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計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式課程教學(xué)改革探索
計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式課程教學(xué)改革探索
牛薌潔
�。ū本┺r(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京102206）
摘要：近年來國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求，開設(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)，針對嵌入式課教學(xué)中存在的若干問題，提出自己獨(dú)特的見解，對農(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、存在的問題
隨著技術(shù)的快速發(fā)展和對嵌入式行業(yè)人才的持續(xù)需求，各個高等院校紛紛開設(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題。現(xiàn)將本人在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方法教學(xué)過程中存在的問題提出自己的一些想法。
1. 市場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)市場對嵌入式從業(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發(fā)工作的能力，即便企業(yè)錄用的專業(yè)畢業(yè)生，也通常需要對其進(jìn)行一段相當(dāng)長時間的再培訓(xùn)。市場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)校的理論課時與實(shí)驗(yàn)課時的比例為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)雜和高級實(shí)驗(yàn)較少。
我校是在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)開設(shè)嵌入式方向，其作為專業(yè)方向課開設(shè)在大學(xué)三年級，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)，每個實(shí)驗(yàn)均需要投入較多時間來完成，因此實(shí)驗(yàn)學(xué)時需求較大，而從整體課程體系來看，確實(shí)存在理論部分內(nèi)容占用較多學(xué)時的問題，目前，我校在課程設(shè)置中理論學(xué)時較小，加大了實(shí)驗(yàn)學(xué)時的比重，然而實(shí)驗(yàn)學(xué)時如何有效使用以及如何對實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行外延，這是擺在我們面前一個嚴(yán)峻的問題。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，我們在教學(xué)過程中，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)目內(nèi)容和市場整個行業(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)生接觸市場的機(jī)會減少，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，通過校企合作，由教師審核指導(dǎo)，學(xué)生動手，開展校企合作項(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)用軟件的開發(fā)。我們在實(shí)際的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和一般的PC機(jī)開發(fā)具有明顯的差異。首先，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)往往需要根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制，而不是通用操作，開發(fā)人員必須具備完善的知識體系；其次，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工程性，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)往往都是一個體積非常小的部件，CPU通常不采用Intelx86系列，開發(fā)工具也是專用的開發(fā)板。學(xué)生如果不通過實(shí)際動手開發(fā)一個系統(tǒng)模塊，就很難了解嵌入式開發(fā)的基本過程，因此，實(shí)際動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)專業(yè)嵌入式方向?qū)I(yè)課程從第二學(xué)年第4學(xué)期開始，從系統(tǒng)開發(fā)基本概念以及開發(fā)平臺出發(fā)，依次對嵌入式操作系統(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，最后對嵌入式接口技術(shù)以及高級編程展開講解，第四學(xué)年兩個學(xué)期分別對專業(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)的開發(fā)依托產(chǎn)品和市場，而設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性決定了系統(tǒng)的價值，因此，如何通過課程加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)是我們面臨的難題。我們在教學(xué)過程中的措施如下：理論學(xué)時僅概要講解基本原理和方法，要求學(xué)生充分利用課外時間，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)個人興趣有選擇地對某些問題進(jìn)行深入的分析研究，環(huán)境搭建以及技術(shù)要點(diǎn)則通過實(shí)驗(yàn)學(xué)時完成；將學(xué)生兩人一組，要求每組必須選取至少一個實(shí)驗(yàn)?zāi)K，小組內(nèi)進(jìn)行任務(wù)分工，對實(shí)驗(yàn)?zāi)K所涉及的知識點(diǎn)以及代碼編寫，甚至存在的問題等，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時容許的范圍內(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)生有充分時間準(zhǔn)備，將被動接受知識的灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿魉伎�，鼓勵學(xué)生對實(shí)例所采用的技術(shù)和方案進(jìn)行不同角度的評價，深入研究實(shí)際系統(tǒng)，任課教師也對分組學(xué)生的任務(wù)完成給予一定的評價和考核，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性；利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時6學(xué)時的綜合開放實(shí)驗(yàn)，任課教師鼓勵和引導(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。完整的知識結(jié)構(gòu)離不開完善的嵌入式系統(tǒng)開發(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，從平臺到應(yīng)用的“三步走”思路，將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的生命周期和課程設(shè)置進(jìn)行對應(yīng)：①嵌入式開發(fā)環(huán)境的建立，對應(yīng)課程《嵌入式軟件開發(fā)導(dǎo)論》、《嵌入式接口技術(shù)》，著重開發(fā)平臺的了解和認(rèn)識，交叉編譯、仿真開發(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)開發(fā)的基礎(chǔ)，也是實(shí)際工程項(xiàng)目的開始。②基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)，對應(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)用開發(fā)和核心編寫代碼，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)用的開發(fā)，對應(yīng)課程《嵌入式高級編程》、《Java程序設(shè)計(jì)》，包括農(nóng)業(yè)移動多媒體、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層面對學(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，對嵌入式系統(tǒng)有更加深入的認(rèn)識。
3.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容以及硬件平臺是影響實(shí)踐教學(xué)的重要因素，也是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的兩個關(guān)鍵方面。我校教學(xué)平臺是購買市面上現(xiàn)成的通用型實(shí)驗(yàn)開發(fā)箱，按照廠家提供的內(nèi)容來授課，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)生面對實(shí)際系統(tǒng)時的實(shí)際操作創(chuàng)新能力與后續(xù)開發(fā)實(shí)際動手能力，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，在通用型的開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，自行改進(jìn)設(shè)計(jì)成為適合本校學(xué)生使用的開發(fā)板，在實(shí)踐教學(xué)中，通用型和改進(jìn)型開發(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。對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的實(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)形式對提高學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性有極大的促進(jìn)。①采取項(xiàng)目為載體，小組活動的形式。以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，將每個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個小項(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)目組成員對問題進(jìn)行分析討論，完成從嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺建立到驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的項(xiàng)目開發(fā)。②鼓勵學(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，鼓勵對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有興趣，能堅(jiān)持吃苦的學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，自主選擇對應(yīng)的項(xiàng)目模塊進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，整個過程中，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，按照項(xiàng)目開發(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)施過程中給予一定的方向性指導(dǎo)和技術(shù)支持。③鼓勵學(xué)生積極參與課外專業(yè)競賽或科研項(xiàng)目，如國家級、省級的嵌入式電子設(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，通過競賽可以有效地激發(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)踐動手能力。實(shí)踐證明，我校參加過專業(yè)競賽或科研項(xiàng)目的學(xué)生在解決問題的方面具有更大的優(yōu)勢。
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)雜而艱巨的過程，因此，我們要在今后的教學(xué)過程中，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，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)豐富的嵌入式專業(yè)人才。
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