面向新工科的“国产化嵌入式系统”课程教学模式探索与实践

徐 燕，宋燕星*，陈 蕾，叶骐宁

（1.北京物资学院，北京 101149；2.龙芯中科技术股份有限公司，北京 100089）

0 绪论

我国经济整体已由粗放型发展向高质量精细化发展阶段转变，国家顶层设计不断地调整经济产业结构、优化产业布局、淘汰落后产业，加快发展和扶持新兴产业以应对全球高技术竞争[1-3]。目前国际形势复杂，一些科学技术瓶颈问题更加凸显，“卡脖子”技术亟待突破和解决[4]。基于此背景，国家提出了建设新工科战略，以培养服务国家战略需求、支撑新型产业发展、引领传统产业升级、迎接未来科学发展的创新型复合型工程技术人才，从而应对新兴技术和产业激烈竞争态势[3]。

为了能够更好地推进“新工科”战略的实施，加强产学研深度融合，探索如何有效地将工科课程与国家社会实际需求相结合，培养创新型工程技术人才十分重要。

“嵌入式系统”课程是一门典型的工科专业课程。兼具理论性和实用性，综合应用性强，软、硬件的结合性较强[5-7]。其主要讲授嵌入式系统的组成和基本原理，阐述嵌入式主流硬件体系结构和嵌入式操作系统，阐明嵌入式系统设计的一般原理和方法以及嵌入式系统的综合开发应用，为后续学习与工作中解决复杂电子信息与通信工程中嵌入式系统的相关问题打下良好的基础[7-9]。

目前我国嵌入式系统课程存在主流软硬件平台以国外软硬件教学平台为主，学生在学习嵌入式系统课程之后，只能在国外主流软硬件平台上进行嵌入式开发，难以满足国产化信息产业链对工程技术人才的需求。为了能够更好地培养服务国家战略需要，满足社会实际需求的应用型人才，北京物资学院与龙芯中科技术股份有限公司共同签署自主化软硬件应用人才培养基地合作框架协议，按照“密切联合、资源共享、优势互补、合作共赢”的原则，通过深化办学体制机制改革，采取深度合作共建模式，筹建“自主化软硬件应用人才培养基地”，对准具体产业实际需求，在学生培养、师资培养、教学资源建设、实验室建设、科学研究、社会服务等方面探索产教研融合的有效途径。在此背景下，北京物资学院开设《国产化嵌入式系统开发实训》课程，该课程以龙芯系列开发板为硬件平台，通过软硬件相结合的设计与实际操作加强学生对理论知识的综合理解、应用及工程实践能力，旨在培养满足自主先进技术与产品的应用型人才，同时了解国产化技术发展的艰难历程，了解现阶段我国国情，增强学生的爱国意识和民族自信心。

1 国产化嵌入式系统课程教学目标

该课程是一门综合性、实践性强的专业课程，面向物联网工程专业学生，课程实践平台基于龙芯嵌入式开发板。在课程教学目标的设定上，能够准确根据国产化嵌入式系统对应用型人才的需求，结合学生的前期理论与实践基础，通过由易至难、由浅入深的重点内容回顾与讲解、实际演示、学生动手实践、综合实验设计与实践，加强学生的学习自主性、积极性、互动性、合作性，加深学生对核心内容的理解与灵活应用，提高学生的实践能力，培养符合国家和社会需求的应用型人才。

课程教学目标如下：

课程目标1：掌握嵌入式系统的基本概念和原理，了解国产化嵌入式系统发展历程，能够运用龙芯新列开发板及其软硬件开发工具对物联网工程问题的解决途径进行分析和改进。

课程目标2：掌握嵌入式系统分析方法，能够分析嵌入式系统设计、开发和实施过程中的关键影响因素，并能够寻求合理的设计方案。

课程目标3：参与课堂小组活动，明确任务分工，能够以团队协作的形式共同完成嵌入式系统实验内容的设计与实现。

2 课程教学目标与考核内容及方式的对应关系

2.1 针对课程学习目标1

引导学生加深掌握嵌入式系统的基本概念与基本原理，并具备基于龙芯开发板进行硬件和软件的分析与设计的基础。考核的具体内容：（1）嵌入式系统基本概念、组成和基本原理；（2）嵌入式系统的应用领域和发展趋势；（3）嵌入式Linux文件系统、Linux常用操作命令和文本编辑器等；（4）龙芯CPU代表性产品型号、特点及应用领域；（5）龙芯开发板硬件资源、启动流程、交叉编译方式。

考核方式：课堂操作性、演示性实验，结课报告。

2.2 针对课程学习目标2

引导学生掌握龙芯嵌入式系统的体系结构，培养其自主学习和终生学习的意识，增强其不断学习和适应发展的能力。

考核具体内容：（1）MIPS处理器介绍、主要产品和开发工具；（2）MIPS体系结构发展；（3）MIPS存储器管理及异常处理；（4）MIPS指令集；（5）设备驱动程序设计；（6）基础实验，包括GPIO接口实验、PWM控制实验；（7）进阶实验，包括Qt图形界面设计实验、环境参数采集及报警实验、图像识别及目标检测实验；（8）综合实验设计。

考核方式：课堂操作性、演示性、设计性、综合性实验，结课报告。

2.3 针对课程学习目标3

培养学生的团队合作意识，增强学生沟通交流能力，增强学生分工协作能力，使课堂活动更易于与学生竞赛相结合，为学生实习、就业做好准备。

考核具体内容：（1）以2～3人为一组，每次实验明确组员分工；（2）所有组员都要参与演示环节，共同撰写实验报告。

考核方式：课堂操作性、演示性、设计性、综合性实验，结课报告。

3 教学中重点要把握和解决的问题

在教学内容上，根据应用型人才培养需求与要求，结合学生前期知识基础编排教学内容，形成系列化教材。同时在教学过程中介绍国产化嵌入式技术发展历程、一代代科学家工程师们忘我的工作精神和坚定的爱国情怀，介绍国产化技术发展的紧迫性、重要性与对应用型人才的迫切需求，以此提高学生的大局意识，增强学生的爱国意识和民族自信心。

在教学方法上，采用理论讲解、授课教师实际操作演示、学生动手实践、实验设计相结合的方式，基于学生的前期理论基础和实践基础，以教学目标为指引，把握学生的身心发展特点，调动学生的积极性，提高学生学习的自信心，挖掘学生的创新能力，使学生能够通过对该门课的学习，进一步巩固先期知识，加强工程实践能力，提高学生在相关领域发展的自信与意愿。

在考核方式方面，在考查学生对基本原理、基本概念的理解，基础操作以外，还需要考核学生灵活设计与实现综合实验的能力，以及学生的合作能力。将考核与国产化技术实际需求相结合，根据考核结果，评估与筛选热爱嵌入式开发、具备开发能力与潜力的学生，鼓励参加相关领域全国大学生赛事，以及推荐相关实习机会。

4 展望

就全国范围来看，该课程的开设走在前列，在缺乏前期资料与经验的情况下，该课程对于如何教授国产化嵌入式技术是一次探索，该课程形成的教学资料、教学经验具有实际参考价值。