计算机专业嵌入式方向课程体系建设
摘要：随着嵌入式应用的迅猛发展，企业对嵌入式人才需求的缺口越来越大，嵌入式人才培养问题在高校计算机相关专业已被广泛重视。结合目前高校嵌入式系统教学和嵌入式技术人才需求现状，针对计算机专业，提出一套嵌入式方向的课程体系建设方案。
关键词：计算机专业；嵌入式方向；课程体系建设
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、外围硬件设备、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。
在实际的实验教学中，对理论基础及其实践基本技能的训练，要采用传统的教学方式，培养学生的实践动手能力。对综合应用技能的训练，要体现项目教学、学中做、做中学等教学思想，应突出能力培养，体现知识与能力培养的一体化融合。
4、结语
随着嵌入式应用的迅猛发展，普通高校计算机专业如何在原有的专业基础上增加嵌入式系统方向，培养与市场需求接轨、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，是现在高校计算机专业竞相研究的—个课题。在此提出的这套针对计算机专业的嵌入式方向课程体系的建设方案，结合目前嵌入式教育现状，综合考虑企业的应用需求和计算机专业特点，对地方高校计算机专业嵌入式方向建设有一定的指导意义。
计算机专业嵌入式方向课程体系建设
