学位课程

3.1嵌入式系统人才能力素质模型

嵌入式系统人才应是适合企业环境,具有专业知识和工程实践能力的复合型人才,图1描述嵌入式系统人才需要具备的能力素质模型。

3.1.1职业素质

传统的高等教育注重的是专业知识的传授,培养的是专业人才,而现代企业需要的是职业化的专业人才。企业选拔人才、考核人才主要是从德、能、勤、绩四个方面考核,德排在首位。因此,职业素质的培训应是培养嵌入式系统人才的基础,主要培训学生的职业道德、团队合作精神以及沟通能力。

3.1.2知识结构

嵌入式系统融合了微电子、计算机硬件、通信和电子工程等多种技术,嵌入式系统的开发也是一个基于多种技术、工具和应用域专业知识的软件工程,嵌入式系统的开发同样要经历软件工程的需求分析、系统设计、编码、测试、维护等过程,因此,嵌入式系统专业人才的培养不同于传统的计算机软件人才的培养,除了系统学习软件工程的开发方法、项目管理等知识,硬件知识、应用域专业知识、嵌入式系统的开发技术与工具也都需要了解,但又不可能在有限的时间内对各个领域的知识进行全面深入的学习,于是,对硬件、应用域专业基础、开发技术与工具的知识点、范围与深度的选择变得非常重要。

3.1.3工程能力

对于嵌入式系统人才而言,工程能力是非常重要的。因为他们要去创建一个实际的系统,在这个过程中,他们要不断学习新的开发平台与工具,需要有软件、硬件的集成能力,也需要过程控制、项目管理的能力。

3.2课程体系

抛开应用域的差异,分析嵌入式系统开发的技术、平台、工具与开发方法,嵌入式系统专业课程体系设置如图2所示。

3.2.1公共基础课

公共基础课主要是本科生必修的基础课程,如政治、英语、数学及科技协作与沟通技巧。

3.2.2专业基础课

“嵌入式系统概论”使学生了解(认识)嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程,并掌握一种实验开发工具;“嵌入式系统高级C语言编程”使学生掌握针对嵌入式系统的基于C语言的软件项目开发的流程,掌握较为复杂的C语言编程知识和技巧,培养学生良好的编程风格和调试习惯,并通过对一个具体的软件模块(ASIX Window GUI)的分析,使学生掌握分析代码的方法以及设计软件系统需要考虑的各要素;“软件项目管理”是学生掌握软件和项目开发基本流程、基本角色。

3.2.3专业方向基础课

通过专业方向基础课的学习,学生可以基本掌握嵌入式系统设计的方法与技术。“嵌入式操作系统”使学生了解各种嵌入式操作系统的发展与现状,现代操作系统原理,并重点掌握Linux操作系统及在嵌入式系统中的裁剪与选择;“嵌入式软件设计”将基于Linux操作系统,使学生掌握嵌入式软件设计的要点与方法、软件开发调试的工具与方法等;“DSP软件开发技术”使学生了解DSP的基本结构及工作原理,理解和掌握基本的数字信号处理算法的基础知识,掌握嵌入式DSP系统的软件设计开发实用技术。

3.2.4专业选修课

专业选修课是拓宽学生知识面,针对嵌入式系统开发行业,面对就业和实际需求市场所开设的一些课程。

3.2.5工程实践、企业实习

整个学习过程由实践贯穿始终,工程实践、企业实习是一级一级地,由基础到专业、由简单到复杂、由个体到团队逐步强化训练的过程。

3.3主干课程

软件项目管理、嵌入式系统高级C语言编程、嵌入式系统概论、微机原理、C语言、Linux/Unix、电路、嵌入式体系结构、嵌入式操作系统、嵌入式软件设计、DSP软件开发技术、嵌入式数据库、单片机开发、基于J2ME架构的嵌入式软件开发、WinCE与嵌入式软件开发、VxWorks与嵌入式软件开发、数据结构与算法设计和编译原理。

3.4学位课程

4主要实践环节

培养嵌入式系统人才,工程实践能力非常重要,我们通过多级实践、专业的实验室、企业合作、有实践经验的教师等多方位的努力,使学生在毕业时成为一名合格的嵌入式软件工程师。

4.1多级实践

每门课程都有大量的实验,通过实验与作业掌握所学内容。

(1) 一级工程实践

通过强化训练,使学生掌握C、C++编程语言,并独立完成应用程序设计。

(2) 二级工程实践

专门设计针对工业控制、通信、移动等应用领域的嵌入式软件的实践项目,以及项目要考核学生的知识点与能力标准,并在实践过程中遵循企业的管理体系,训练学生项目管理、团队合作、学习创新的能力。学生组成团队完成嵌入式系统应用软件的开发,实践项目可选择不同应用领域的项目。

(3) 企业实习

学生将在企业进行一年的实习,参与企业实际项目的开发。

4.2专业实验室

建立专门的嵌入式软件专业实验室,配备相应的软件、硬件环境,软件包括常用的VxWorks、uCOS、Linux等操作系统,以及Sybase、Sqlite等常用应用软件;硬件包括DSP仿真器、开发板、ARM仿真器+开发板以及试验用的其他模块。实验室能同时容纳30人进行实验,每个同学和教师都有自己的PC,并由专业软件NetOp School管理,实现教师和同学的互动教学。

5专业教学特色

(1) 招生要求:招生时宜从大一学生中通过选拔考试获得有潜力的生源,并以此带动学风建设;

(2) 产业化授课方式:嵌入式系统设置专门机房,所有授课环节都在机房进行,教师边授课边操作,学生可以当场操作加深理解记忆;

(3) 工业化课程体系:课程开设强调知识的一体性,同学期的课程开设和授课强调知识点的配合,一起为专业知识体系和实训作铺垫。

(4) 工业化实训环节:理论和实验时间比为2∶1,强调相关课程之间的协调和配合,课程实验环节实验的开设为项目实训做准备,项目实训不是单门课程的实训,而是该学期所有课程的整合实训,强调知识间的联系和知识体系;

(5) 工业化培养方案:整个教学环节连贯统一,一气呵成。课程与课程之间、实训与课程之间、实训与实训之间浑然一体,学生实验和实训都以工业化项目团队的形式进行,强调知识能力的沟通和协作;

(6) 双毕业证:学生可获得选拔前和嵌入式系统工程的本科毕业证和学位证书;

(7) 科研机构作为强力后盾:软件工程研究所提供其开发项目:“一卡通”等被作为教学实例进行讲解,同时给学生提供实际的项目研发机会;

(8) 产学研结合:鼓励学生创新和创业,全力支持并要求学生必须参与全国性挑战杯、电子设计等大赛及其他实际科研项目,有学分要求。实行三学期制(专门安排一学期进行项目实训,没有考试等其他事情干扰)、导师制,优秀学生可直接保送本专业研究生。培养的学生将为校区的科研提供工业化的开发团队,成立项目受控实验室(孵化室),产学研浑然一体,产学研场所和环境如图4所示;

(9) 形成省级嵌入式IT实训中心:面向全省高校、企业进行嵌入式IT行业的培训,并推荐就业,同时也为我们的产品实业化积累人才和知名度,使产品推广成为可能。我们在培养人才的同时自己本身也在实践创业和创新。

6结束语

嵌入式系统专业是一个交叉性专业,不同学校根据自身办学定位点和办学资源,会有不同的人才培养定位,我校作为教学型大学,嵌入式系统专业定位于培养侧重于嵌入式技术的高素质应用型人才,因此,我们将实践和实训要求提到比较高的地位,并按照上述方案进行改革,并取得了比较好的教学效果,为其他高校在提高嵌入式系统专业学生的应用实践能力方面,提供了一种参考模式,以供同行参考。