1、概述
1.1 嵌入式系统定义
我国对嵌入式系统的定义是，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，在实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统和应用程序4个部分组成，具有对其他设备进行监视、控制或管理等功能。
1.2 嵌入式技术人才需求
近年来，随着计算机及集成电路技术的发展，嵌入式技术日渐普及，在通讯、网络、工控、医疗和电子等领域发挥着越来越重要的作用，并伴随着巨大的产业需求。据权威部门统计，目前我国嵌入式人才缺口每年为20万人左右，随着“三网融合”不断提速，3G网络全面铺开，这一数字还将成倍增长。
2012年，素有国内嵌入式及移动开发培训风向标之称的华清远见教育集团，在广泛采集数据、深入调研的基础上推出《2010-2011年中国嵌入式开发从业人员调查报告》（以下简称《报告》）。《报告》显示，目前从事嵌入式开发“不到1年”和“1-2年”的工程师所占比例分别为35%和20%，占总参与调查人数一半以上（55%）；78%左右参与调查的工程师表示，自己公司目前急缺此领域开发方面的专业技术人才。可以看出，在整个行业发展过程中，嵌入式人才仍然供不应求。
1.3 高校嵌入式教育现状
目前，国内大部分普通高校把嵌入式专业课程当作选修课，没有把它设为专业或方向；而一些重点高校的嵌入式教学主要是在研究生层次和科研实验室中。因此，国内高校的嵌入式教育还没有形成一套比较科学、系统的课程体系，在人才培养目标和教学水平方面普遍存在着如下问题。
1）嵌入式人才培养目标与实际需求脱节。
当前高校嵌入式技术人才培养跟不上行业技术发展潮流，与实际工程应用需求脱节，导致在国内嵌入式人才市场上，大学毕业生就业困难，而用人单位招聘不到符合标准的开发人员。究其原因，主要有以下几个方面：一是高校开设的相关课程教学内容与培养目标不完全一致，缺乏系统性与结构化，教材知识难以迁移到实践中；二是相关课程教学内容重视知识介绍，轻视能力培养，不能满足新技术变革的需要；三是相关课程和教学内容设置随意，因人施教现象严重；四是教学方法与配套资源缺失，没有与实际工程应用需求配套的实验教学设施以及相关实践性课程，嵌入式人员创新意识薄弱，实践能力不强。
2）师资严重不足。
嵌入式技术学科是研究如何在一个特定的硬件环境上开发与构建特定的可编程软件系统，应用性强。在教学方面，除了要重视理论教学外，更要注重实践教学，而且在实践教学中一般要求以项目为导向；在师资队伍方面，要求教师软硬件知识兼通，且需要具有很深的专业背景和工程项目经验，这样才有可能以项目为导向，让项目贯穿整个教学过程，引导学生充分发挥主体作用，达到“做中学”的目的。目前，大部分普通高校在嵌入式系统方面师资有限，特别是软硬件知识兼通的师资严重不足，具有企业工作经历的专业教师更是缺乏，教师队伍的封闭性决定了“双师型”教师比例不高。因为，不少硕士或博士毕业后直接踏上教学岗位，很少有机会进行工程实践，并且熟悉软件的对硬件了解不够，或熟悉硬件的不一定熟悉软件。
2、嵌入式课程体系的建立
2.1 计算机专业嵌入式人才培养目标
嵌入式系统知识学科融合性强，不同专业的学生各有其局限性。自动化、测控和电子类专业学生电子设计基础较好，程序设计偏弱，偏硬件；而计算机类的学生程序设计基础好，电子设计能力偏弱，偏软件。考虑到高校传统的计算机专业特点，应该重点培养嵌入式应用开发人才。
《报告》调查企业对嵌入式软硬件人员的工作安排，如图1所示。
《报告》认为，在大部分从事嵌入式产品研发的企业中，基本都是软硬件人员分工合作完成产品开发（接近60%）。在排名前3位的企业人才需求中，软件开发人才的需求高于硬件开发人才，这一点与2009-2010年度的调查数据相比基本没有太大变化。
从各大招聘网站的搜索数据中也可以看出，目前嵌入式软件开发人才的需求量远远大于硬件开发人才。嵌入式系统项目研发80%以上的工作量是在软件部分，软件是嵌入式系统最核心的部分，也是体现嵌入式系统优势最关键的部分，企业对嵌入式软件开发人才的需求必将持续上涨。
因此，综合考虑嵌入式系统设计与应用对不同层面的人才需求特点和高校传统计算机专业的特点，嵌入式课程体系的培养目标是：在嵌入式系统与应用的4个层面中，培养除硬件设计以外的嵌入式应用开发、嵌入式操作系统开发和嵌入式驱动开发3个层面有一定基础的人才，重点培养嵌入式应用开发人才。
2.2 嵌入式课程体系建设依据
近年来，企业在嵌入式系统开发中对软件平台、硬件平台和软件开发语言的选择情况，依据上述《报告》公布的结果如图2-4所示。
图2反映了嵌入式开发硬件平台的发展趋势。在嵌入式开发领域，ARM处理器毫无疑问占据了嵌入式处理器90%以上的市场份额，ARM9系列仍是ARM市场占有率最高的处理器（45%）。为了嵌入式软件开发服务，我们选择ARM处理器作为嵌入式硬件实验平台，开设基于ARM9处理器的相关课程，培养在ARM9处理器硬件平台上进行嵌入式应用程序开发的能力。
图3可以看出，在软件开发平台的选择上，嵌入式Linux占据了明显的优势（48%），Linux以其开源成本低的优势受到众多嵌入式企业的欢迎。排名二、三的是Windows.CE和Android，所占比例分别是17%和9%。作为智能手机的主流嵌入式操作系统Android，渐渐成为各大手机厂商新的选择。基于3G移动平台（特别是Android平台）的研发需求将快步增长。因此，在嵌入式操作系统开发和嵌入式驱动开发的层面来看，我们以开设嵌入式Linux操作系统、WinCE操作系统、嵌入式Android操作系统等课程为主。从嵌入式应用程序开发层面来看，我们应着重培养在Linux、WinCE、Android等系统平台上进行嵌入式应用程序开发的能力。
图4显示在软件开发语言的使用上，C语言作为嵌入式开发最经常使用的语言主导地位是毋庸置疑的，所占比例高达67%；C++所占比例为15%，位居第2；Java所占比例为8%，位居第3。从这组数据也可以看出，传统的嵌入式开发主要基于c语言，不管在工业控制领域、通信领域，还是消费电子领域，C语言均是首选。随着3G技术的推动，在2009年，移动互联网发展迅速，C++、Java等高级语言也得到广泛应用。因此，从嵌入式应用程序开发层面来看，我们应着重培养C语言、c++和Java等高级语言的应用能力。
2.8 嵌入式方向课程体系模型构建
通过对目前主流技术及其发展趋势和市场需求分析看，为与市场紧密衔接，达到培养合格嵌入式人才的目标，按照计算机专业嵌入式方向学生大学4年所需能力，我们需建立“2+1+1”三段式4年制的人才培养课程体系模式，即前2学年重基础，第3学年精方向，第4学年重实践，坚持工程能力和素质培养4年不断线的原则，将工程项目教学法贯穿整个教学环节，提高学生的学习兴趣，增强学生的工程意识和工程实践能力。课程体系模型划分为程序设计能力培养（第1学年）、专业基础能力培养（第2学年）、嵌入式方向能力培养（第3学年）和工程实践能力培养（第4学年）4个阶段，如表1所示。每个阶段均设计相应的教学内容以达到能力培养目的。
3、嵌入式课程体系的实施
3.1 师资培养
由于嵌入式系统所需知识具有学科融合性强、软硬结合和应用广泛的特点，要培养出符合企业需求的嵌入式人才，除了要有与最新行业技术配套的实验设备外，还应当具备一支教学经验丰富、软硬件知识兼通且具有一定的专业背景和工程项目经验的师资队伍。因此，加强嵌入式课程教师队伍建设，应当考虑：一是与企业合作，邀请企业中具有嵌入式系统开发经验的工程师来校助教，担任部分授课、课程设计和学生毕业论文的指导工作；二是从企业直接引入具有嵌入式系统开发经验的工程师；三是学校要为年轻教师提供更多培训与学习交流机会，选派骨干教师定期到专业的嵌入式开发企业进行培训，或到基层挂职锻炼，积累工程实践方面的经验，掌握最前沿的技术；四是与嵌入式开发企业合作开发嵌入式项目，进一步将理论与实际需求相结合。
3.2 实验平台建设
根据计算机专业嵌入式方向课程的设置和培养目标，选择ARM处理器作为嵌入式硬件实验平台，原因如下：①ARM处理器功能强大，应用灵活，是嵌入式技术发展的主流，被广泛应用于智能家电、手机、汽车电子、机顶盒等方面。目前ARM市场占有率居第一位，在技术上可以得到厂商较好的支持。②ARM处理器与市场需求联系紧密，以删芯片为核心的实验设备很多，基于ARM构架的处理器涉及从微控制器（MCU）、微处理器（MPU）到多核的数字信号处理器（DSP），在价格和应用需求上可以满足学校的选择要求。③ARM处理器支持的功能模块多，可扩展性好，能够提供尽可能多的硬件资源，这样可以满足学生完成大多数嵌入式系统基础知识的实验，也可以进行综合设计、创新课题和毕业设计的课题。
3.3 教学模式改革
鉴于嵌入式技术涉及的知识面广、应用性强和新技术推出周期短的特点，嵌入式教学除了要重视理论教学外，更要注重实践环节，包括实验内容的安排和实验教学方法的采用。
在实验教学内容上，教师应以市场需求为导向，根据市场主流技术不断更新或设计新的实验内容，有层次、由浅入深地安排实验内容。首先安排基本技能训练实验，为后续实验和设计打下基础；其次安排设计性的内容和项目，锻炼学生独立思考、独立解决问题的能力；第三，随着专业知识内容的深入，实验内容应该以综合性、系统性为主，目的是锻炼学生综合运用知识的能力以及团队协作精神。
(一)传统教学优点
在信息技术不成熟的时代，传统教学的优点就体现出来，教学老师是占主导地位，由于学生从外界所能获取的信息较少，学生对老师的依赖性很强，老师上课过程中就能很好地体现教师情感;老师上课过程中所需要的教学器材成本低，易推广实施;老师所讲的教学理念容易实施，老师上课的权威性就能发挥的淋漓尽致;学生依赖老师建立完整的知识结构与体系;这种以教学内容的稳定性和单一性为基本出发点，以知识记忆和再现为基本学习目标，强调掌握知识的数量和准确性，强调对过去知识的记忆，强化知识的积累过程，学生能在此环境下静心学习，能掌握知识的要领，对知识的记忆的能力得到加强。
(二)传统教学缺点
传统教学的优点是不能否认的，但缺点也是不可忽视的，这里要辩证地去对待，要根据大环境的变化实时应对，信息时代下，传统教学已经不能适应现代教育教学的需要，不能重视传授知识，忽略学生个体发展能力的培养。在教学方法上，理论与实践的脱离;在教学内容上，单一的教学内容与时代脱轨;在教学形式上，单一化、模式化的教学让学生对学习失去兴趣;在师生关系上，重教师的传道，忽视学生学习的主动性，这在某一种程度上，压抑着学生内在学习的潜力，使学生产生抵触的学习情绪，对学习产生厌恶感，从而阻挡学生学习的通道。
二、面向市场需求的课程教学模式的优点
高校所做的培养方案一定要跟上市场的节拍，不能忽略市场的需求，对于高校的人才储备库，要能根据社会需求自动调整，而不是传统的一套，或者把传统的部分全部丢弃，全部重新洗牌，这种做法都是片面的，要能根据所需实时进行调整，传统好的部分是可以借鉴的，做到有智慧地吸取精华，剔除糟粕。根据社会的需求进行调整。
(一)所学有所用
面向市场需求的课程教学模式重视学生的全面发展，要培养学生学习的兴趣，兴趣能调动学生学习的积极性，开发学生内在的潜能。根据市场的需求培养学生学习的能力，注重学生学习的过程，同时要提升学生的应用能力，使所学有所用，应用价值得到了体现，学生就愿意花时间花精力有目的地学习。
(二)超越教材
面向市场需求的课程教学模式，重视学生掌握获取知识的方法，教学不脱离社会与人的发展的实际要求，使学生读活书，活读书，提升学生思维和创新能力，超越教师和教材。知识在内容上包含着深刻的思维和丰富的智慧，而在形式上，却是简单、呆板、现成的结论。传授知识绝不意味仅仅展现教材上现成结论和现成论证在形式上的汇聚，而应重在揭示隐含在其中的有丰富内容的思维过程，并引导学生的思维深入到知识的发现或再发现的过程中去，惟其如此，学生才能真正理解和掌握知识，并把教材上的智慧转化成自己的智慧。
(三)理论融合实训
把理论与实训融为一体，让学生在真实的环境中学习专业知识，掌握专业理论，培养专业技能，从理论到实训形成一个完整的、全面的知识架构。通过所学有所用、超越教材、理论融合实训等环节可以使学生有很好地适应工作环境，并能发挥出自己最大的优势，能与市场无缝的链接，更好地融入市场。
三、面向市场需求的《嵌入式系统》课程一体化教学模式的亮点
嵌入式系统课程是高年级本科生和研究生的课程，随着信息技术的发展，嵌入式技术的应用领域越来越广泛，嵌入式技术人才的社会需求越来越强。高校注重学生创新能力的培养，面向社会，进一步适应市场的需要，培养社会所需要的技术人才。安徽新华学院是一所民办高校，经过近不断的改革与创新，已经探索出教、学、做、研一体化的教学模式，具体体现以下4个方面:
(一)培养学生专业课的学习兴趣
通过“校企合作、工学结合、产教结合”新路，让学生感觉专业课学习的乐趣，学习知识不是低年级点对点的学习，对于高年级的学生，老师要善于培养学生点到面的学习能力，甚至是由点到面，由面到体的学习，这样能激发学生学习专业课的兴趣，最大地调动内在的潜能。
(二)完善的实践教学体系
加强实验、课程设计、课外兴趣小组、等多个环节建设，形成较为完善课程的实践教学体系。增加了设计型、综合型、创新性实验项目的比重，占总实验项目的比例达到80%以上。同时，以培养实践能力为目标，强化实验内容建设。
(三)组建实践就业相结合的平台
利用现代化信息技术，不断引进虚拟、仿真实践教学资源，构建虚拟实验室，提供学生模拟企事业技能操作环境的场所。在原有基础上，精心调整和设计新实践教学体系，从基础实验、综合与设计性实验和创新试验三个层次来培养学生实践动手能力、知识应用及创新能力。(四)融入CDIO工程理念在《嵌入式系统》授课过程中，融入CDIO工程理念，重在培养学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力。有效地提高学生的就业能力和社会竞争力，更好地为社会作贡献。组建一支结构合理、基础扎实、科研意识强的师资队伍。老师要站在科研和教学的最前沿，将最前沿的研究成果奉献给学生。利用现代化信息技术，不断加强内在的能力，将教学融入到科研中，提升教学科研水平，打造一支开放型、多元化、教学与科研并重的高水平教学团队。在安徽新华学院这所具有特色的民办高校开展面向市场需求的《嵌入式系统》课程一体化教学模式的改革与创新的研究，已经具备教学改革的试验环境，可以用教改实践成果验证课程改革整体解决方案的可行性。
作者简介：陆克中（1976-），男，安徽枞阳人，池州学院数学计算机科学系，副教授。（安徽?池州?247000）
基金项目：本文系安徽省教学研究项目（20101119、20101127）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0077-02
根据由麦可思研究院撰写出版的《中国大学毕业生就业报告（2011）》显示，[1]计算机科学与技术专业位列于红牌专业（失业量较大，就业率较低，且薪资较低的前10个专业）之中。与此形成鲜明对比的是，近几年来，计算机专业中嵌入式系统方向人才却备受市场欢迎，在不考虑重复信息的情况下，2012年6月10日通过智联招聘网站使用“嵌入式”关键词获得13340条信息，[2]如果平均每条信息招聘5个人，将达到66700人，市场对嵌入式专业人才的需求可见一斑。嵌入式系统方向已逐渐成为高校计算机专业新的办学方向。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪（根据设计要求，删除不需要的），以实用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。[3]嵌入式系统既有硬件，又有软件，而且软硬结合紧密，专业应用性很强，使得开设嵌入式系统方向并不容易。[4]作为一所新兴的地方性应用型本科院校，如何开设好嵌入式系统方向，以适应市场的需要，成为计算机专业改革与发展的迫切问题。本文在对嵌入式系统人才市场需求情况进行调查研究的基础上，提出构建基于市场需求分析的嵌入式系统方向课程体系，并对培养应用型嵌入式人才的必要措施进行了探讨。
一、市场需求分析
嵌入式系统主要有软件工程师和硬件工程师两大类别。不论是依据当前的计算机专业教学主要还是以软件为主，硬件为软件服务的现实，还是嵌入式系统软件工程师与嵌入式系统硬件工程师的市场需求比例（网络调查显示软硬比达8：1），计算机专业一般开设嵌入式系统方向旨在培养嵌入式系统软件工程师人才。为此通过智联招聘网站仅对嵌入式系统软件工程师岗位进行了分析。
1.对嵌入式处理器的要求
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，其体系结构经历了从 CISC到RISC和Compact RISC的转变，位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。现在常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器（microcontroller unit，MCU）、中高端的嵌入式微处理器（embedded microprocessor unit，EMPU）、嵌入式DSP处理器（embedded digital signal processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系统（system on a chip，SoC）。我们在智联招聘网站中利用关键词进行搜索，统计招聘单位对各类嵌入式处理器要求情况，见表1。从表1中可以明显看出，当前公司对是否掌握单片机、ARM或DSP等嵌入式处理器的要求比较看重。
2.对嵌入式操作系统的要求
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分。嵌入式操作系统一般可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如VxWorks、μc/os-II、Nucleus、QNX、pSOS、ThreadX等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，如WinCE、Linux等。通过智联招聘网站，利用关键词进行搜索，统计招聘单位对各类嵌入式操作系统要求情况，见表2。其中，基于Linux平台的开源手机操作系统Android也单独列了出来。从表2中可以明显看出，Linux系统得到了广泛的应用，基于Linux平台的Android系统也得到了长足发展，而Microsoft公司的Win CE并没有像其PC操作系统那样强势，其应用要求不足Linux的1/8。另外，在诸多的实时操作系统中VxWorks的使用独占鳌头，其他系统的需求并不是很旺盛。
3.对编程语言的要求
在嵌入式系统开发过程中使用的语言种类很多，但仅有少数几种语言得到了比较广泛的应用。这里仅对常见的汇编、C/C++、Java语言进行了统计，结果见表3所示。其中根据大多公司的要求，没有将C和C++语言分开来考虑，而是合并考虑。可以看出，C/C++语言占到绝大部分应用，其次是汇编语言，Java语言应用也比较广泛。
4.其他要求
中图分类号：G718.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）24-0202-03
最近几年，我国嵌入式产品发展迅猛，其应用涉及通讯、网络、工控、医疗、消费类电子等行业。随着“三网融合”不断提速，3G网络全面铺开，3G嵌入式作为IT产业的核心方向，未来20年（2009～2025年）全球将进入3G嵌入式时代，目前全球40%的软件产值来自嵌入式领域，据专业人士预测，到2025年全球80%的软件产值将来自嵌入式。随着移动互联网的广泛应用，未来这一数字还将成倍增长，由此可见，培养3G嵌入式软件高端技能型人才刻不容缓。
一、培养复合型人才为目标的课程体系研究思路
综合分析大量企业的核心需求之后，我们将整个课程体系设计为专业技术、项目经验和职业素质3条主线。在专业技术方面，课程囊括目前主流的J2EE、J2ME、iPhone以及极具发展潜力的Android平台，将J2EE技术与J2ME、Android等技术平滑过渡，通过项目有效地整合，以确保学生在掌握客户端应用技术开发的同时，又能开发服务器端程序，就业后可以在技术方面独挡一面或者领导团队开发项目；在项目经验方面，课程设计了3G前端开发（XHTML和JavaScript）、J2EE SSHA服务器端开发、J2ME客户端开发、iPhone客户端开发和Android客户端开发5个方面，共计32个实训项目，超过64000行代码编写量；在职业素质方面，课程以职业规划为主线，强化训练职业心态、职业能力、职业准则和十类型应用背景。整体课程学习完毕后，学生将成长为优秀的复合型人才，能够适应未来职场的快速变化。
二、逆向工程为导向的课程体系设计方法。
在设计课程之前，我们对大量企业和院校进行了调研。在企业方面，我们深入分析了前程无忧、智能招聘和中华英才三大热门招聘网站中1748家企业共计2826条招聘信息，汇总整理了438家企业提交的调查问卷，同在北京、上海、广州和深圳29家企业技术主管及人力资源主管进行了深度访谈；在院校方面，我们收集了23所院校提交的76份教师问卷、1322份学生问卷。最终，根据企业调研结果确定培养方案，并进行关键技能方向细分；根据院校调研结果确定阶段目标和定位，将关键技能点和阶段目标及定位组合起来形成学习领域，最后编排课程形成课程体系。嵌入式软件3G方向专业课程体系如表1所示（不含公共基础和职业素质课）。
三、以项目案例+知识模块为主线的双核内容组织思路。
传统意义上的课程内容组织多以知识模块为主线，即按照理论知识体系由简至繁、由易到难进行讲解。知识模块组织思路主要是以应试为目的，覆盖全面、循序渐进，对于理论性较强的科目优势显而易见，如数据结构和C语言程序开发。对于具有较强实践性的课程，重点在于对框架、结构层面的掌握和应用。采用企业真实项目案例，根据软件工程学方法，将项目按功能划分为功能模块，以项目作为载体融合知识模块，学生在学习的过程中同时也是做项目开发。使学生既有效地加深了对理论知识的理解，同时又积累了项目经验，嵌入式软件3G方向设计的项目如表2所示。
3G技术的快速发展，嵌入式软件3G技术人才的短缺，为高职嵌入式技术专业教育的利好发展提供了机遇。然而嵌入式系统会随着应用的复杂性以及性能的无止境需要而变得越来越复杂，为了适应市场变化的需要，嵌入式3G人才的培养必须与嵌入式行业的发展相适应，始终跟随企业的实际需要做出动态调整。在课程体系的构建上，要把握专业培养目标的一致性和连贯性、课程体系的可扩展性、课程内容与技能目标的一致性、课程内容的前后衔接性等基本原则。
参考文献：
[1]申华，周国顺，闫慧琦.嵌入式系统工程专业课程体系逆向设计研究[J].计算机教育，2012，（21）：64-67.
[2]郭建宏.高职院校嵌入式软件专业建设及其人才培养[J].辽宁高职学报，2006，（5）.
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）42-0156-02
《嵌入式应用》是许多高职高专电子信息工程技术专业和物联网应用技术专业的专业核心课程。该课程的教学改革是这两个专业的教学改革的重要组成部分。由于该课程涉及的教学内容范围很广、难度很高，教材各单元之间的逻辑关系是简单的堆砌、繁缛的罗列，所以很多学生对该课程产生畏学、厌学情绪。本文结合笔者在教学实践中的改革，基于行动体系的教学模式对《嵌入式应用》课程进行开发。让教师成为学习过程的组织者与协调者，指导学生通过一系列的动手实践活动而掌握职业技能、习得专业知识。让学生成为学习过程的中心，即行动者，通过“反思性实践”，解决特定的个人的问题，通过自我调节的学习行动去构建知识及经验体系[1]。
一、课程内容设计的改革
1.岗位需求及能力分析。通过对珠三角等城市的电子企业进行调查可知，嵌入式应用主要涉及的典型工作岗位包括电子产品生产、安装和调试员、电子产品营销和技术支持员、PCB设计员、嵌入式硬件测试员、通信和安防技术员以及家电维修技术员。
这些岗位要求学生具有介绍和销售嵌入式产品能力、绘制和修改嵌入式产品PCB板能力、安装和维护嵌入式产品能力、嵌入式产品软件开发能力、嵌入式产品软硬件调试能力等等。（1）介绍和销售嵌入式产品：要求学生了解产品的各项功能以及技术指标，并能用流利而清晰的语言表达出来;与客户交流时表现良好的态度，以诚信经营为基本原则推销产品。（2）绘制和修改嵌入式产品PCB板：要求学生会安装和使用常见的电子CAD软件，根据客户的要求绘制或修改PCB电路图。（3）安装和维护嵌入式产品：要求学生根据产品说明书把产品正确安装并运行起来;能够查找、分析故障原因，排除故障。（4）嵌入式产品软件开发：要求学生会安装和使用常见的嵌入式软件开发软件，在嵌入式软件工程师的指导下完成一些基本的软件开发工作。（5）嵌入式产品软硬件调试：要求学生学会产品的软件与硬件的联调方法，在遇到产品调试问题时，能够分析和确定是硬件设计问题还是软件设计问题，并指出问题的产生原因、发生过程以及解决意见。
2.人才培养目标。根据多元智能理论，人类智能是多元的，个体身上独立存在着语言智能、音乐智能、数理逻辑智能、视觉窨智能、人际关系智能、内省智能、肢体运动智能等七大智能[2]。不同的教育对象因拥有处于不同水平的七大智能结构而产生较大的差异。对于技工学校、职业高中、中专学校、职业中专、高职高专院校以及高等本科院校，不同使用同一教学模式与教学方法。高职高专院校倾向于职业教育，应抓对学生的智能结构，因材施教，才能培养出满足社会对高职高专学校的人才需求。职业教育的培养对象，主要能倾为形象思维，培养目标应为技术型、技能型、技艺型的人才。依据多元智能理论，通过对职业院校学生的智能类型的准确定位，可以得到这样的结论：就业导向的职业教育课程，应以从业中实际应用的经验和策略的习得为主、以适度够用的概念和原理的理解为辅，即以过程性知识为主、陈述性知识为辅[3]。《嵌入式应用》课程根据岗位需求、能力分析以及教育对象的智能类型确定课程目标：课程紧紧围绕着工作任务、企业研发项目和典型产品案例，在学习过程中突出对学生职业能力的训练，让学生掌握eclipse等嵌入式开发工具的使用方法，能够安装、调试与维护基于ARM内核的嵌入式产品，能够设计一些简单的Android操作系统APP软件，并运用良好的语言和文字把嵌入式产品的功能和技术指标等信息表达出来，学会团队协作、自主创新、解决实际问题的能力，培养良好的职业道德。
3.学习情境开发。学习情境的选择应遵循情境性、科学性和人本性原则。知识主要分为两类：陈述性知识和过程性知识。陈述性知识主要用来说明事物的性质、特征和状态，主要解决“是什么”和“为什么”的问题。过程性知识主要用来指出通过某种作业形式间接推测其存在，主要解决“怎么办”和“怎么做更好”的问题。在实际工作过程中，这两类知识往往是结合在一起的。最初要理解“是什么”和“为什么”的陈述性知识，然后再利用过程性知识实现“怎么办”和“怎么做更好”，最后学习者所掌握的过程性知识也会促进新的陈述性知识的学习。在学习过程中，还要注重人本性的体现，培养正确的社会能力，树立正确的人生观和价值观，提高个体的综合素质能力。
学习情境的设计需要对教材内容进行知识序化。“工作过程系统化”要求课程开发必须解决两个问题：一是课程内容如何选择，二是课程内容如何排序[4]。教材是教育对象的重要学习资料。在由实际情境构成的以过程逻辑为中心的行动体系的职业教育中，简单地讲述教材各章节的知识点无法让学生习得过程性知识。基于工作过程系统化的知识序化，应该根据课程的教学目标，选择合适的教学内容。如果教材的内容无法满足课程的教学目标，就需要将“课外知识”转变成“课内知识”。这里将嵌入式产品的安装与调试等相关内容增加到课程内容。将教材各单元的应用例子组织成“课内线”，再利用教材学习到的知识点再迁移到以酒店管理系统为主题的“应用线”，再结合“课内训练―课外项目-企业实习的”技能训练环和“学习指导-论坛交流-海量资源-创新活动-进阶训练-企业项目”的资源平台环，最终形成“双线双环”教学模式[5]。以酒店管理系统为主题的综合应用案例遵循由浅入深、循序渐进、由易至难、由简单到复杂的原则，包括“欢迎用户”、“联系酒店”、“员工信息添加”、“员工信息管理”、“消防管理”以及“酒店介绍”六大学习情境。双线教学模式让学生既能掌握教材各单元的知识与技能，更学会知识与技能的迁移应用，并且不是简单地重复学习内容，而是将知识与技能应用到更为完整的综合应用案例中。
二、教学方法和教学手段的改革
1.坚持“教、学、做”一体化的教学方式，注重培养学生的动手实践能力。在教学过程中，以项目为载体的情境化教学设计教导学生本单元的教学内容和教学目标，先学会如何实现“课内线”，再引导学生完成“应用线”，让学生以学中做、做中学、再学中做的学习方式完成学习过程。校内实训室为课题的“教、学、做”一体化的教学方式提供了典型的软硬件学习环境。
2.坚持项目小组教学法，注重培养学生的团队协调、语言沟通能力。将学生以2―3人分为一组，分组时可以自由组合，但要兼顾学习水平较差的学生不能抱团。在学习过程中，学生可以分组讨论、分组讲解、相互评分。分组教学让学生之间能够相互讨论、相互学习，在“一人计短，两人计长”的学习氛围下，学生更容易完成学习项目，自信心也在积累中，学习积极性也在不断提高。组内如何领导组员参与学习，如何分工完成项目，也能细分地挖掘学生的个人专长。
3.坚持项目驱动教学法，注重培养学生完成一个完整作品的综合能力。许多应用例子是从一个完整作品中分割出来的，专注某个知识点进行单独学习。而一个作品要求学习者在考虑问题方面更全面，知识迁移能力更高。学习者学习“课内线”的全部例子是整个学习过程的基本要求。在实际中，企业不可能要求学生按照教材内容重复实现一次。企业产品不断在创新，这要求劳动者将原来的知识应用到新的场合中。
四、考核方式的改革
考核方式由过程性考核、结业性考核和综合性考核组成。过程性考核主要考查学生完成每一个子项目时的表现和学习效果，占40%;结业性考核是随机抽取一个子项目作为期末实操考核，占40%;综合性考核主要考查学生完成一个完整功能作品时的表现和学习效果，占20%。在考核过程中，均要求学生完成对嵌入式产品的操作、讲解产品的功能和技术指标、上交项目报告。教师会根据学生的学习过程中的表现给出成绩。
经过近几年的教学实践证明，基于行动体系对《嵌入式应用》课程进行开发，不仅调动学生的主观能动性，提高学生完成项目的自信心，还提高学习积极性，增强学习氛围。
参考文献：
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Development and Practice of Embedded Application Curriculum Based on the Action System
LIANG Wen-zhen
[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]1671-5918（2015）18-0095-02
引言
随着物联网的推进，嵌入式系统以不可阻挡的势态迅猛发展，作为进军物联网桥梁的《嵌入式系统》课程也被高校重视起来，高校是劳动力市场供给方，是培养和供应嵌入式技术人才的重要来源，高校也都在想方设法进行教学改革，注重对学生创新能力的培养，面向社会，进一步适应市场需求，培养社会所需的技术人才。强化教学内容的实践性和前沿性，同时也加大与合作企业教师引进的力度。这里以《嵌入式系统》课程为切入点，对传统课程教学模式的优、缺点进行分析，肯定了面向市场需求的课程教学模式的优点，总结出面向市场需求的《嵌入式系统》课程一体化教学模式的亮点，为其他课程进行课程一体化课程教学模式的改革与创新提供了理论依据。
一、传统课程教学模式的优、缺点
任何事情的发展都是双向的，有对有错，有优点也存在缺点，传统课程教学方法经过教育教学工作者的继承和发扬，有优势同时存在不足之处，这里进行分析：
（一）传统教学优点
在信息技术不成熟的时代，传统教学的优点就体现出来，教学老师是占主导地位，由于学生从外界所能获取的信息较少，学生对老师的依赖性很强，老师上课过程中就能很好地体现教师情感；老师上课过程中所需要的教学器材成本低，易推广实施；老师所讲的教学理念容易实施，老师上课的权威性就能发挥的淋漓尽致；学生依赖老师建立完整的知识结构与体系；这种以教学内容的稳定性和单一性为基本出发点，以知识记忆和再现为基本学习目标，强调掌握知识的数量和准确性，强调对过去知识的记忆，强化知识的积累过程，学生能在此环境下静心学习，能掌握知识的要领，对知识的记忆的能力得到加强。
（二）传统教学缺点
传统教学的优点是不能否认的，但缺点也是不可忽视的，这里要辩证地去对待，要根据大环境的变化实时应对，信息时代下，传统教学已经不能适应现代教育教学的需要，不能重视传授知识，忽略学生个体发展能力的培养。在教学方法上，理论与实践的脱离；在教学内容上，单一的教学内容与时代脱轨；在教学形式上，单一化、模式化的教学让学生对学习失去兴趣；在师生关系上，重教师的传道，忽视学生学习的主动性，这在某一种程度上，压抑着学生内在学习的潜力，使学生产生抵触的学习情绪，对学习产生厌恶感，从而阻挡学生学习的通道。
二、面向市场需求的课程教学模式的优点
高校所做的培养方案一定要跟上市场的节拍，不能忽略市场的需求，对于高校的人才储备库，要能根据社会需求自动调整，而不是传统的一套，或者把传统的部分全部丢弃，全部重新洗牌，这种做法都是片面的，要能根据所需实时进行调整，传统好的部分是可以借鉴的，做到有智慧地吸取精华，剔除糟粕。根据社会的需求进行调整。
（一）所学有所用
面向市场需求的课程教学模式重视学生的全面发展，要培养学生学习的兴趣，兴趣能调动学生学习的积极性，开发学生内在的潜能。根据市场的需求培养学生学习的能力，注重学生学习的过程，同时要提升学生的应用能力，使所学有所用，应用价值得到了体现，学生就愿意花时间花精力有目的地学习。
（二）超越教材
面向市场需求的课程教学模式，重视学生掌握获取知识的方法，教学不脱离社会与人的发展的实际要求，使学生读活书，活读书，提升学生思维和创新能力，超越教师和教材。知识在内容上包含着深刻的思维和丰富的智慧，而在形式上，却是简单、呆板、现成的结论。传授知识绝不意味仅仅展现教材上现成结论和现成论证在形式上的汇聚，而应重在揭示隐含在其中的有丰富内容的思维过程，并引导学生的思维深入到知识的发现或再发现的过程中去，惟其如此，学生才能真正理解和掌握知识，并把教材上的智慧转化成自己的智慧。
（三）理论融合实训
把理论与实训融为一体，让学生在真实的环境中学习专业知识，掌握专业理论，培养专业技能，从理论到实训形成一个完整的、全面的知识架构。
通过所学有所用、超越教材、理论融合实训等环节可以使学生有很好地适应工作环境，并能发挥出自己最大的优势，能与市场无缝的链接，更好地融入市场。
三、面向市场需求的《嵌入式系统》课程一体化教学模式的亮点
嵌入式系统课程是高年级本科生和研究生的课程，随着信息技术的发展，嵌入式技术的应用领域越来越广泛，嵌入式技术人才的社会需求越来越强。高校注重学生创新能力的培养，面向社会，进一步适应市场的需要，培养社会所需要的技术人才。安徽新华学院是一所民办高校，经过近不断的改革与创新，已经探索出教、学、做、研一体化的教学模式，具体体现以下4个方面：
（一）培养学生专业课的学习兴趣
通过“校企合作、工学结合、产教结合”新路，让学生感觉专业课学习的乐趣，学习知识不是低年级点对点的学习，对于高年级的学生，老师要善于培养学生点到面的学习能力，甚至是由点到面，由面到体的学习，这样能激发学生学习专业课的兴趣，最大地调动内在的潜能。
（二）完善的实践教学体系
加强实验、课程设计、课外兴趣小组、等多个环节建设，形成较为完善课程的实践教学体系。增加了设计型、综合型、创新性实验项目的比重，占总实验项目的比例达到80%以上。同时，以培养实践能力为目标，强化实验内容建设。
（三）组建实践就业相结合的平台
利用现代化信息技术，不断引进虚拟、仿真实践教学资源，构建虚拟实验室，提供学生模拟企事业技能操作环境的场所。在原有基础上，精心调整和设计新实践教学体系，从基础实验、综合与设计性实验和创新试验三个层次来培养学生实践动手能力、知识应用及创新能力。
（四）融入CDIO工程理念
在《嵌入式系统》授课过程中，融入CDIO工程理念，重在培养学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力。有效地提高学生的就业能力和社会竞争力，更好地为社会作贡献。组建一支结构合理、基础扎实、科研意识强的师资队伍。老师要站在科研和教学的最前沿，将最前沿的研究成果奉献给学生。利用现代化信息技术，不断加强内在的能力，将教学融入到科研中，提升教学科研水平，打造一支开放型、多元化、教学与科研并重的高水平教学团队。
在安徽新华学院这所具有特色的民办高校开展面向市场需求的《嵌入式系统》课程一体化教学模式的改革与创新的研究，已经具备教学改革的试验环境，可以用教改实践成果验证课程改革整体解决方案的可行性。
四、总结
本文从分析传统教学的优缺点入手，对比面向市场需求的课程一体化的优点，从而探索“一体化”教学模式，逐步形成以学生为主体、以培养学生关键能力为目标的“一体化”教学模式，进而推动专业教学体系、教学方法、教学手段的改革，提高教学质量。高校嵌入式课程的改革旨在培养与市场需求接轨的，具备扎实的理论基础和丰富的工程设计经验的嵌入式专业人才；这对于提升学生的工程设计、科学研究、实践创新能力以及增加学生就业率都是举足轻重的。同时，还能推动高校与高新企业的技术合作、交流，为学科发展以及人才培养、输出奠定良好的基础。
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随着软硬件技术快速发展，嵌入式系统不再是一门课程就可以介绍清晰，而逐步成为一个课程群，该方向的专业课程可划分为：嵌入式系统原理、嵌入式操作系统、实时系统、嵌入式软件设计、软硬件协同设计、嵌入式系统软件工程、嵌入式系统中间件、数字信号处理等。一些学校还开设了微机电路应用设计、单片机编程、ARM等课程。
我们收集并分析了国内部分高校在嵌入式课程上的教学大纲，以此为基础设置了我们的嵌入式系统概论课程。表1是我们收集的大学名称、课程名称、学时数与知识点，这些课程基本上是基于Intel的XScale实验板设计的，对我们设计“嵌入式系统概论”有借鉴作用。
综合上述高校的嵌入式课程，有些是针对计算机专业开设的，有些是针对其他专业的，有本科期间开设的，也有硕士期间开设的，一些高校开设了多门嵌入式方向大课程。我们设计的“嵌入式系统概论”是针对本科阶段开设的嵌入式方向入门课程，主要面向大三的本科生，其课程结构如图1所示，其前修课程一般是计算机组成、微机原理、接口、汇编、操作系统、程序设计语言、体系结构。部分后续课程开设在研究生阶段。
嵌入式系统概论课程的目的，是综合前修计算机专业课程，以及包括数字电路等更基础的知识，开拓学生对嵌入式的视野，为后续课程奠定基础。因此在嵌入式课程中不会介绍汇编语言设计、接口电路的设计等知识。
我们认为，该课程理论部分的知识点分布基本上如图2所示，主要分为四大模块，分别是嵌入式概念、嵌入式体系、嵌入式系统软件、嵌入式软件开发。实验部分由于各学校实验材料的差异，较难对比，我们的使用设备主要是30套Intel XScale与30套Motorola Dragonball。
对于嵌入式体系结构，首先介绍各种嵌入式体系结构、处理器、DSP。
由于ARM体系是目前嵌入式系统工业界事实上的标准，一般都以ARM体系为例介绍嵌入式体系结构，并介绍ARM汇编。由于上课学生已经学习了汇编语言，所以需要简单介绍ARM汇编与微机汇编的差异与特点，要求学生以自学为主，作业为辅，可以较快地掌握该汇编。浙江大学计算机专业本科生阶段在计算机组成课程中还学习了MIPS汇编，所以学生们对ARM汇编掌握起来就更快一些。
在嵌入式体系的具体实例介绍中，我们结合本课程的实验平台简要介绍XScale体系，这部分主要也是自学为主，结合实验环节让学生掌握看硬件资料的能力。
在嵌入式体系结构部分，还需要介绍嵌入式系统的硬件系统，包括JTAG接口、外设、中断、总线等。通过这部分的介绍，学生们可以了解嵌入式硬件系统的构成与软硬件接口。
嵌入式系统软件就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统包括非实时嵌入式操作系统与实时嵌入式操作系统（RTOS），在嵌入式课程中主要介绍RTOS。在系统软件模块中将介绍实时系统概念、操作系统在嵌入式系统领域的改造，例如处理器调度的实时性改造、中断处理、文件系统、MMU等。嵌入式系统概论课程主要介绍常见的各种嵌入式操作系统，包括它们的特点、应用领域，并以嵌入式Linux为例子，介绍Linux的改造、裁减与移植。
最后一个模块是嵌入式软件开发，是介绍嵌入式软件开发的过程，使得整门课程最终能够形成一个完备的嵌入式开发体系。Bootloader的设计，也可放在操作系统移植中进行介绍。嵌入式图形用户界面目前没有统一的标准，作为概论课程需要介绍各个嵌入式GUI的优缺点与适用范围。同样，课程介绍包括Tornado、等嵌入式开发环境，以及嵌入式中间件。课程最后将以实例来介绍嵌入式系统的开发流程。
（一）嵌入式系统课程硬件设计教学内容的选取
嵌入式系统硬件是嵌入式系统的重要组成部分，是嵌入式系统与实际环境交互的载体，其性能的优劣直接影响嵌入式系统的可靠性和实时性，决定嵌入式系统设计的成败，因此硬件设计在嵌入式系统设计中处于十分重要位置。在嵌入式硬件教学中，嵌入式课程的首先需要向学生介绍嵌入式系统的硬件在系统中的作用，并以日常生活中常见的嵌入式系统设备为例（例如手机、MP3播放器等等）直观的讲解嵌入式系统硬件结构，帮助学生建立嵌入式硬件系统的基本概念。在此基础上，嵌入式系统课程应着重讲授嵌入式系统硬件体系结构，从硬件体系结构的三个层次给学生讲解嵌入式系统硬件设计。
1.嵌入式处理器，它是嵌入式系统的核心部件，负责整个嵌入式系统的运行。嵌入式处理器选型原则是硬件设计的重要教学内容之一，嵌入式系统课程应能引导学生了解处理器选型时应考虑的因素，如处理器性能、价格以及可获得的技术支持等等，培养学生根据种嵌入式处理器的特点和实际工程需要对处理器选型能力[3]，为其后续嵌入式硬件设计的学习奠定基础。
2.嵌入式系统的电路，主要包括嵌入式系统存储器、时钟电路、数据端口、复位电路和系统电源电路等等，其中，时钟电路、复位电路和系统电源电路为嵌入式系统最基本单元，具有这三个基本单元和处理器单元的系统即可正常工作，也称其为嵌入式最小系统。嵌入式课程应能帮助学生了解嵌入式系统电路种类、功能及其设计方法，建立嵌入式最小系统的概念。
3.嵌入式系统外部设备，主要是指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括外存储设备（如FlashCard）、IO设备（如键盘、鼠标等）、打印设备（如打印机）。在学生了解嵌入式系统硬件的三个层次的基础上，嵌入式课程应选择一款适合课堂教学的处理器，并具体的讲解嵌入式硬件的各个电路的设计内容、设计方法和设计目标。嵌入式课程硬件教学在选择处理器作为授课和研究对象时，应该考虑应用广泛且学习难度较低的嵌入式微控制器。在众多的嵌入式微处理器中，ST公司于2011年推出的基于Cortex-M4内核的STM32F104微处理器具有广阔的市场应用前景，广泛应用于工业控制、多媒体、精密仪器、家电等各个领域，STM32F104微处理器对于初学者来说具有开发简单、直观并且可获取丰富的网络支持的特点，因此本文以基于STM32F104微处理器的嵌入式系统为课程硬件教学内容，介绍STM32F104微处理器的主要特性，如处理的主频、字长等，并以框图形式介绍STM32F104微处理器的内部结构和片上的各个功能模块，如片上内存、片上AD和DA转换器、各种通信接口等。同时，任课教师应指导学生如何阅读芯片的英文数据手册，掌握英文数据手册的章节安排和阅读方法，提高学生英文文献的阅读水平，并能从中快速获取芯片的主要性能指标。在嵌入式系统电路设计教学中，嵌入式课程必须着重强调系统的电源电路设计、复位电路设计以及时钟电路设计。
嵌入式电源电路设计教学主要向学生介绍电源电路的两种类型，即线性电源和开关电源，以及两种电源电路的拓扑结构、工作原理和各自特点以及应用场合，并在此基础上向学生介绍2~3种常用的电源控制芯片，如线性电源常采用LM7805、AMS1117-3.3等线性稳压芯片，开关电源则常采用LM2596、MP2359等开关电源芯片，简单介绍各个电源芯片的主要参数，如输入电压范围、输出电流等参数等。嵌入式系统时钟电路设计的课程教学主要向学生介绍两种类型的时钟电路，即无源晶体和有源晶振电路，讲解这两种类型时钟的特点和应用场合以及时钟电路设计的注意的事项，并用多媒体给出两种类型电路结构，向学生分析电路中各个元件的作用。嵌入式系统复位电路教学需向学生介绍两种类型的嵌入式复位电路，即阻容式复位和专用复位芯片复位，介绍两种电路的特点，同时介绍几款常用的专用复位芯片(如MAX811)，让学生掌握嵌入式系统复位电路的设计方法。如果说嵌入式处理器是嵌入式系统的大脑，那么嵌入式系统的IO设备是嵌入式系统的四肢，是和现实世界交互的设备，嵌入式系统IO设备的教学需引导学生建立嵌入式系统中IO设备的概念，并举例说明嵌入式系统常用的一些IO设备，如嵌入式显示屏、键盘、打印机等。在IO设备的教学中，课程应首先介绍IO设备与嵌入式处理器的接口技术，分别介绍并行接口和串行接口，指导学生学习接口类型，并根据实际工程需要选择不同接口类型的IO设备，同时引导学生掌握各种接口的时序，并能够熟悉几种常用的接口类型，如I2C、Intel式并行口、SPI等接口以及各种接口的数据传输速率和物理接线数目等。
（二）嵌入式课程软件设计教学内容的选取
嵌入式软件是嵌入式系统的灵魂，与嵌入式硬件一起作为嵌入式设计的核心内容，因此，嵌入式系统软件设计是嵌入式课程授课的重要内容之一。嵌入式软件教学应注重培养学生的嵌入式软件开发能力，向学生讲解嵌入式系统的软件体系结构，即嵌入式软件可分为应用程序、应用程序接口、嵌入式操作系统、硬件设备驱动程序，加强学生对各个软件层次的把握。嵌入式软件设计授课需要向学生讲授各软件层的功能与特点、嵌入式软件开发所需要具备的先行课程知识，明确嵌入式实时操作系统是嵌入式软件的核心，引导学生根据嵌入式系统的软件体系结构学会软件设计的分工。嵌入式课程应能够向学生介绍几种目前较为流行的嵌入式操作系统，让学生对目前常用的嵌入式操作系统的发展状况及其主要特点有所了解。目前，嵌入式实时操作系统可分为两种类型，即商用型和免费型，商用型操作系统有Vxworks、Wince、PalmOS等，商用型操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但是价格昂贵；免费型操作系统在价格方面具有较大的优势，主要以Linux为代表，嵌入式系统课程应要求学生能够熟悉并掌握一种嵌入式操作系统的基本原理和使用方法。
μC/OS-II嵌入式操作系统是一种规模较小和源码开放的嵌入式操作系统，比较适合初学者学习和课堂教学，特别是学生在具备μC/OS-II操作系统基础和学习经验之后，再学习某些大型的操作系统（如嵌入式Linux）则可大大提高学习效率并获得较好的学习效果，因此本文选取μC/OS-II操作系统作为嵌入式操作系统的授课内容和研究对象，并以μC/OS-II操作系统为例讲授基于嵌入式系统的应用程序开发、驱动程序开发以及图形用户接口的使用方法。同时，嵌入式软件教学需向学生介绍嵌入式软件开发工具和开发平台，其中主要介绍交叉开发系统调试结构和使用方法。嵌入式交叉开发系统由宿主机系统、通信系统和目标机系统构成[4]，嵌入式课程教学需要帮助学生直观的了解嵌入式软件开发的工作形式、嵌入式软件开发需要具备哪些条件和做哪些准备工作。同时，嵌入式课程需要向学生讲解1~2种嵌入式微处理器的上位机开发软件，目前STM32F104微处理器的软件开发普遍采用KeilμVision开发软件以及JLINK仿真器，则嵌入式课程需要向学生介绍KeilμVision开发环境设置方法、工程项目的建立方法、JLINK仿真器硬件连接方式以及驱动程序安装方法，使得学生能够自主构建基于STM32F104微处理器的嵌入式系统软、硬件开发平台，并能在此开发平台上新建工程项目、下载程序、仿真运行、断点跟踪调试等。
二、嵌入式系统教学方式的优化
在嵌入式系统教学过程中，任课教师必须研究和制定一套有效的教学方式，合理安排课程授课内容顺序，注重知识的承前启后，对嵌入式系统的一些先行课的相关章节知识点需要进行必要的复习，比如在硬件设计中，需复习模拟电路、数字电路、微机原理及接口技术等课程的相关知识点，在嵌入式软件设计教学中，需复习C语言程序设计、操作系统、数据结构等课程，为嵌入式系统课程作必要的准备。
（一）嵌入式课程硬件设计教学方式改革
嵌入式硬件设计教学中，任课教师可在课堂上准备一些实验设备[5]，将软、硬件实验直接融合到理论课程的教学中，在课堂上首先向学生展示一块嵌入式系统硬件电路板，如STM32F104应用开发电路板，让学生近距离观察电路结构和板上的各种元器件，并作简要介绍，使得学生能够直观的认识嵌入式系统硬件电路，然后以提问的方式引导学生对电路图如何设计和生成产生兴趣，授课教师此时可介绍嵌入式硬件设计步骤以及电路设计的相关软件，让学生了解嵌入式硬件原理图和印制电路板图（PCB图）设计过程和设计方法。在此基础上，授课教师在课堂上以一个简单的嵌入式电路系统为例，现场安装Protel电路图绘制软件，讲解并演示电路原理图和PCB图的绘制步骤和方法。在电路图设计的演示之后，授课教师应给学生讲解硬件电路的调试过程和调试方法，让学生掌握嵌入式电源电路、时钟电路、接口电路的调试方法，并在课堂上现场演示硬件调试，最后以处理器的一个IO接口控制的LED灯闪烁为例，编写LED灯闪烁的例程，让学生直观的把握嵌入式系统调试方法。
（二）嵌入式课程软件设计教学方式优化
嵌入式软件教学的主要内容是嵌入式操作系统的移植方法、使用方法和应用程序编写。授课教师在讲解嵌入式操作系统的使用方法时，可在课堂上利用多媒体教学手段基于μC/OS-II的操作系统编写应用程序，在操作系统的每个任务的主循环中添加断点，让学生直观的感受操作系统多任务切换机制，并以一个简单的软件例程，要求学生现场进行构思，开展广泛的交流，然后将学生构思的各种方案在多媒体上进行现场编程实现、输出结果，让学生对自己方案的正确性、合理性有直观的认识和理解，并促使其对方案进行修正，以使学生迅速掌握μC/OS-II的操作系统的使用方法和应用程序设计方法。
三、嵌入式系统实验和实践教学的优化
实验教学和实践教学是教学过程中重要环节，可提高学生对理论知识的理解和把握，培养学生工程实践能力、独立思考解决问题的能力。学生可以通过实验来验证理论课程知识，对于课堂上的例程，学生可以通过自己的学习和理解对其进行修改，然后进行实验，验证其修改正确与否，这是一种极其有效的学习方法。嵌入式系统课程设计是嵌入式系统课程的工程实践环节，旨在训练学生的动手实践能力和培养学生的方案论证能力、工程项目设计和开发能力，适应学生就业和社会需求。
（一）嵌入式课程实验教学
嵌入式实验教学需要向学生详细介绍实验系统的拓扑结构、电原理图和系统的软件开发环境，并以一个简单的例程引导学生熟悉和如何使用实验系统的硬件电路和软件开发环境以及实验操作步骤。实验课程的章节内容安排应遵循由简入繁的原则，明确实验方法、实验步骤和实验目的，引导学生从一个简单的IO端口控制LED灯闪烁的例程开始学习，完成从新建工程、编写程序、下载程序调试、观看实验结果的实验过程，再以2~3个难度逐步增加的实验，明确实验目标（即实验成功后应看到的实验现象），激发学生的学习和动手实验的兴趣。学生在实验期间遇到问题，指导教师应积极引导学生检查问题并解决问题，而并非直接告诉学生答案，培养学生独立思考和解决问题的能力。在学生正确完成实验后，指导教师应积极鼓励学生采用多种不同的软件算法完成同一个实验，提高学生的编程能力和拓宽学生的视野。在完成实验的基础上，指导教师应鼓励学生在现有实验系统的基础上开发一些简单的电子设备，如数字电子钟、数字温度计、计算器等，让学生切身的感受到嵌入式技术的广泛用途。
（二）嵌入式课程设计教学
嵌入式系统作为一门应用性很强的课程，进行项目化教学是课程设计教学改革的必由之路[6]。本文采用项目开发为驱动的课程设计形式，引导学生自主学习嵌入式硬件设计、操作系统移植、驱动设计、应用程序设计，以一个完整的项目开发作为课程设计任务，让学生全面掌握嵌入式系统设计的全部过程，巩固所学的理论知识。在课程设计选题方面，指导教师可提供一定数量设计课题，设计课题需具备较高的综合性和可行性，难度适中，要能够达到训练学生嵌入式方案论证能力和软、硬件设计能力的目的。学生也可根据自身的知识特点拟定课题，经指导教师审核修改后进行课程设计，同样，自拟课题也要达到综合训练的目的。课程设计的选题和实施应能培养学生的嵌入式方案论证和制定项目具体实施计划的能力，规范学生的嵌入式项目开发方法和开发步骤。在嵌入式系统课程设计结束后，学校应提倡以学院为单位组织嵌入式系统设计大赛，进一步锻炼学生嵌入式工程实践能力，达到学以致用的目的。
中图分类号：G64 文献标识码：B
文章编号：1672－5913(2007)17－0025－03
1 引言
随着手机、PDA、高清电视(HDTV)、机顶盒、智能家电、汽车电子、路由器、医疗仪器、航天航空设备等嵌入式系统的广泛应用，中国嵌入式系统市场预计每年将直接创造亿元的效益，因此嵌入式将成为电子信息产业新的经济增长点，嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的应用领域之一。与巨大的市场潜力和产业需求相比，我国国民教育体系下嵌入式系统的教学知识较为陈旧，缺乏实践锻炼，无法适应企业的实际需要，嵌入式人才的缺乏是阻碍我国嵌入式系统发展的首要因素。本文首先分析我国目前嵌入式专业教学的现状，阐述了嵌入式课程体系的知识结构，接下来针对应用型本科院校计算机类嵌入式方向的课程设置与教学进行了探讨，最后对该教学模式实施的实际效果进行了总结。
2 嵌入式课程设置现状分析
2．1 现状及问题
目前，我国大部分高校的嵌入式系统教学仍然停留在20世纪80年代初发展起来的以8位51单片机为核心的教学水平上。教学内容、教学方法、教学手段、教材体系不能适应嵌入式技术发展的需要。学生学完这门课程后满足不了社会对嵌入式人才的需求。究其原因，一方面是因为从事该领域的研发人员常常需要不同专业背景，例如计算机、电子、通信、自动化与控制，等。另一方面更重要的原因是我国的嵌入式教学没有跟上嵌入式技术的发展，笔者认为我国嵌入式教学存在如下问题：
(1)定位不明确，课程体系设置不合理：一个嵌入式系统不但包括硬件部分还包括软件部分。电子类、通信类、计算机类专业都可以开设嵌入式方向，但培养目标是不相同的、课程设置和侧重点也不相同，而目前有些高校只是根据技术潮流笼统地开设一门课程，远远达不到系统地学习嵌入式技术的需要。因此，高校开设置嵌入式专业时必须找准定位，结合自身的特点和优势开设课程。
(2)缺少系列教材：嵌入式技术往往和行业背景结合紧密，由于新技术日新月异，很难找到一套普遍适用的系列教材。这也给嵌入式教学带来影响。
(3)课程教学内容陈旧：嵌入式课程是一门很新的技术，目前有些高校虽然开设了这方面的课程，但是师资往往没有同步跟上，很多都是从相关专业转型而来，在短期内无法跟上新技术变革，因此出现教学内容陈旧，而且广度有限，深度不够的现象。
(4)缺少实践锻炼：嵌入式是一门实践性很强的技术。目前有些高校缺少实验设备，没有与实际工程应用密切结合的课程设计，使得高校培养的人才创新意识薄弱，实践能力不强，与实际工程应用需求严重脱节，学生发展后劲不足。
要解决以上问题，必须对嵌入式专业所需要知识结构有所了解。
2．2 嵌入式专业的知识结构
从广义上说，以单片机，FPGA/CPLD，DSP，ARM等实现的产品都可以称之为嵌入式产品，基于FPGA的SOC、SOPC、ASIC设计都和嵌入式系统密切相关，如图1所示。
嵌入式工程人员应该具备什么样的知识结构呢?嵌入式工程人员既可从事嵌入式硬件设计，也可从事嵌入式软件设计，下面结合我国对嵌入式软件人才的培养要求，我们认为工程型嵌入式软件人才应具有如下的知识与能力：
(1)硬件知识
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。因此，对于从事嵌入式软件开发的工程人员，必须清晰地掌握相关的硬件基础知识，如嵌入式微处理器、接口技术、软硬件一体化的开发工具，等。
(2)软件工程知识
嵌入式软件工程与通用软件工程具有共同之处，但又有很大的差异。因此，嵌入式软件工程人才必须首先具有软件工程技术的基本知识和工程技能，例如软件工程管理、软件质量、软件工程过程，等。同时，一个好的嵌入式开发工程师必须掌握一门开发语言、精通一种主流微处理器系统、掌握一套开发工具和一种嵌入式操作系统。
(3)行业领域知识
嵌入式系统是与特定行业应用密不可分的，嵌入式软件在移动设备、数字家电、汽车电子、数控机床、医疗电子、航天航空、工控等领域得到广泛应用。所以，嵌入式软件工程人才必须具有一定的行业领域知识，才能胜任工作。
(4)系统工程能力
由于嵌入式系统是面向某种特殊应用，所采用的硬件平台、开发工具和应用环境都有所不同，再加上市场对大多数产品要求开发周期短和成本低，我们无法为了某一种产品而从头开发。因此，如何选择合适的软硬件平台以高效地开发产品，如何有效管理开发团队中的各类人员，如应用专家、硬件工程师、软件工程师和其他相关工程人员，成为嵌入式系统产品开发的重点。这就需要嵌入式软件工程人才应具备解决工程问题的能力，自我知识学习与更新能力和良好的交流与组织协调能力。
对于嵌入式专业的教学，不可能把图1中罗列的所有技术全部学习一遍，这样做也得不偿失。一个比较好的方法是根据各个学校的特点实施嵌入式课程教学，电子类、通信类、计算机类专业都可以开设嵌入式方向，但是其侧重点和培养目标是不相同的。下面主要结合计算机类专业的嵌入式方向阐述其课程设置与教学。
3 基于ARM架构的嵌入式课程设置与教学
3．1 课程体系
嵌入式专业的特点是涉及知识面广、综合性强、实践性强，并且学科发展快，因而学习难度大。同时，它要求教师不仅具备一般的计算机系统的软硬件知识，如计算机系统结构、操作系统、计算机网络、编译原理、数字电路，等，而且需要真正从事过嵌入式系统的开发实践，才能对嵌入式系统中的实时性等抽象概念和系统调试过程有感性认识。
对于计算机应用类的学生而言，学习嵌入式系统设计重点应该放在嵌入式软件设计这一部分。如果学生掌握了一种主流嵌入式微处理器、掌握了一门开发语言、一种嵌入式操作系统、一套开发工具，就达到了系统地学习嵌入式技术的要求。
目前，在嵌入式领域中广泛应用的是ARM(Advanced RISC Machines)系列微处理器。作为世界第一大IP知识产权厂商，ARM公司本身不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。可以说，ARM公司引发了嵌入式领域的一场革命，在低功耗、低成本的嵌入式应用 领域确立了市场领导地位，是目前32位市场中使用最广泛的微处理器。ARM从1991年大批量推出商业RISC内核到现在为止，已授权交付了超过20亿个ARM内核的处理器核。在全球已有将近200多个半导体公司购买了ARM核，生产自己的处理器。目前，80％以上的GSM手机、99％的CDMA手机以及将来的WCDMA、TD-SCDMA手机都采用的是基于ARM核心的处理器。ARM进入中国2年以来，已经与中兴、华虹、东南大学、上海集成电路设计中心及中芯国际签定了芯片核心技术授权协议。因此，学习以ARM为架构的嵌入式技术具有非常广阔的前景。
对于嵌入式开发语言目前主要有汇编语言、C和C++语言、Java语言，等。对于嵌入式操作系统目前主要有VxWorks、Windows CE、Linux和μC/OS-II，等，各个学校可以根据实际情况开设这些课程。集成开发工具主要有Tomado、Windows CE开发工具、ADS，等。下面结合笔者所在学校介绍其嵌入式方向的课程设置与教学情况。
计算机系嵌入式专业培养目标偏向嵌入式软件设计开发。其课程体系的设置应该体现“注重工程能力培养的嵌入式系统人才知识体系”。根据学生的接受能力，嵌入式知识的学习应体现层次性、由易到难的渐进性、注重实践性。其知识结构由基础知识、专业基础知识、专业知识这样一个层次结构组成。
基础课程阶段：主要学习理工科的一些基础课程，如高等数学，等，主要在大学一、二年级开设，这里不再赘述。
专业基础课和专业课开设方案如图2所示，图中列出其主要课程，该课程体系的目标是培养嵌入式系统软件设计师。
专业基础课阶段：如图2底部所示，主要包括模拟电子电路、数字电子电路、数据结构、C语言程序设计、Java语言程序设计、计算机组成原理、操作系统，等。主要放在大学二、三年级开设。
专业课阶段：如图2中部所示，专业课体现为三条线，主线是图中部虚线框中以ARM为架构的系列课程：第二条线属于硬件方面的选修课程，用于加强学生对嵌入式硬件方面的了解；第三条线属于软件方面的课程，用于加强学生软件方面的知识，后两条线的课程都为主线服务。下面详细介绍主线各门课程的主要知识点。
“汇编语言程序设计”课程是学习嵌入式技术的入门课程。主要介绍汇编语言程序设计的基础知识，ARM系列微处理器，基于ARM体系结构的指令系统以及汇编程序设计。本课程是学习嵌入式系统原理与接口技术、嵌入式系统设计与应用等知识的前导课程。
“嵌入式系统原理与接口”课程的教学内容应包含典型的嵌入式微处理器的工作原理、嵌入式系统的存储体系、GPIO、总线接口、网络接口，等。在嵌入式系统的教学中对特定的微处理器内部结构的知识要求淡化，对处理器接口知识的要求必须加强。该门课在教学过程中应注意“点面结合”，以某种平台为重点，兼顾其他系统的特征。
“嵌入式操作系统”课程主要介绍嵌入式系统基本知识，嵌入式系统的一个重要特征是系统存储资源有限和对实时性要求高，其用户界面与通用系统也很不一样，因此嵌入式操作系统与通用操作系统有较大的差别。在嵌入式操作系统课程中需要结合典型的嵌入式操作系统对操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等内容进行介绍。不同的学校可根据具体情况选择一到两门流行的嵌入式操作系统，如UCOSII、Linux、WinCE、Vxworks，等。
“嵌入式系统设计与应用”课程的教学内容应该包括嵌入式系统体系结构、嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动，等。设置本课程的目的是让学生了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具。
“嵌入式系统测试技术”嵌入式产品往往是软硬件结合的产物，其设计方法涉及软硬件协同设计、系统级设计、数字系统设计等多个层次。因而，嵌入式软件的测试不同于一般的软件测试，本课程的重点放在嵌入式软件测试，该课程包括了嵌入式软件测试的一般过程，内容包括结构化测试和嵌入式系统的原理、测试生命周期、重要的应用技术、基础设施、测试组织形式和测试原则。
3．2 课程教学
目前嵌入式教材存在的知识结构笼统、平台相关性问题及针对性不强等问题。我们逐步编写了嵌入式方向的系列教材，并且聘请企业的技术专家参与教材编写，让来自工作一线、拥有丰富工作经验的专家直接参与教材编写，大大增强了教材的实用价值。这些教材以ARM体系结构为主线，理论研究与实际开发紧密结合，面向应用。目前这些教材在实际教学中取得了良好的效果。
针对在校学生缺少行业背景知识这一缺点，我们在教学中大力开展了与企业的合作。首先我们研究企业需求、深入很多大中小型IT企业，作岗位调研，看看企业到底需要什么样的嵌入式人才，聘请企业专家参与课程设置与专业建设。同时，我们也研究嵌入式人才的就业问题，研究什么样的嵌入式人才好就业，在学生学习期间，直接把学生派到相关企业进行实习和毕业设计，使得培养的嵌入式人才能够适应企业的需要。
此外，注重嵌入式师资的培训，充分利用寒暑假将专业教师派到相关企业直接参与项目的开发。通过这种方式使得专业课教师能够紧跟时代的步伐，时刻引领新知识、新技术，避免了其知识的陈旧性。
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)15-3647-04
物联网、云计算目前已经成为信息产业的主流方向，在这个主流方向中，最核心、最关键的部分是嵌入式系统。调查数据【1】显示，市场对嵌入式人才的需求缺口巨大。就高校而言，培养符合行业要求的人才是高校的职责，而人才的培养又始终离不开切实可行的教学计划和课程体系，制定符合行业实际的教学计划和课程体系，是培养人才的关键。而开设什么样的课程来培养符合行业要求人才，又要依据行业特点和对人才的技术要求来确定，否则就会偏离行业要求，满足不了行业需求。在2008年《普通高等学校高职高专教育指导性专业目录(试行)》里已经规划了嵌入式技术与应用专业(专业代码510121)，但还没有形成一门独立的本科专业，近几年高校中的电子专业、计算机专业以及机电与自动化专业、通信专业都相继开设了嵌入式系统相关课程,大都针对本科高年级学生或者研究生开设了嵌入式系统方向。从国内不同高校不同专业开设的嵌入式系统课程来看，各具特色，有些硬件课程开设的多，有些软件课程开设的多。这主要是由于嵌入式系统本身包含软件与硬件两个层次,在设计与应用方面,又具有软硬件协同工作的特点,既要依据硬件设计软件,又要依据软件确定硬件,不能简单的说哪个更重要,只能从应用的角度讲其侧重点不同。因此对于不同专业开设的嵌入式系统课程，不能一概而论。本文主要从嵌入式从业人员进行嵌入式系统开发所具备的知识要求和技术要求为依据，确立计算机专业本科生从事嵌入式系统开发应具备的基础知识和技能，并着重对计算机专业本科生嵌入式系统的课程体系构建内容及实验平台方案进行探讨和研究。
1嵌入式系统概述
嵌入式系统是以计算机技术为基础、以应用为中心、软件硬件可裁剪并且对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从其概念来看，嵌入式系统是专用计算机系统，应该包含硬件系统和软件系统，具体地说，一个嵌入式系统硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备；嵌入式系统软件包括初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。一个典型的嵌入式系统应包含嵌入式硬件、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件三个部分构成。
由于嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，因此嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通用计算机系统，它的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。嵌入式系统的基本特点就是“嵌入”、“专用性“和“计算机性”。由于系统的这些特性，导致系统的存在形式是多样的和面向特定应用的，并且对成本、功耗、可靠性和实时性特别关注，因此在嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的选择上都要考虑这些特点。
2嵌入式系统专业人才岗位及核心能力分析
2.1嵌入式系统的技术研发岗位划分与设置
从事嵌入式技术的岗位主要是企业的研发、生产、销售部门，当然还有其它辅助部门，在此主要针对研发部门的岗位进行分析。嵌入式系统研发部门岗位的设置，离不开嵌入式系统的结构和开发过程，设置什么样的岗位、需要何种学历的人才都与嵌入式系统的开发过程紧密相关。就嵌入式系统而言，总体上可划分为硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和的接口电路组成，软件一般由硬件抽象层、嵌入式操作系统、软件应用平台和应用程序等组成,如图1所示。
硬件层是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的平台，包括输入输出接口/驱动电路、处理器、存储器、定时器、串口、中断控制器、外设器件、图形控制器及相关系统电路等部分。对于硬件层的设计开发要有较深的硬件开发经验，这些岗位一般都需要资深的硬件工程师。中间层包括硬件抽象层（HAL）或板级支持包（BSP），负责对各种硬件功能提供软件接口，包括硬件初始化、时钟管理、定时器管理、中断处理、总线管理、内存地址的映射等。它位于底层硬件和操作系统之间，是二者之间的桥梁。这个层次的设计开发不仅要精通底层硬件结构，还要熟悉上层的操作系统，主要工作是开发设备驱动程序。这部分工作需要有丰富的软硬件件研发经验才可以胜任。软件层主要包括操作系统和软件应用平台，操作系统主要是实现资源的访问和管理，完成任务调度，支持应用软件的运行及开发，软件应用平台则是为了提高开发速度与软件质量，一些应用提供商开发了一些可重用的应用平台，封装了一些常用的功能，同时提供API接口，可以在此基础上进行二次开发。这些岗位要求具有丰富的嵌入式操作系统开发经验和软件工程能力。功能层主要指的是应用软件层，位于嵌入式系统层次结构的最顶层，直接与最终用户交互。针对各种特定功能来编写应用程序，实现系统的功能应用。主要是进行大量的C、C++或JAVA语言编程，不需要更多涉及底层硬件，大都是基于操作系统之上的编程。这些岗位要求就有丰富的嵌入式应用软件开发能力。从嵌入式系统开发流程看，还可以对硬件层、中间层、软件层、功能层四个层次的研发工作进一步细化。
2.2技术研发岗位从业人员核心能力分析
对于从事嵌入式系统研发的技术人员而言，必须具有与岗位匹配的核心能力才可以胜任工作。文献[3]就嵌入式整个行业的从业人员在不同岗位应具备的知识和能力进行了描述。由于目前国内就嵌入式人才的评估和认证只有嵌入式工程师认证，因此本文将从硬件设计、软件设计、系统架构、软、硬件测试这五类技术研发岗位进行研究，来确定相应人员应具备的知识和能力要求。对于每一类岗位，将从岗位工作任务、岗位知识能力、主要技能和核心能力这四个方面就行研究，其中岗位工作任务是指该岗位应完成日常基本工作的事务范围，岗位知识能力是指该岗位应具备的基本知识要求，主要技能是指该岗位技术能力的要求范围，核心能力是指该岗位工作主要能力要求。分析结果如表1所示。
2.3技术研发岗位知识要求
表1就目前嵌入式技术人员的五种岗位要求从四个方面进行了分析，从分析的结果看，对于硬件设计及测试人员而言，应具有的知识点：①熟悉或者掌握模拟电子线路、数字电路，单片机等基本的硬件电子电路设计知识；②熟悉和掌握C语言或者C++语言及接口电路程序设计；嵌入式系统硬件的设计、嵌入式系统的程序设计③至少熟悉l到2种基本的EDA工具，如MODELSIM、Quartus? lI、Protel等；④熟悉各种常用工具和仪器仪表，熟悉电子元器件性能分析。软件设计软件测试人员而言，应具有的知识点：①熟悉Linux，WinCE，Vxworks等操作系统的各种软件开发环境；②熟悉GUI开发过程、熟悉网络编程、多任务编程等；③精通C语言、汇编语言；④熟悉嵌入式系统硬件的设计、嵌入式系统的程序设计。⑤熟悉嵌入式软件开发模式及方法，熟悉白盒测试、黑盒测试和回归测试，熟悉单测试、集成测试、系统测试过程及测试的误区的分析。系统架构人员应具有的知识点：①熟悉嵌入式软件工程；②熟悉面向对象和结构化软件开发方法；③精通常用软件开发语言；④熟悉软件架构模式和设计模式，熟悉常用软件建模技术。
3计算机专业嵌入式系统课程体系及实践平台的构建及分析
3.1计算机专业嵌入式系统课程体系及实践平台的构建
从嵌入式系统专业人才岗位及核心能力分析来看，对于计算机专业，在构架课程体系时，应该结合计算机专业特点及嵌入式技术研发岗位和应具备的知识能力出发，可从理论与实践两个方面，去制定切实可行的专业课程体系。本文将从理论课程体系和实践课程体系两个方面阐述课程体系和实践平台的构建。其平台结构如图2所示。
在图2中，计算机专业基础和核心课程体系可依据计算机专业相关培养课程体系及目标确定，本文不再赘述。对于嵌入式系统理论课程体系可分别从硬件课程、语言课程、专业课程三个方面进行构建，其中硬件课程可包含有电路与模拟电子技术、数字逻辑电路、计算机组成与体系结构、微机原理与接口、ARM体系结构与编程、电子线路设计、计算机控制系统、单片机原理与应用、DSP技术及应用、FPGA设计基础等课程；语言课程可包含有C语言程序设计、VC＋＋程序设计、离散数学、数据结构、VB程序设计、C#程序设计、J2EE中间件技术、C语言深入编程、C++/VC++深入编程等课程；专业课程可包含有嵌入式操作系统、Linux设备管理与应用、ARM体系结构与编程、嵌入式系统设计、WinCe系统设计与应用开发、面向操作系统的程序设计、多核程序设计等。对于嵌入式系统实践课程体系可从专业实践与认证培训两个方面进行构建，其中专业实践可从课内实践、课程实训、项目团队、专业竞赛、企业实习、毕业实习等方面进行构建。在专业实践中，课内实践和课程实训是对嵌入式专门知识的巩固与提高，综合实践是阶段性综合能力培养的需求，项目实训与毕业设计是综合分析设计能力的保障。而对于培训认证，可参与ARM公司全球认证、中国软件行业协会嵌入式认证、中国电子学会认证、信息产业部认证等机构和部门的培训认证活动。
3.2嵌入式系统课程体系分析
从嵌入式系统课程体系的内容来看，具有三个方面的特点。首先是体系完整，专业特色突出，整个课程体系体现四个方面的能力培养：①编程能力培养，体现在C语言程序设计、C语言深入编程、C++/VC++深入编程及面向操作系统的程序设计等课程。②实践能力培养，体现在嵌入式系统设计与应用开发实践、Linux和WinCE操作系统与应用开发实践、嵌入式系统设计与应用综合实训及毕业实习和毕业设计等方面。③应用能力培养，体现在嵌入式系统设计与应用、嵌入式图形界面开发及嵌入式测试技术等方面。④创新能力培养，主要体现在创新团体、嵌入式竞赛、企业实习及一些嵌入式协会等。其次，整个课程体系具有侧重应用，循序渐进，层层递进的特点。从软硬件编程到专业技能培养，再到项目实训和毕业设计是递进式的。软硬件编程是整个能力培养的基础，专业技能是提高，项目实训和毕业设计是综合应用能力培养。最后，整个课程体系涵盖了微软、信产部认证课程。微软认证为微软WinCE嵌入式系统工程师认证，其课程主要包括WinCE系统设计与应用和嵌入式系统设计。信产部认证为嵌入式系统设计师认证，其主要课程包括嵌入式系统设计、嵌入式测试技术和ARM体系结构与编程。
4计算机专业嵌入式系统实验教学平台的构建
根据嵌入式系统实践课程体系构建的设想，对于教学实践，要根据计算机专业和嵌入式系统开发的技术要求和岗位职责，可进行合理规划。既要让学生掌握坚实的基础知识，又要让学生跟得上主流技术潮流。由于嵌入式系统在构成上可由硬件和软件构成，因此在进行实验教学时，可从硬件和软件两个方面进行构建。根据目前嵌入式系统开发的主流技术来看，在硬件选型上要以X86CPU、单片机和ARM处理器为主，在操作系统的选择上要以WinCE、Linux、μC/OS-II和Vxworks等操作系统为主，可从驱动程序设计、嵌入式系统界面、应用程序等方面进行实验。本文提出了一种可行的实验架构，如图3所示。
图3嵌入式系统课内实验体系
图3从三个层面对实验教学进行了规划，最底层为硬件层，可选择不同的处理器及各种电路及存储设备进行实验，如X86CPU、ARM处理器、单片机、数模转化电路、I/O接口、通用接口、ROM、RAM等。中间为操作系统层，可选择主流嵌入式操作系统进行实验，如WinCE、Linux、μC/OS-II、Vxworks等。最上层为应用层，可从嵌入式驱动层序开发、嵌入式图形用户界面以及应用程序的设计等方面进行实验，其中在程序设计语言的选择上可重点考虑汇编语言、C/C++语言、JAVA为主要训练语言。
5总结
中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-4087-02
Method of Embedded System Teaching in Application-orientation Colleges
HAN Lei,HUANG Jian, CAO Yu-xiao
(School of Computer Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)
Abstract: According to actual conditions of application-orientation colleges, this paper states three contradictions in embedded system teaching. From aspects of education, experiment and so on, the paper discusses some issues of embedded system education such as teaching pattern, method and means in application-orientation colleges. The conclusion is that scattering background knowledge, emphasizing basic in classroom, and doing experiments after class. Practice indicates that this teaching experience should be promoted.
Key words: embedded system; education; curriculum system; experimental system
1 引言
电子技术的进步,尤其是微型机的出现,推动了科学研究的飞跃。随着后PC时代的到来,嵌入式技术以其灵活、高效和性价比高等诸多优势,被广泛应用于科学研究、工程设计、军事技术、文艺及商业等领域,成为后PC时代信息技术发展的主力军。现在,嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,市场潜力大,就业机会多。
因此,很多高校、职业技术学院和培训机构纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作。然而,各教学单位的办学理念、办学条件、教师实力和学生水平良莠不齐,所以嵌入式系统教学模式也应该因地制宜、因材施教。本文针对应用型本科院校的实际情况和嵌入式系统的特点,提出嵌入式系统教学的若干思考,探讨应用型高校嵌入式系统教学之路。通过课堂教学、课程设计、毕业设计等教学实践环节,取得了良好效果。
2 教学实践中的矛盾
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式系统的学习需要扎实的计算机基础知识、持之以恒的钻研精神、实践锻炼与方法归纳的能力。然而,在应用型本科院校的嵌入式系统教学过程中,存在基础与目标、过程与结果等方面的矛盾,困扰着嵌入式系统教学。
2.1 知识需求与知识背景的矛盾
嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。蚂蚁虽小五脏俱全,嵌入式系统本质上是一个专用计算机系统,包括硬件、软件和固件等方面的知识[2]。因此,学习嵌入式系统需要全面的基础知识,例如:硬件方面,只了解处理器的寄存器、工作模式是不够的,还应理解存储器及存储映射、寻址方式和调试接口,掌握具体处理器芯片的设备、接口技术与硬件设计等等;软件方面,单纯了解操作系统的工作原理、体系结构、API调用和应用程序开发也是不够的,开发者还要关注操作系统的移植和引导启动、地址映射、驱动程序开发等复杂的细节问题。面对嵌入式系统庞大的知识体系,不同专业的学生往往因为背景知识匮乏而显得力不从心。计算机科学与技术专业的学生由数据结构、编译原理、操作系统等专业核心课程做支撑,学习嵌入式软件开发的难度不是很大,但是对于硬件系统的比较、选择、理解、分析和设计,感觉很吃力;而电子信息科学与技术专业的学生,情况却相反,他们强于硬件分析设计,弱在嵌入式系统软件开发。这就形成了嵌入式系统的全面知识需求与学生背景知识不足之间的矛盾,该矛盾普遍存在于嵌入式系统教学过程中。
2.2 课程内容与课时量之间的矛盾
应用型本科院校和大多数高校一样,采用了学分制教育模式。学分制的优点自然很多,比如更加灵活、机动和高效等等,但是学分制也造成了大课时量课程的锐减。多数课程精兵简政,以小学分形式,成为学分制教育模式下的瑞士军刀,在学生喜好间游刃有余。在这种情况下,嵌入式系统课程自然也是小巧玲珑,通常只有32学时或48学时;然而,嵌入式系统涉及的知识面非常广泛,需要讲解和实践验证的内容较多。这样,就形成了庞大的课程内容和偏少的课时量之间的矛盾。
2.3 授之以鱼和授之以渔的矛盾
近年来,我国大学生的就业问题越来越严重,已经引起社会各方面的广泛关注。就业形势由精英教育阶段的卖方市场转向当前的买方市场。用人单位纷纷提高任用标准,一方面:追求学历层次,装潢门面,造成人才高消费现象;另一方面:忽视人才再培养,强调上岗即可独当一面,奉行“拿来主义”。这种形势对应用型本科院校的人才培养提出了更高要求,尤其对嵌入式系统人才培养发出新挑战。在嵌入式系统教学过程中,选择“从基本原理入手,循序渐进,举一反三,使学生达到融会贯通,具备从事嵌入式系统开发的基本素质和实践技能”的授之以渔理念,还是走“直接瞄准用人单位的需求,只求实用,不求通达”的授之以鱼之路,是摆在教育工作者面前的两难问题,值得思考。
3 教学模式的改进
面对教学实践中的矛盾,必须对嵌入式系统的教学模式进行一些改进。改进时,应坚持如下原则:对于不同专业的学生,嵌入式系统教学的侧重点应该有所不同;将嵌入式系统的知识点分散于前期必修课中,充分运用课程设计、毕业设计等实践教学环节夯实基础知识积累、掌握实用先进技术。
3.1 将知识点分散于先修课程中
国内部分院校开设了嵌入式系统专业方向,主要课程设置大体相同,以ARM体系架构和实时操作系统为切入点,设置了由嵌入式系统专业课程、前驱课程、后续课程组成的课程组[3-4]。嵌入式系统专业课程包括:嵌入式系统设计与实例开发、嵌入式处理器体系结构与应用、嵌入式系统编程语言、嵌入式实时操作系统原理与设计等;前驱课程包括:C语言程序设计、数模电子技术基础、数据结构、汇编语言、计算机接口技术、单片机原理与应用、工业过程控制;后续课程包括:嵌入式软件工程学、常用电路芯片介绍、EDA设计、UML在嵌入式系统开发中的应用。
很多应用型本科院校的嵌入式系统不是独立的专业方向,只是通过少量几门课程对嵌入式系统做概括性介绍。这种情况下,必须将繁重的嵌入式系统教学内容,渗透到其它相关课程教学中,比如:在C语言程序设计中,加入强化对位寻址、位运算的内容;在计算机原理课程中,加入对I2C、SPI总线以及USB的原理与应用等内容;在算法设计课程中,加入对低功耗计算的介绍;在数据结构课程中,提高学生对算法时间复杂度和空间复杂度的分析能力;在操作系统课程中,强化实时调度的内容并要求学生掌握简单的实时调度算法;在软件工程中,增强学生对系统软件可靠性、经济性的理解。这样,通过课程渗透,大大降低了理论教学中原理性问题的教学压力,使内容的安排可以向应用倾斜,真正建立起符合应用需求的嵌入式系统教学体系。同时,在讲授嵌入式系统专业课程时,要根据不同专业,把握不同的侧重点,比如:计算机专业的学生应补充电路设计方面的能力,强化软件开发能力;电子信息专业的学生应补充嵌入式软件开发能力,强化硬件电路设计能力。最终,将学生培养成“既通又专”的系统开发人才。
3.2 将难点分散于多层次实验教学中
教学实验与理论学习是相辅相成、相互促进的。教学实验必须和理论学习相结合起来,不能脱节,才能使学生做到“学以致用”。课堂上通过老师的讲解学生可以掌握嵌入式系统基本概念、ARM 体系结构、驱动程序的开发、应用程序的开发、调试技术等原理。在实验中,学生通过实践可以深入理解嵌入式微处理器、建立嵌入式开发环境、掌握各种接口技术等基础知识,另外,实践环节还应该激发学生向难点技术进军,努力学习新技术的热情。
因此,实验教学体系的建立,应坚持循序渐进的原则,根据教学内容精选实验,分层次设计实验内容[5]。比如:将实验划分为:验证性实验、综合性实验、设计性实验等。
验证性实验采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生了解开发环境和开发流程,掌握实验开发工具的使用方法,熟悉软件编程环境,根据实验指导书的内容进行实验的调试,读懂实验源程序和程序的运行过程,并能进行修改、组合和补充应用编程。
综合性实验是在验证性实验的基础上,综合整个课程的知识,尽可能多地利用实验系统上的资源,构造一个具有实际意义的嵌入式应用系统,即做一个较为复杂的综合实验。
设计性实验的目的是使学生能够更深入的掌握嵌入式系统的理论知识,并有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。
在实验教学过程中,要充分调动学生的学习积极性,培养开发兴趣,充分利用课余时间进行嵌入式系统学习,可以采用一些仿真软件克服实验条件的限制,比如采用Skyeye等软件虚拟嵌入式系统平台,进行开发研究。另外,还要充分利用课程设计和毕业设计等实践环节,锻造企业需要的合格人才。
4 教学效果
在教学过程中,作者坚持循序渐进的教学策略。从51系列单片机入手,着重对比介绍ARM7体系结构、ARM流水线、处理器状态、处理器模式、内部寄存器以及存储映射等。以uC/OS-II作为重点研究嵌入式操作系统[6]。通过课堂教学,使学生掌握了嵌入式系统开发的基本原理、基本工具、基本方法、基本技能。在课程设计阶段,一些同学通过自学可以在嵌入式Linux下做简单应用开发、一些同学能够根据具体需求,针对具体ARM芯片扩展电路,设计电路图。毕业设计从事嵌入式系统开发的同学,能够在较短的时间内理解复杂的嵌入式系统案例,并结合具体应用深入细节、仔细剖析,基本达到用人单位的雇用要求。
事实证明,利用有限的课堂时间理清思路、抓住基本核心技术、激发学习兴趣,发挥课余时间、课程设计、毕业设计等大块时间巩固理论、锻炼技能、学以致用、不断提高的循序渐进式教学模式是卓有成效的。
5 结语
嵌入式系统还没有成熟的模式去遵循,教学之路很容易被五彩缤纷的嵌入式产品所迷惑,然而,课堂就是课堂,授之以渔的理念不能变,任何事物都在变化,但不乏规律存在,不乏瞬间的永恒,Intel的51体系结构经过了二十多年的风雨洗礼后,仍然占有相当大的市场份额就是一个例证,当前风靡的ARM体系结构也必将拥有相当长的技术生命,课堂应该抓住这些本质的东西,用最短的时间做最有效的事情。当然,应用型本科院校“学以致用”的理念也不能变,嵌入式系统的教学必须合理利用相关的课堂时间、课余时间、课程设计、毕业设计等等教学环节,坚持“课程内容渗透,课堂抓基础、课后抓实践”的教学路线,打造出企业所需的合格人才。
参考文献:
[1] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[M].北京: 北京航空航天大学,2005.
[2] 毕春跃.计算机专业嵌入式系统教学模式探析[J].计算机教育,2008(4):82-84.
[3] 权宁一.单片机与嵌入式系统教学改革初探[J].福建电脑,2007(12):208-209.
