基于嵌入式系统应用型人才培养基地的建设

摘要：针对嵌入式产业发展所面临的机遇，简要分析了目前国内高校在嵌入式系统教学中存在的问题和不足。基于我院嵌入式系统应用型人才培养基地的建设，介绍了在实施嵌入式人才培养中，从指导思想、培养目标、课程设置、实训内容、教学模式等方面的做法。实践证明，学生在嵌入式开发及应用能力方面有了明显的提升，同时又推动了学科发展及师资队伍建设。
关键词：嵌入式系统；开发；应用型；人才培养；基地建设

    嵌入式系统(Embedded System)被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗都有严格要求的专用计算机系统。嵌入式涵盖了微电子技术、电子信息技术、多媒体技术、网络通讯等多个技术领域，其核心包括：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户程序，主要用于实现对设备的信息处理、控制、管理等功能。嵌入式系统的应用覆盖网络、通讯、智能信息产品、工业控制、航空、航天等各种领域，其产品以高性能、低功耗、应用方案灵活、成本低廉等诸多优点，在工业控制、军事国防、航空航天、网络通信、消费电子等行业发挥着重要作用。嵌入式系统应用已经渗透到各个科技领域和日常生活的每个角落，可以说嵌入式技术无处不在，是后PC时代最人们的研究领域之一。
    嵌入式系统的广泛应用及其良好的发展潜力催生了企业和社会对嵌入式系统人才的需求，越来越多的在校大学生、企业工程师和相关技术人员也都加入了嵌入式系统的学习大军。国内高校纷纷开设了嵌入式体系结构的相关课程，但嵌入式系统教育还处于初期阶段，没有形成统一的教学体系和人才培养模式，课程缺乏系统性和层次性；诸多高校只是为了适应技术的发展趋势改变或者增设一两门嵌入式系统方面课程，同时又存在着缺设备、缺师资、缺系统的教学现状。而嵌入式系统本身涉及知识面广、综合性和应用性强，加上学科发展之快，因而学习和讲授难度较大，难以形成一个简单明晰的知识体系，大部分学生根本无法在很短的时间内掌握嵌入式系统的开发和设计方法。
    如何开展嵌入式的“教”与“学”，如何在有限的学时里安排教学内容，以及通过什么样的平台进行知识的学习和应用是很多高校在嵌入式系统人才培养中面临的问题。作者作为负责人申报了嵌入式应用型人才培养基地建设项目，该项目得到了省教育厅的资助，旨在通过基地建设，从课程体系搭建、人才培养模式创新、教学方式改革、师资队伍建设等方面构建一种学习与工作相结合的教学模式和课程设计理念，从而能够有效地对嵌入式系统方向高技术应用型人才的培养。
    嵌入式系统应用型人才培养基地建设，通过市场调研及企业访谈，提取存在的问题，并于企业共同制定培养方案及基地建设，最后通过实施调整及完善方案，重点突出以下5个方面：1)加强实践环节。由于嵌入式系统设计是一个实践性很强的技术，如果缺乏相应的实验环节或系统性实验作支撑，只是简单的验证性实验，学生很难从系统性上进行全面把握，同时教学过程简单枯燥，不易激发学生学习兴趣；2)形成社会急需嵌入式系统开发与应用相对接的课程群，构建课程体系结构，分层次、分项目渐进性的学习与实践，逐步提高学生嵌入式系统的理论水平和应用能力，使学习过程上升到系统级和专业级。3)配备具有开发经验的工程师与高校教师1：1共同承担授课任务，提高嵌入式体系相关课程的教学效果。4)研发适合学生使用的开发平台，为学生课下学习提供有力保障。5)采取任务驱动的教学方法，边干边学，以干促学。

1 基地建设指导思想
    1)前期积累
    我院2005年开始筹建嵌入式系统实验室，自主研制、开发用于教学的51系列(8位)，430系列(16位)，ARM系列(32位)嵌入式多功能用户板各20套；2007年开始投入使用到实验教学、课程设计、毕业设计、课外科技活动等，效果良好。
    2)基地建设指导思想
    目前，国内各高校嵌入式实验教学设备一般采用市售专用教学实验箱。实验箱在嵌入式教学中存在诸多问题，主要体现在：缺乏系统性，学生很难从系统结构上进行全面把握；器件配置低、功能单一，不适宜工程开发应用；体积庞大，不便于携带；产品价位高，不易普及推广。鉴于此原因，我院于2008年3月开始研发具有高配置、小体积、低价位的多功能系列用户板，并进行软硬件系统的开发应用于教学中，构建嵌入式系统综合实训平台。其意义在于①为学生进行综合知识应用、发挥主观能动性及创造能力提供软硬件环境；②有利于学生从体系结构上全面了解嵌入式系统的基本开发应用；③提升实验室的综合科技水平，培养锻炼教学团队，为实验室发展注入自我造血机能：④改善实验教学条件，不断提高教学水平；⑤节省对实验室设备的投资。

2 基地建设规模及定位
    1)基地建设规模
    我院已建成面积350 m2 4个嵌入式系统研发培训实训室。其中2个以嵌入式单片机开发应用为主，主要以模块化为主进行教学，教学目的重在掌握嵌入式系统各部分功能及应用开发。另外2个依托相关企业合作联建、联合办学，教学目的重在掌握嵌入式系统开发应用。基地保证能够同时容纳100名学员接受学习与培训，满足社会对计算机相关专业、电子信息与通信工程和自动控制等专业在嵌入式方面的人才培养需求。
    2)基地定位与培养目标
    定位：培养面向嵌入式技术应用及产品研发的中、高级技术人才。
    培养目标：①高端人才培养目标：围绕ARM+Linux系统的软硬件开发，全面深入地理解嵌入式系统的硬件组成和软件开发技术、Linux的裁剪、移植、底层驱动的开发与编程。通过系统的学习，使学生能够独立承担在嵌入式领域从事产品设计与开发应用的复合型应用人才。②中低端人才培养目标：通过嵌入式单片机系统分析、硬件电路设计、焊接技术、系统软件编程、代码优化、文档整理、工程素质培养等方面的学习，使学生具有工业控制核心电路板的软／硬件系统应用开发能力，成为自动控制领域工程技术开发应用中级人才。

3 教学效果
    1)教学模式创新
    在教学模式上，采用多种教学模式，理论教学与实验教学相结合、教师指导与自主学习相结合、应用与创新相结合、课堂教学与课外创新实践教学活动相结合。构建了“演示验证型-模块开发应用型-系统综合设计型-研究开发型”4层次嵌入式实验教学体系。授课模式以“案例”与“项目驱动”相互融合的教学方法创新，通过师生共同实施一个完整的“项目案例”工作，使学生达到理论联系实际、融会贯通，并把CDIO工程教育理念贯穿于整个教学过程。
    2)师资队伍建设
    为保证基地建设持续良性的运行，不断满足社会对嵌入式方面人才的技术需求，引进企业工程师若干名。企业工程师和高校教师1：1共同承担核心课程的授课任务。我们高度重视在职教师的培养，有目的、有计划地安排教师到嵌入式方面进行培训，每年派出教师到企业岗位挂职锻炼；积极参加各类研讨会，定期开展嵌入式新技术发展知识讲座，及时掌握嵌入式系统发展动态；长期与企业合作联合研发嵌入式相关产品。通过近几年的教学实践，逐步形成了嵌入式培训基地教学研发团队在知识能力、学历层次、职称及年龄结构较为合理的教师梯伍。
    3)教材建设
    近年来，随着嵌入式技术的发展，关于嵌入式系统理论方面的教材和专著如雨后春笋般涌现。但突出应用实践性教学的教材屈指可数。这也反映了国内嵌入式系统教学过程中存在重理论轻实践的现象。教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，教材建设是基地在实施应用型人才培养的基础和核心。因此，它是实施培养目标的重要保证。依据嵌入式不同层次人才培养目标要求，编写了基于51系列、430系列和ARM系列的实验教材。教材内容主要包括：开发板电路说明、功能特点和使用方法，软件开发环境，实验项目的软硬件开发应用。该系列教材以学生能力培养为目标，体现先进性，突出系统性，注重实用性。
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4 实验设备研发
    1)新型嵌入式多功能用户板的整机功能
    (1)内嵌并行接口JTAG调试／编程器。
    (2)调制解调器(MODEM)功能。
    (3)在系统编程(ISP)功能。
    (4)异步串行通讯(UART)及远程通讯(485)功能。
    (5)高速光耦输入／输出隔离接口。
    (6)8键／8位LED数显功能。
    (7)128x64汉字／图形液晶点阵显示功能。
    (8)精密时钟(万年历)功能。
    (9)USB接口及数据存储功能。
    (10)SD卡接口及数据存储功能。
    (11)多路ADC／DAC／GPIO接口。
    (12)多路带捕捉功能的定时器／计数器／GPIO复用接口。
    (13)同步串行通讯(SPI)／GPIO复用接口。
    (14) 外部中断／GPIO复用接口。
    此外，又扩展了覆盖多种高端应用模块，如：
    ①红外(IR)通讯：蓝牙技术应用实验。
    ②数字音频处理与播放(I2S)：多媒体应用实验。
    ③工业测控广泛应用的现场控制总线(CAN)应用实验。
    ④满足未来物联网应用的网络接口应用实验。
    ⑤真彩触摸屏(TFT)应用。
    2)新型嵌入式多功能用户板的技术亮点
    ①采用内嵌并行JTAG调试／编程器，具有结构紧凑、价格低廉、调试／编程高效、方便等特点。
    ②主芯片采用二次集成PACK板，便于产品的升级开发。
    ③丰富的SOC外设接口及扩展的功能模块，适于网络、通讯、工业控制等高端应用领域。
    ④LCD／LED显示及语音提示终端，方便用户工程开发和教学实验。
    ⑤集成了很多复杂的外围设备，简化了硬件电路设计，提高了处理器引用能力。
    3)新型嵌入式多功能用户板用于实验的优势硬件结构简单，将下载线JTAG接口电路直接嵌入在实验板上，取消电源设置，直接利用USB接口从计算机供电，减少实验部件和部件间连接。充分利用计算机资源，如：显示器、键盘、鼠标、USB接口等以及ARM单片机内部集成及外设资源，发挥软件的优势，使每套实验模块的成本控制在百元内；不受开发环境限制，体积小，便于推广应用。
    4)已开发的实验
    目前，已开发的实验有：通用端口(GPIO)实验、模数变换(ADC)实验、数模变换(DAC)实验、定时器(TIMER)实验、异步串行通讯(UART)实验、同步串行通讯1(SPI)实验、同步串行通讯2(SSP)实验、外部中断实验、脉宽调制器(PWM)实验等多个综合实验以及红外(IrDA)发送／接收模块实验、数字音频(I2S)实验、真彩触摸屏实验、现场控制总线(CAN)实验、以太网(Ethernet)通讯实验等多个扩展和创新实验。

5 学生培养成效
    新型的嵌入式多功能用户板已正式在4个专业5个班次进行课程教学，效果良好，受到学生一致好评。在课程教学以及在大学生电子设计竞赛、毕业设计、综合课程设计中均发挥了重要作用，有力地推动了电子信息及计算机类课程建设，促进了教学质量的提高及相关专业应用型人才和创新人才培养。在2008年和2010年陕西省德州杯大学生电子设计竞赛及2009年全国大学生电子设计竞赛中，获得各类奖项共20项，连续3年获奖等级、数量在同类院校排名中名列前茅，下图是2009年全国大学生电子设计竞赛部分学生作品。

6 结束语
    嵌入式系统是应用性较强、涵盖知识面宽的综合性学科，除要求学生具有较扎实的基础知识外，教学过程中特别要突出实践环节，课堂教学设计以学生为中心，以项目驱动为重点，不断更新丰富实训内容，为学生尽可能提供良好的实验实训教学平台。我院嵌入式应用型人才培养基地紧跟嵌入式发展前沿，制定了面向嵌入式技术应用及产品研发的低、中、高级技术人才培养的课程体系；已与美国杜肯大学签订改变传统的教学方法和手段的培训协议，构建一种学习与工作相结合的教学模式和课程设计理念；引进并培养了双师型教师5名，核心课程授课认为由工程师与高校教师1：1共同承担，构建了合理的师资队伍。目前，已与多家企业签订战略合作协议，通过校企共建基地、联合培养、师资互换、共同进行项目研发等多种方式，实现企业和高校嵌入式应用型人才培养的无缝连接。