嵌入式专业实践教学体系研究与实践

黄 海 军，李 秉 璋，朱 翠 青

（江苏技术师范学院 计算机工程学院，江苏 常州 213001）

嵌入式专业实践教学体系研究与实践

黄 海 军，李 秉 璋，朱 翠 青

（江苏技术师范学院 计算机工程学院，江苏 常州 213001）

在分析长三角地区对嵌入式专业人才需求的基础上，介绍江苏技术师范学院在计算机嵌入式专业人才培养课程体系实践教学中进行的一些探索，详细阐述四层次实践教学模式以及具体教学内容。

实践教学体系；嵌入式专业；教学研究；课程体系

实践教学是工科专业培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，是专业知识的形象表现。实践教学既有助于学生深刻理解专业基本理论、又有助于学生学以致用、提高专业实践能力，同时，还是未来职业活动的预演，有助于引导学生培养专业素质。

国内高校对于嵌入式系统的教学研讨从嵌入式人才培养方案、课程体系设置、理论与实践教学内容、方法、学生企业见习、实习等方面展开。江苏技术师范学院从2007年开设计算机嵌入式专业，和其他计算机专业相比，嵌入式专业还是一个新兴的专业。目前，整个教学过程还处于实践探索阶段。笔者主要从嵌入式专业实践教学体系的角度进行讨论。

一、嵌入式专业教学体系的构成

（一）专业及人才需求分析

在对长三角地区制造型企业嵌入式专业人才需求，开设有嵌入式系统等相关专业的高等院校作大量调研，详尽分析后，笔者认为：（1）从人才培养目标分析，基于应用型人才培养目标，嵌入式系统教学中更多的强调以“应用”为中心。嵌入式系统教学体系应该反映行业领域知识，体现项目开发背景，提高嵌入式软件开发方面的综合应用能力。（2）从学科专业角度分析，嵌入式技术应用广泛，涉及多门交叉学科，因此在嵌入式系统教学课程设置应符合长三角地区制造型企业对嵌入式系统专业人才的技术需求、课程目标和教学内容也应围绕这一目标展开。（3）从专业技术角度来析，嵌入式系统是软件和硬件有机的结合体，两方面的知识、能力缺一不可。因此，在设置课程体系时，需要综合考虑软硬件课程，注重培养学生软件和硬件以及综合性知识、技能。

（二）嵌入式专业教学体系

本科阶段课程设置既要重视基础理论的学习，又要注重实践性，既要突出专业自身特点，又要把握嵌入式系统在多学科知识领域中相互渗透的规律。综上，确定嵌入式专业人才培养目标是：适应生产、建设、管理、服务第一线需要，较好掌握计算机工程基本知识，具有较强的实践能力，具备一定的嵌入式系统项目开发、维护的专门人才，同时具备一定的嵌入式系统项目开发管理能力。

基于这一目标，嵌入式专业目前课程体系框架如下图所示。

其中，第一阶段工科公共知识模块着重培养学生的基本素质与技能，包括数学物理基础课程、外语基础课程、人文基础课程等三个方面；第二阶段基础知识模块着重培养学生的学科能力，培养学生分析问题和解决问题的能力，它包括学科基础课程和专业基础课程；第三阶段专业技术模块培养、训练学生专业素质，发挥学生的个性和潜能，适应经济社会对人才的需求。

在整个培养方案中，专业课程主要包括：数字电路与数字逻辑、微机原理与接口技术、单片机原理与接口技术、计算机组成原理、嵌入式系统原理、可编程逻辑器件、EDA设计，C/C++语言、数据结构、数据库原理与应用、计算机网络编程、嵌入式操作系统等。

课程体系的基本框架图

（三）实践教学体系

嵌入式系统是实践性很强、渗透领域广泛专门技术。因此，在嵌入式专业教学中，实验、实训、课程设计、实习/见习等是重要的教学环节，是学生真正掌握嵌入式系统设计技术的关键。本专业目前建有数字逻辑电路、计算机组成原理、单片机与接口、嵌入式实训、计算机网络、软件通用等6个实验室。所有专业课程都设置课内实验，并开设电路工艺与设计实训、计算机电路与逻辑综合课程设计、程序设计综合课程设计、计算机组成原理课程设计、金工实习、计算机硬件综合课程设计、计算机软件综合课程设计、嵌入式系统工程训练（认证）、专业实习。其中嵌入式实训实验室配有飞思卡尔芯片5 000系列、MC9S12系列的嵌入式实验设备及相关配套实验仪器及测试仪器，可以完成初、中、高级嵌入式硬件基础、嵌入式软件基础、嵌入式工程应用三大类40余种实验。

二、实践教学的实施

在4年的专业教学中，实践教学体系分成四个层次进行，即基础实验、硬件实验、软件实验、综合性训练。

（一）专业基础实验

专业基础实验主要对学生进行三方面的基本训练：一是在“数字电路与数字逻辑”课程中安排必要学时训练学生掌握实验设备(常用工具、测试仪器等)的正确操作、使用方法；二是安排2周时间培训简单的金工操作，学会简单装置的金工识图、制作；三是依托“C/C++程序设计”、“数据结构”等课程，通过验证性实验、综合性实验使学生理解程序设计方法，培养学生的逻辑思维能力，训练程序设计能力。

（二）硬件实验

硬件实验教学主要包括两门核心课程“数字电路与数字逻辑”、“计算机组成原理”以及两门专业课程“汇编程序设计与接口原理”和“嵌入式系统”，着重培养学生硬件系统设计和实现能力。

“数字电路与数字逻辑”课程实验，首先学习分立元件和小规模集成电路的使用，目的是让学生了解常用电路的功能、作用。其次能将数字逻辑与实际电路联系起来，要求学生能够设计组合电路（译码器、编码器、多选一多路转换器、运算器、ALU电路等）、时序电路设计（触发器、锁存器、各类寄存器、时钟和定时等）以及半导体存储器等。同时掌握各种设计、调试平台的使用。这时教学和实验重点放在器件设计这一级。

“计算机组成原理”课程实验重点放在部件设计这一级。由于先修课程“数字电路与数字逻辑”的良好基础和连贯性，可以利用前面设计的器件组成部件。最大限度地利用有限的教学和实验学时，不会使学生负担过重，更主要的是可以加深对前面课程的理解，要求学生能够设计单周期和多周期实现的简单（十几条指令）的32位RISCCPU，并写一段使用这些指令的测试程序，利用相应的汇编语言及其编译程序，翻译成二进制代码进行实际测试和验证，并观察分析运行结果。

（三）软件实验

软件实验教学着重于学生嵌入式软件系统设计与分析能力。软件技术实验课程主要包括核心课程如“嵌入式操作系统”、“数据库原理与应用”、“计算机网络编程”等实验。操作系统是计算机最基础的系统软件，与软件、硬件均密切关联，是所有软件中最复杂的。学生只有通过操作系统实验，才能真正掌握嵌入式操作系统的原理，逐步理解和掌握操作系统设计的思想和方法，解决实际问题。

“数据库原理与应用”的实验要求学生实现一个完整的数据库系统。“计算机网络编程”的实验教学要求学生实现一个采用WinSocket规范的网络通信系统。“嵌入式操作系统”实验则要求学生编写一个小型模拟嵌入式操作系统。

（四）综合性训练

在教学方案中，我们在第7学期安排4周的“综合性专业训练”的实践课程。这个实践课程的内容具有实战演练的特点：学生分成若干组，合作完成一个具有一定难度，有实际应用价值的嵌入式系统。各组从项目需求分析到软硬件设计、制作、编程、实现等全过程。每个小组模拟组成一个项目组，由学生组长担任项目经理的角色，其他组员按分工分别担任不同的角色、完成不同的工作。在项目实验的各环节指导教师进行分析和评价，给出成绩。最终考核以组为单位进行项目验收，按不同比重对组内不同角色考核评分。这不但培养了学生的学习兴趣，检验了专业知识的掌握运用，同时还培养了学生的组织能力、团队协作精神，有效地提高了专业实践教学效果。

（五）各种课外专业实践

由于专业总学时、授课模式等因素的限制，课内的实践学时还远远不足以培养素质高、能力强的专业人才。因此，在上述四个层次的实践之外，采取多种方式、途径，按照人才培养方案，社会对嵌入式专业人才的需求进行各种训练。主要方式有：（1）融合软硬件知识的综合性、设计性的实验需要学生综合运用多门课程内容，自己设计硬件装置，设计程序，进行综合调试，最终实现预期目标。（2）参与教师的科研有选择地挑选有潜能的高年级的学生，参与导师的科研，通过实际项目的开发，培养学生的动手能力，工程开发能力。（3）参加相关的学科、专业竞赛各种竞赛能反映学生学习能力和检验知识应用能力。教师要积极鼓励学生参见校内、省市级的竞赛。通过竞赛前的准备、高水平的竞赛、竞赛后的总结，能够极大地提高学生的专业综合能力，创新能力。通过竞赛同时也反映出教学工作长处与不足，能进一步促进专业教学改革。培养出具有创新意识、创造能力和创业精神的学生。

嵌入式系统的应用范围越来越广，几乎涵盖了所有领域。嵌入式系统在大学中形成独立的专业还是近几年的事情。不同的高校在嵌入式系统课程体系、实验体系、教材体系和教师知识结构均不相同。因此，从某种意义上说，嵌入式专业的教学改革，特别是实践教学改革还任重道远，需要从事嵌入式系统教学的教师在实践中不断地进行研究、不断地积累经验，不断地创新，培养出社会所需要的高素质嵌入式技术人才。

黄海军，男，实验师，培训中心主任，工学硕士，主要研究方向为嵌入式系统。

G712

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1674-7747（2011）22-0018-03

[责任编辑 秦 涛]