序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的新工科中嵌入式計算機系統(tǒng)教學設計樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

一、引言

為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部積極推進新工科建設，先后形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，旨在形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式和中國標準，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地。新工科建設的重點是探索工程教育的新模式，建立全面融入工程環(huán)境的課程體系，目標是讓全體畢業(yè)生在知識、能力和個人素質(zhì)等方面滿足工程創(chuàng)新的要求。

二、嵌入式工程人才應具備的知識和能力

嵌入式工程師的主要工作是嵌入式系統(tǒng)設計和開發(fā)，包括硬件系統(tǒng)的建立和相關(guān)軟件的開發(fā)、移植、調(diào)試等工作。一般可以分為嵌入式硬件工程師、嵌入式底層驅(qū)動工程師和嵌入式應用軟件工程師。硬件工程師負責硬件系統(tǒng)的設計、制作和調(diào)試，包括外圍電路芯片的選擇、接口電路的設計、板級的測試（需要自己寫程序測試硬件的基本功能）。硬件工程師需要掌握模擬和數(shù)字電子技術(shù)、計算機原理和接口技術(shù)和底層程序設計知識，具備數(shù)?；旌嫌布娐泛蛿?shù)字邏輯系統(tǒng)的設計能力以及設計底層程序測試硬件系統(tǒng)的能力。底層驅(qū)動工程師負責開發(fā)與硬件關(guān)系最密切的底層軟件和初級的硬件驅(qū)動程序，需要具備數(shù)字電子技術(shù)、計算機原理和接口技術(shù)、操作系統(tǒng)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法方面的基礎(chǔ)知識，要求能看懂嵌入式系統(tǒng)的電路原理圖，熟悉處理器的體系架構(gòu)，熟悉各種通訊協(xié)議，能設計和調(diào)試底層的驅(qū)動程序，能根據(jù)需要對操作系統(tǒng)進行移植和裁剪。應用軟件工程師負責設計系統(tǒng)的應用軟件來實現(xiàn)應用系統(tǒng)的各種功能。嵌入式應用軟件工程師需要掌握的知識有C/C++語言、操作系統(tǒng)原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法。從上面的分析可以看出，嵌入式工程師的知識結(jié)構(gòu)可以用一個三層結(jié)構(gòu)來描述，其中C程序設計和計算機原理是兩塊重要的支撐構(gòu)件，電路、電子技術(shù)和數(shù)學物理基礎(chǔ)是這個知識結(jié)構(gòu)的基石，而操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法和嵌入式系統(tǒng)設計是上層建筑。上述分析還表明，實際研發(fā)工作對于嵌入式硬件工程師和嵌入式軟件工程師的能力需求相差很大，而對于在校的大學生來說，過早地確定硬件或者軟件方向是不現(xiàn)實的，也是不合理的。

三、目前嵌入式工程人才培養(yǎng)體系存在的問題

“微機原理與接口技術(shù)”是工科學生接觸計算機底層硬件的第一門課程。這門課以Intel8086CPU為主線，系統(tǒng)講述微型計算機系統(tǒng)的基本組成、工作原理、指令系統(tǒng)及匯編語言程序設計、半導體存儲器技術(shù)、硬件接口技術(shù)、總線技術(shù)、PC的軟件體系以及PC應用系統(tǒng)設計舉例。這門課對于幫助學生掌握微型計算機的原理和硬件接口技術(shù)，建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念具有非常重要的意義，是一門重要的計算機基礎(chǔ)課。但是，隨著計算機硬件的高速發(fā)展和更新?lián)Q代，這門開設了30年的基礎(chǔ)課與實際工程應用之間的距離越拉越大。首先是其內(nèi)容已經(jīng)陳舊，陳舊到連實驗設備都不容易找到了。為了便于學生入門，這門課采用8086CPU作為模型來講解。但是現(xiàn)在8086芯片已經(jīng)停產(chǎn)了，很多學校已經(jīng)不能給學生提供基于8086的實驗設備。有的學校甚至采用FPGA來實現(xiàn)8086CPU，以解決實驗的問題。其次是不容易引起學生的興趣，因為學生無法把課堂所學應用到實際當中去。因此這門基礎(chǔ)課逐漸出現(xiàn)了兩種形態(tài)：一種是繼續(xù)堅持講8086架構(gòu)，把這門課純粹作為一門計算機理論課來講，然后在后面的學期里開設重在應用的單片機和嵌入式系統(tǒng)課程；另一種形態(tài)是干脆用51系列單片機替代8086CPU，試圖用8位單片機的體系架構(gòu)解釋計算機的底層硬件原理。以上兩種形態(tài)都存在著明顯的問題：花一個學期的時間講那些不能聯(lián)系實際的理論基礎(chǔ)，會讓學生對計算機硬件失去興趣；而51單片機的架構(gòu)又過于簡單，無法透徹地解釋32位/64位計算機的結(jié)構(gòu)特點和相關(guān)基礎(chǔ)理論知識。面對“微機原理與接口技術(shù)”這門課程在各個專業(yè)教學計劃中的尷尬現(xiàn)狀，許多專業(yè)又先后把“單片機應用技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”、“DSP系統(tǒng)設計”列入專業(yè)選修課，構(gòu)成一個課程群。但是，這個課程群存在下列問題：

1.“微機原理與接口技術(shù)”的作用不明確，教學內(nèi)容亟待調(diào)整和優(yōu)化；

2.“單片機應用技術(shù)”所采用的51體系與后續(xù)的“嵌入式系統(tǒng)”之間跨度過大，很多學生要再花很多時間才能掌握實用的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)；

3.課程群里的各門課程之間內(nèi)容沒有經(jīng)過統(tǒng)一設計，學時利用效率低。

四、以能力需求為基礎(chǔ)的嵌入式工程師集成培養(yǎng)方案設計

針對上述實際問題，我們提出一個新的面向能力需求的嵌入式工程師集成培養(yǎng)方案。如圖1所示，這個培養(yǎng)方案以“工程設計實踐”、“移動機器人工程專題L1、L2、L3、L4”和畢業(yè)設計作為嵌入式工程師實踐活動的主線和載體。在這個貫穿整個本科階段的實踐過程中，學生通過參與實踐項目，接觸和運用各種適合項目需要的嵌入式處理器和系統(tǒng)，通過邊干邊學來培養(yǎng)自己的各種基礎(chǔ)能力，尤其是上述第4項能力。這個新的培養(yǎng)方案的特點是在利用現(xiàn)在已經(jīng)開設的教學和實踐課程，加強課程教學之間的呼應。為了做到這一點，應該建立專題實踐課程教學和專業(yè)課程教學之間的呼應機制和C語言教學與微機原里教學之間的呼應機制?？梢圆捎靡韵罗k法：

1.專業(yè)課教師參與專題實踐課項目的輔導，指導專題實踐中學生的選題、方案設計、制作和調(diào)試。

2.專業(yè)課教學以專題實踐課的項目作為典型案例。

3.專業(yè)課的教學以專題實踐課項目中的某個部分完成的情況作為平時成績。

4.C語言的教學中采用51單片機上的程序作為例子和作業(yè)。

5.工程設計實踐和工程專題的項目采用C語言編程的嵌入式系統(tǒng)。

6.計算機程序設計課程改為學習C語言程序設計，而現(xiàn)在的C語言課程改為“單片機C語言”編程，放在微機原理（單片機）的后面開設。

7.在“單片機C語言”課程中加入關(guān)于實時操作系統(tǒng)的內(nèi)容。

五、結(jié)語

以能力需求為基礎(chǔ)，以工程實踐為骨架，用從一年級的移動機器人項目到高年級的工程專題工作室項目構(gòu)成一個進階式的工程實踐環(huán)境。整個嵌入式人才培養(yǎng)課程體系是建構(gòu)在這個工程實踐環(huán)境中的。教學實踐表明，單片機課程為學生提供了一個很好的入口，學生很快找到了用程序?qū)崿F(xiàn)預期功能的樂趣，建立了信心。而在單片機課程中加入的接口技術(shù)、跨平臺應用和最小系統(tǒng)設計，為復雜的嵌入式系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。從單片機進階到ARM的匯編程設計，既有利于理解復雜計算機系統(tǒng)的工作原理，又直接為今后編寫底層驅(qū)動打下基礎(chǔ)，可謂一舉兩得。此方案實施兩年來，學生在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面的能力明顯增強，在參加全國比賽中獲得良好的成績。

參考文獻：

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[3]陳立剛,徐曉紅.“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”教學內(nèi)容改革[J].電氣電子教學學報,2013,(2):77-79.

作者:王建萍 單位:深圳大學機電與控制工程學院