计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系研究
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作者: 李必云 石俊萍 李宗寿
摘要：针对高校计算机本科专业嵌入式系统教学与人才培养的滞后现状，分析了嵌入式系统方向发展特点，确定了计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系建设思路和人才培养目标，并提出了以计算机本科专业课程为基础的嵌入式系统方向理论及实践课程体系。
关键词：嵌入式系统；人才培养目标；计算机本科专业；课程体系
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-9599(2011)23-0000-01
Curriculum Study for Computer Undergraduate Embedded System
Li Biyun,Shi Junping,Li Zongshou
(College of Information Science&Engineering,Jishou University,Jishou 416000,China)
Abstract:For the lag teaching and training in higher education embedded system,this article analyzes the development characteristics of the embedded system,identify curriculum thinking and personnel training objectives of building embedded systems of major computer science in colleges,a new curriculum system with theory and practice of the embedded system is proposed based on the courses of major in computer.
Keywords:Embedded system;Talents training objective;Computer undergraduate;
Curriculum system
一、引言
嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求[1]。
嵌入式系统已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域，如手机、PDA、MP3、手持设备、智能电话、机顶盒等，可以说嵌入式技术无处不在。由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求，使嵌入式软硬件工程师成为未来几年最为热门的职业之一。
目前，随着嵌入式技术越来越热，国内越来越多的高校陆续开设了相关课程，并建立了嵌入式实验室。但是通过各种渠道反映出，很多高校嵌入式课程开设的情况不理想，很多学校建立了优良的嵌入式实验室，却很难达到理想的授课效果。归结其原因主要有两点：一、没有完善的课程体系；二、需要合适的师资力量。吉首大学作为一所办在民族地区的省属高校，其办学宗旨之一就是为地方经济建设服务。吉首大学计算机系一直就是秉承此种宗旨来发展和培养应用型人才的。从目前的嵌入式系统技术发展趋势来看，计算机专业本科教学不仅要面向计算机软硬件系统，更应与嵌入式系统方向相结合，与人才培养模式和人才需求相结合进行适时调整，从理论及实践课程体系、师资能力到人才培养模式进行整体规划，以适应当前应用广泛的嵌入式系统人才需要。
二、计算机本科专业嵌入式方向的人才培养目标
按照嵌入式技术及其密切相关的电子信息产业目前及未来的发展需求，培养与我国社会主义现代化建设要求相适应的，在德、智、体、美等方面全面发展，掌握计算机科学与技术基本理论、基本知识和基本技能，具有深厚嵌入式理论基础、能从事嵌入式系统设计与开发、集成电路设计与应用、无线通信等实际工作，具有良好的政治素养、文化科学素养、较强的学习能力、实践能力和创新意识和综合解决实际问题能力的高级应用型人才。嵌入式系统方向重点培养学生嵌入式系统软件工程实践能力，包括软件工程及各种嵌入式系统开发技术、调试和测试工具[2]，毕业后学生将具备嵌入式系统软件开发能力，有能力适应巨大的嵌入式系统产品市场需求，成为嵌入式系统产品企业所急需的掌握嵌入式系统软件技术的人才。
毕业生具有的知识、素质、能力包括：1.具有良好的思想道德素养和团结协作的精神，熟悉计算机方面的有关法规，遵纪守法，善于合作，勇于创新。掌握较丰富的科学文化知识、较扎实的计算机学科基础知识、系统的专业基础知识和基本技能，了解计算机专业的发展趋势和新进展。2.具有较强的学习能力和实践能力，能够熟练地运用多种方法获取知识、理解知识、掌握知识，能够综合性地提出问题、分析问题和解决问题；具有较强的计算机综合应用能力和一定的科学研究能力。3.掌握嵌入式系统开发的理论和基本方法，具有嵌入式系统软硬件的设计、开发、调试及维护的基本能力。具体掌握一种嵌入式操作系统，具有在该操作系统环境下设计、编程及开发的能力。兼具软件及硬件的协调开发能力。4.具有良好的语言表达和书面表达的能力，适应现代社会的交往沟通方式，具有较强的集体合作和组织协调的意识与能力。5.熟练掌握一门外语,并能顺利阅读本专业的外文书刊，了解文献检索、资料查询的基本方法。能够较熟练地使用英语从事嵌入式方向的研究与开发。
三、计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系建设思路
嵌入式系统作为一个完整的智能电子系统，需要掌握有关电子和计算机等相关领域的硬、软件综合知识。一般而言，自动化、测控和电子类的学生电子设计的基础较好，程序设计偏弱；而计算机类的学生程序设计基础好，电子设计能力偏弱。计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系的建设和规划，应从以下几方面结合进行。
（一）计算机本科专业课程与嵌入式系统方向相结合
嵌入式系统是将先进的计算机技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统的应用范围可以粗略分为两大类：电子系统的智能化(工业控制、现代农业、家用电器、汽车电子、测控系统、数据采集等)，计算机应用的延伸(MP3、手机、通信、网络、计算机外围设备等)。从这些应用可以看出，要完成一个以MCU为核心的嵌入式系统应用产品设计，需要硬件、软件及行业领域相关知识。硬件主要有MCU的硬件最小系统、输入／输出外围电路、人机接口设计。软件设计有固化软件的设计，也可能含PC机软件的设计，这些有关嵌入式系统的硬、软件设计和测试也是计算机系统的组成部分之一，嵌入式系统知识体系最主要的三大技术仍然是计算机体系结构、计算机操作系统和计算机网络，嵌入式系统方向的课程设置应与这些计算机本科专业课程相结合，在计算机相关软硬件知识基础进一步拓展设计和应用知识。
（二）与嵌入式系统自身特点相结合
嵌入式系统以计算机、电子技术为基础，但嵌入式系统也有其自身的特点。按照层次结构看待嵌入式系统，嵌入式系统分为４层：硬件层、驱动层、操作系统层和应用层，不能片面地从“电子”或“计算机软件”角度认识嵌入式系统，嵌入式系统软件硬件密切相关，软硬件协同设计已经成为电子系统级工具和方法的主要应用，是软件与硬件的综合体，没有对硬件的理解就不可能写好嵌入式软件，同没有对软件的理解也不可能设计好嵌入式硬件。软硬件相结合进行课程设置是嵌入式系统的特点要求之一[3]。嵌入式系统设计也是一门实践性非常强的课程,作为以应用为中心的课程，实践教学是嵌入式系统教学的关键，要求理论与实践并重，为将学生的操作能力、分析能力、工程设计能力与应用实践结合起来，引导学生由浅入深地掌握嵌入式系统设计的理论与技术，嵌入式系统方向课程设置应以培养实践动手能力为核心。
（三）与市场、企业需求相结合
高校计算机专业嵌入式方向从需求的角度，总体培养目标是培养人才市场紧缺，企业需求量大，就业率高的软硬结合的复合型嵌入式开发工程师。嵌入式系统人才的培养应与社会需求相接轨，充分培养学生技能水平与职业素养，使学生能够达到企业实际岗位的用人标准，满足企业应用需求，缩短企业二次岗前培训，成为具有完备的专业知识和技术能力的应用型人才。
四、嵌入式方向课程体系基本内容
要完成一个嵌入式系统应用产品设计，需要硬件、软件及行业领域相关知识与实践训练，嵌入式方向人才培养的定位为应用型技术人才，综合计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系建设的三个结合点，制定一套培养应用型人才为目标的课程体系[4]。
（一）理论课程体系
计算机科学与技术专业课程包括电路与模拟电子技术、数字逻辑电路、汇编语言程序设计、计算机组成原理、计算机体系结构、微机原理与接口技术等硬件课程；C语言程序设计、离散数学、数据结构与算法、面向对象程序设计（Java和C++）、软件工程等软件课程；操作系统原理、计算机网络、数据库原理等专业核心课程，这些课程也应该为嵌入式方向的支撑课程群。操作系统考虑嵌入式方向课程设置，应增加Linux操作系统的实训内容。
在这些计算机专业课程基础上，删减原来与嵌入式方向联系不大，相对独立的若干专业课程，适当增大嵌入式系统应用技术方向课程比例，构成计算机专业嵌入式方向理论课程体系。基础课程中增加嵌入式系统概论，硬件层面上增加可编程逻辑器件及描述语言FPGA/VHDL、嵌入式处理器体系结构。软件层面上增设Linux下C语言编程、嵌入式Linux驱动开发、嵌入式实时操作系统、嵌入式应用程序开发；嵌入式系统级别上考虑软硬结合增设嵌入式系统设计课程，考虑嵌入式发展方向，增设WinCE设计与开发、嵌入式软件测试技术课程。
（二）实践课程体系
嵌入式系统是面向应用的，实践是整个嵌入式系统课程体系中最重要的环节，其目标是培养学生实际的嵌入式软硬件设计能力。在嵌入式课程实践中，采用多层次专业实践与培训认证相结合的实践体系。专业实践包括课内实验、课程设计、综合项目实践、毕业实习与毕业设计，课内实验学时占每门课总学时数比例不低于30%，课程设计包括软硬件和应用系统开发等课程，综合项目实践以项目团队的形式使学生得到团队协作的训练，毕业实习以校企合作、实习基地形式进行。课内实验和课程设计可使学生课程理论知识得到巩固提高，综合项目实践则培养学生阶段性综合性实践能力，毕业实习和毕业设计可培养学生综合分析设计的应用能力。目前，在嵌入式专业领域内的知名厂商及相关认证也越来越为更多的大学毕业生及在职工程师所关注，在实践教学中，引入国际和国内嵌入式认证的培训内容和知识更新体系，增加实践动手能力，积累项目开发经验，增加就业竞争力。
五、结束语
在IEEE计算机协会和ACM共同制定的2004版计算机类课程体系中，嵌入式系统已经被列为核心课程之一。嵌入式系统课程群建设是一项长期、艰难的任务，新知识更新速度明显快于传统学科，计算机本科专业嵌入式系统方向课程体系的规划与建设，需要明确人才培养目标和建设思路，并在计算机专业课程基础上进行，既重视融合学科的基础知识积累，又强调实践性，使嵌入式系统的教学紧随嵌入式技术的发展。
参考文献：
[1]马义德,汤书森,张北斗等.嵌入式系统课程群建设与创新型人才培养[J].高等理科教育,2004(8):23-25
[2]徐劲松,刘钰碧,蒋晶.应用型本科嵌入式系统课程群建设与实践[J].企业技术开发,2009(28):145-146
[3]徐敏,林瑞金,关健生.嵌入式系统教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2009(3):13-15
[4]杨立林.从企业招聘需求看嵌入式系统教学课程体系设置[J].中国电力教育,2011(22):69-70
[作者简介]
李必云（1973-）男，讲师，硕士，主要从事计算机系统结构、嵌入式技术教学与科研工作
基金项目：吉首大学教学改革研究项目资助(2010-2012
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