郑广海，曲英伟
（大连交通大学 软件学院，辽宁 大连116028）
摘 要：分析嵌入式系统教学相关课程和嵌入式系统课程群教学的基本内涵，提出以嵌入式Linux操作系统为核心课程来建设嵌入式系统课程群，整合优化嵌入式系统课程群教学体系。
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关键词 ：嵌入式；课程群；优化融合；教学体系
基金项目：2013年大连交通大学教学改革研究项目(DJDJG201345)；2014年辽宁省普通高等学校本科教育教学改革研究项目(UPRP20140299)。
第一作者简介：郑广海，男，副教授，研究方向为计算机应用、Agent技术，zhmos@163.com。
0 引 言
随着计算机技术、微电子技术、传感器技术及通信技术的不断发展和创新，嵌入式系统技术如今成了焦点的应用技术之一。嵌入式无处不在，随着嵌入式系统广泛应用，国内外机构投入大量资金对嵌入式系统进行研发，引发了对嵌入式系统技术人才需求的增长。嵌入式系统本身需要软硬件技术的紧密结合，开发难度较大，面临着重大的变革，这是嵌入式系统相关教学面临的新机遇、新挑战。
1 嵌入式系统课程群教学体系
嵌入式系统课程群建设目标是共享优质教学资源，以使更广泛的群体受益，坚持创新教育理念，坚持以学生为本，依托软件工程学科特色，改革嵌入式系统课程群教学内容、教学方法和教学手段，促使学生主动构建知识结构。
1.1 嵌入式系统教学的特点
嵌入式系统具有嵌入性、专用性和计算机系统三个基本要素[1]。它涉及微处理器、操作系统、系统设计方法以及高性能计算等基本原理和关键技术，涉及嵌入式系统的高可靠性、低功耗以及安全性、性能优化等基础知识。嵌入式系统实践性强，不仅要求学生有扎实的理论基础，更要求他们有很强的工程实践能力。嵌入式系统教学具有如下特点：①嵌入式系统课程具有多学科交叉性，融合了计算机、通信以及微电子技术等多项技术及应用；②嵌入式系统课程具有综合性，是集软硬件技术为一体的综合体，需要协同设计软硬件课程；③嵌入式系统课程实践性极强，需要通过大量的实验、实习实训、学科竞赛、科研项目等实践教学环节来进一步加深学生对理论知识的理解。
1.2 课程群教学体系构建
课程群建设是一组课程的整体建设，各课程所面对的教育对象是一样的，因此，课程群的课程内容具有相关性，课程群建设考虑课程集合整体的系统性建设，而不是考虑每门课程的个体特征[2]。课程群的课程集合具有强关联性和可整合性，课程内容相辅相成，有课程之间的衔接，也有课程内容的交叉。课程群整体建设是以单独每门课程建设为基础，通过对课程群课程集合的优化，以及课程的整合与重组，优化资源配置，充分发挥课程群每门课程的特有作用，综合考虑课程之间的内在逻辑性，构建知识、能力和素质一体化的人才培养模式。在选择课程群建设的课程时，要充分考虑培养方案中在知识点、技术原理和实现方法等方面存在逻辑联系的课程，通过优化整合，形成课程群的课程体系。
嵌入式系统课程群经历了几年的建设和优化，逐步完成由初期启动阶段到基础建设阶段的过渡，最终迈进创新提高阶段。在课程群的建设过程中，我们始终坚持以稳定为主旋律，在一定时期保持课程群教学内容的相对稳定，从深度和广度上对教学内容进行创新改革，不断将反映学科发展的新趋势、研究成果等新的知识点加入到教学中；采用“理论+实践+应用”的全新教学思路，以课程群理论教学为建设基础，依托课程群创新实践教学，以培养学生创新思维和创新能力为目标，形成嵌入式课程群全新的教学体系[3]。嵌入式系统课程群教学体系结构示意图如图1所示，包括理论教学体系、实践教学体系和教学评价体系3部分。
1.2.1 课程群理论教学
嵌入式系统所涉及的知识面非常广泛，应用领域众多，因此课程群建设在选择课程时，应该从嵌入式系统的底层硬件知识，考虑到顶层应用开发，根据嵌入式系统人才培养目标要求，保证嵌入式专业的主体规格，增强课程群理论课程的优化融合。通过精心选择、重组课程群的相关知识点，充实新知识点到课程群中，完成课程群教学内容整体优化整合。
在课程群体系框架下，我们要设计学生应掌握的知识点和创新能力发展要求，按照最优选择原则，对课程群的课程集完成裁剪、归并、整合优化、内容更新，构建完整的、系列化的课程群理论教学体系结构。
我们以“教育部—Intel”精品课嵌入式Linux操作系统课程为核心，围绕精品课建设，示范引导，建立嵌入式系统课程群教学体系结构。课程群理论课程包括C/C++程序设计、计算机组织与体系结构、微机原理与接口技术、嵌入式Linux操作系统、嵌入式系统设计与开发、ARM体系结构与编程等6门课程。
C/C++程序设计是程序设计的基础课程。C++由C语言发展而来，可用于结构化程序设计，也可用于面向对象的程序设计，是嵌入式系统常用的开发语言，是嵌入式系统开发的最佳选择。计算机组织与体系结构课程深入剖析计算机体系结构和内部工作机制，是掌握计算机内部世界的重要课程。微机原理与接口技术系统地阐述了微处理器的基本原理、体系结构以及指令系统等知识。嵌入式Linux操作系统是课程群的核心课程之一，讲述CPU调度、内存管理以及外设管理等理论知识。嵌入式系统设计与开发也是课程群的核心课程之一，它综合了多门课程的教学内容，讲授嵌入式软硬件环境及开发流程。ARM体系结构与编程课程重点讲解微处理器ARM内部寄存器结构、指令系统、中断管理、常用的外围接口等嵌入式硬件平台设计的有关知识和技术。
课程群建设要有整体全局观念，对课程群进行整体统筹优化，整合课程群理论知识体系，融合不同课程的知识点，要确保课程之间的无缝衔接，形成完整的课程群理论课程教学体系结构。课程群整体优化整合，要充分发挥嵌入式系统课程群的特色和整体优势。
1.2.2 课程群实践教学
嵌入式系统实践教学是课程群教学体系的重要组成部分，是提升学生综合素质的重要教学环节[4-7]，经过多年的实践探索，嵌入式系统课程群的实践教学体系由1个中心、3个教学层次和4个教学环节组成[3]，体系结构示意图如图2所示。
3个层次的实践教学包括：
（1）基础实践层，是课程群理论课程的课内相关实验，主要以验证性实验为主，通过这层教学环节，学生可以加深领会和掌握所学理论知识。
（2）综合实践层，是课程群的综合性和设计性实验，主要是培养学生的实践操作能力，引导学生综合理解嵌入式系统的实现机理，提高综合运用课程群知识的能力。
（3）创新实践层，以创新为目的，通过项目实训、学科竞赛和科学研究项目等创新实践教学活动，培养学生综合应用知识的能力、工程素养和创新能力。
3个实践教学层需要通过如下4个具体的实践教学环节来完成：
（1）课内实验环节，是与理论教学相配合的必要环节，通过课内实验强化重点内容和知识点，进一步巩固课堂讲授的理论知识，将理论与实践紧密结合，提高学生处理问题的能力。
（2）实习实训环节，是与企业合作，根据企业岗位技能要求，按照企业对员工的知识、技能和综合素质等方面的要求，构建基于企业标准的项目开发流程的实习实训工作环境，在企业项目经理团队指导下，学生在企业化情境中开发项目。
（3）毕业设计环节，是实践教学的重要环节，通过毕业设计将所学知识进行整合运用，具有综合性和总结性，是培养学生工程实践能力和创业精神的重要环节。
（4）学科竞赛及科学研究环节，可以培养学生的工程实践能力、创新能力及团队协作精神，是创新型人才培养的最有效途径。
2 课程群教学内容的融合
2.1 课程群建设
课程群是一类相关课程的集合，以现代教育理念和理论为指导，选取培养方案中相互有影响、课程内容联系密切、课程之间互动有序的相关课程，重新规划并整合成一个整体，构成课程群[8]。课程群建设是对课程集的再设计，对课程集中课程的知识点进行分解与融合，有效结合了课程体系的开发和课程建设的实施过程[9]。
采用结构化系统设计原则，实施嵌入式系统课程群建设，将课程群作为一个整体进行优化融合，课程群的融合充分反映课程教学特色和优势。我们将嵌入式系统相关的这6门课程统一进行优化整合，不再考虑每门课程内容的系统性，超越系统性约束，调整6门课程的内部结构，对这6门课程内容进行优化重组，删除在不同课程中重复出现的内容，紧随嵌入式学科发展，淘汰陈旧过时的知识，适当增加新技术和新知识。同样，课程群的实践教学内容也进行了优化整合，针对实践教学内容交叉重叠，多重视验证性实验，而忽略综合性和设计性实验等问题。在大量教学改革研究与实践的基础上，我们对6门课程实践教学的内容、知识点及培养计划等进行优化整合，增加综合性、设计性和创新性的实践教学内容。培养方案、教学计划及教学大纲等的再设计，实现了课程群知识体系的优化与重构。
2.2 理论课程的融合
课程群建设以群为单位，其教学过程具有整体性要求，教学内容模块化，课程群内课程之间相互渗透，经过优化整合，更能发挥群体课程的优势。
嵌入式课程群以精品课嵌入式Linux操作系统为核心，选择属于同一能力培养范畴的课程，整合了C/C++程序设计、计算机组织与体系结构等6门相关课程构成课程群，这些课程具有一定的相对独立性，而课程内容纵向具有前导和后继关系，横向存在知识结构上的内在联系，各门课程合理分工，构成一个系统化的有机整体。
我们理清课程群课程之间的关系，确定课程群的理论和实践教学内容，构建课程群体系架构。如嵌入式系统设计与开发课程需要软硬件的紧密结合，涉及硬件设计、操作系统、系统开发等相关课程的内容，对课程群的课程内容进行优化融合，课程群以ARM为硬件平台， Linux作为嵌入式操作系统，将Linux内核移植到ARM硬件平台上，在这样的软硬件平台上，使用C/C++开发嵌入式系统。
课程融合突破了课程之间的壁垒，没有了学科、课程的界限，是实现了课程群共融的教学活动。课程群整合，优化配置了教学资源，促进多课程间交叉、渗透、融合与创新，加强课程群内涵建设，改革创新，实现课程群跨越式发展。
2.3 实践课程的融合
嵌入式系统课程实践性强，根据嵌入式专业发展要求以及人才培养的需求，密切联系理论教学，并紧跟嵌入式学科的发展，重构课程群实践教学体系结构。整合嵌入式系统课程群实践教学课程，实现课程群实践课程合理分工，保证课程群实践课程之间的紧密衔接，优化整合实践教学内容，减少验证性实验，增加综合性、设计性实践教学内容，增加具有创新性的实践教学内容，开展多层次递进式的嵌入式课程群实践教学，以培养学生工程实践和创新实践能力为主线，优化整合课程群的实践教学资源和实践教学过程，形成多层次、多环节的实践教学体系结构。
整合课程群实践教学资源，优化了实践教学过程，实现了对传统实践教学的改造与创新。融合构建嵌入式实践教学体系结构，融合就是裁剪重复性实践教学内容，整合相关实践教学内容，增加设计性实践和创新性实践，实现嵌入式实践教学项目的重构与再造。我们按照嵌入式系统培养方案中对实践技能的要求，梳理和整合实践教学需要的实践技术，形成“1个中心，3个层次和4个环节”的实践教学体系；按照教育教学规律，遵循个性特点，促进理论知识与实践能力的转化，逐步将科研新成果以及最新实践技能和应用引入到实践教学中。如“C/C++程序设计”课程的实验内容在其他课程都有体现，我们将程序设计的实验融合到课程群的其他5门课程的实验中，根据电子大赛等学科竞赛设置创新实践教学内容，将教师的科学研究过程引入到课堂。通过这些改革措施，实践教学体系中融合了创新教学内容，学生学到了实践技术，也了解了科研成果的创新实践过程，更激发了学生探索科学事实的激情。
3 课程群教学改革探索
3.1 课程改革紧随学科发展
课程群理论课程主要讲解嵌入式相关知识的基本概念、原理和方法。随着计算机技术及微电子技术的发展，课程群建设密切结合嵌入式系统新技术发展的趋势和方向，以基础共性的新方法与新技术为切入点，将嵌入式新方法与新技术的前瞻性知识引入课程群理论教学中。我们在理论课程中先后引入微控制器、可编程计算、多核和虚拟化等知识；通过案例分析和应用系统设计，将Intel处理器技术融入现有软硬件课程体系中；嵌入式Linux操作系统课程内容增加Android知识等。
要保证专业知识与技术发展及应用同步，就要与时俱进地将学科研究的新成果引入课程群，及时更新课程群的教学内容。我们高度重视课程群实践教学环节，改革实践教学的内容和形式，逐步增加综合性、设计性和创新性实践，创造条件让学生参与科研活动，以提高学生的创新实践能力。
及时修订和调整培养方案，使课程群教学内容始终保持其先进性和适应性，能够反映嵌入式系统领域的最新研究成果和发展趋势，借鉴国内外嵌入式系统教学的先进理念和教学成果，改革创新，提高教学质量。
3.2 强化能力培养，优化教学方法及手段
嵌入式系统课程教学如果继续采用传统教学方式，已不能适应现代教学要求。嵌入式系统课程群改革围绕创新教学理念，课程群教学团队尝试采用多元化教学手段，注重使用先进的教学方法和手段，不断提高教学质量，坚持学科优势，强化特色教学，保持并改进具有特色的教学模式、教学方法及教学手段，结合素质教育和人文教育，探索适合嵌入式课程群的创新教学模式。我们采用启发式教学，充分开发学生智力，启迪学生智慧，激发学生的创新思维；采用任务驱动教学，可以提高学生工程实践能力和应用能力；依托学科竞赛和科学研究，促进课程群教学改革。通过产、学、研合作培养创新型人才，广泛开展学科竞赛活动、学生科研训练和科技活动，积极引导学生参加研究实践活动，促进教学与实践的紧密结合。
3.3 改革评价方式，考核教学效果
课程考核是检查和评价教与学效果的主要手段，是对学生的知识掌握程度、综合能力和创新能力培养等方面进行的综合评定。我们通过课程考核，及时反馈评价结果，跟踪分析教学中存在的问题，通过创新课程群教学模式，改进、调整课程群教学方式，更好地提高教学效果。课程考核的另外一个作用是在一定程度上引导了课程群教学改革。
课程群评价体系设计遵循多元化考核、考核办法全程化、考核方式多样化、考核内容综合化、考核成绩合理化、考核反馈经常化、建立考核反馈机制等原则。
课程群的考核评价体系包括3个方面的评价：
（1）教师教学过程评价（40%）：包括以下考核内容：出勤占10%，网上自主学习记录、课堂讨论、课外书面作业、随堂测试和学期小组活动5项，每项占6%。
（2）实践教学考核（30%）：实践教学划分为3层次，包括基础实践层、综合实践层和创新实践层，每层次实践教学的评定占10%。
（3）期末试卷测试（30%）：期末测试采取定量评价和教师评价的方式，具有较强的操作性和实用性，占30%。
3.4 注重队伍建设，提高育人水平
课程群建设的主体是教师，教师是教学活动的组织者，学校的教学质量主要取决于教师的教学水平和科研水平。师资队伍是课程群建设的基本保证，师资队伍应该具有对课程群内容进行融合的能力，这要求教师要掌握课程群的多门课程内容，这样才能做好课程群内容的融合，参加课程群建设的教师需要通过各种方式提高素质，从而加强师资队伍的整体建设，促进课程群的建设。
教学团队的建设应围绕课程群进行，通过引进、进修培养等手段，构建年龄、职称、学缘等结构合理，具有较高的理论素养和科研能力的课程群教学团队。课程群建设需要不断调整优化教学队伍，逐步形成教学与科研的良性互动局面。
4 结 语
经过多年的改革创新与实践，从单一课程到课程群建设的发展，课程群知识结构从广度到深度上都有创新，课程间的教学内容衔接趋向合理，去除冗余知识，增加新的知识；通过强化课程之间的联系，完成课程内容的融合与分解、整合优化，构建基于精品课嵌入式Linux操作系统的嵌入式课程群教学体系结构。
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参考文献：
[1] 何立民. 嵌入式系统的定义与发展历史[J].单片机与嵌入式系统应用, 2004(1): 6-8.
[2] 范守信. 试析高校课程群建设[J].扬州大学学报, 2003(9): 25-27.
[3] 郑广海, 曲英伟.“嵌入式Linux操作系统及实践”课程改革[J]. 计算机教育, 2012(4): 37-40.
[4] 宋跃, 谭爱群．构建三位一体的教学体系, 提高学生的实践创新能力[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(3): 15-18．
[5] 肖利, 曹丽华, 刘梅. 创建新型实验室, 培养创新人才[J]. 实验技术与管理, 2007, 20(10): 13-14．
[6] 贾晓辉. 软件工程专业实训基地的建设与实践[J]. 计算机教育, 2009(8): 116-117.
[7] 韩玉民. 高职软件类学生校外毕业实训管理的探索与实践[J]. 计算机教育, 2010(1): 83-85.
[8] 陆为群. 高师院校课程群建设的原则和策略[J]. 黑龙江高教研究, 2007(11) : 110-112.
[9] 郭必裕. 对高校课程群建设中课程内容融合与分解的探讨[J]. 现代教育科学, 2005(2): 66-68.
（编辑：郭田珍）