1引言
嵌入式系统是一门综合性很强的课程，主要由计算机类、电子类、自动化类学科作为高年级的必修或限修课程开设。随着“互联网+”这种互联网思维的不断升级实践和深入生活，嵌入式系统仅作为工业级应用已经成为昨日黄花，物联网将成为嵌入式系统的最主要应用方向之一。以ARM内核芯片为处理器的智能通讯系统成为智能手机中相当庞大的一支力量。嵌入式系统正如其名一样，逐渐嵌入到人们的日常生活中。嵌入式系统课程实践性要求高，经费紧张，历史短，积累经验少，因此嵌入式人才匮乏，缺乏嵌入式系统人才的问题已经阻碍嵌入式产业的可持续发展[1]。由于需要软硬件结合进行教学，注重动手实验，需要理论与实践并重的方法，因此，嵌入式系统教学改革需要的理念与近年来兴起的CDIO工程教育模式不谋而合。2000年，美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所院校经过四年左右的研究，提出CDIO工程教育模式的理念。CDIO的C、D、I、O四个字母分别代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。CDIO培养大纲将学生能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求以综合的培养方式使学生的学习达到预期目标[2]。也就是说，关注学生工程实践经验的形成和累积，锻炼动手能力是工程教育模式的主要目标。国内外很多大学都很关注这一模式，已经有几十所国外著名大学加入CDIO组织；国内也有多所院校加入了教育部的CDIO工程教育模式研究与实践课题组试点工作组。这对于嵌入式系统的教学改革提供了很好的外部平台，并有方向性的指导作用。以设计方案为导向的嵌入式系统教学的改革以建立学生的系统工程体系为主要目标，以总体设计和局部设计为着眼点，发掘学生的分析、解决问题和构建方案的能力，力求在以后的工作中能够学为所用。
2教学现状
嵌入式系统课程综合性强，内容多而庞杂，需要的先修课程多，包括C语言程序设计、操作系统、Linux操作系统、数字逻辑、电路基础等诸多课程，一般开设在大三的下学期或大四的上学期，这样先修课程学生能够比较充分地完成。中国石油大学的嵌入式系统课时为32学时，其中16学时为实验学时，授课学时较少。学生虽为工科学生，但以计算机科学与技术和软件工程专业的学生为主，硬件基础差，动手组装、焊接能力不强；但对于软件系统的设计、分析、理解和编程能力较好。目前嵌入式系统课程安排在大四的上学期，但学生面临考研、工作等重要的人生选择问题，学习热情有所下降，部分实验不能在规定时间内完成。但从总体教学情况来看，绝大部分学生的学习热情很高，对于这个较新的课程门类很感兴趣，对课程的实用价值和能够学到的知识认可度很高。很多学生课程结束后都有意犹未尽的感觉，经常与笔者交流：能否多来实验室进行练习？是否有相关课程可以旁听？等等。但是苦于入门比较困难，而且需要投入较多的时间进行软硬件调试和练习，很难有实质性的提高。
3以设计方案为导向的教学方法改革
因学生的基础较弱，因此课程重点集中在培养系统设计方案的规划和嵌入式操作系统的理解和实现。以嵌入式Linux为主要平台，对于系统的层次结构、底层硬件构件，嵌入式Linux操作系统的剪裁、编译、移植，Bootloader的编译和烧写，驱动模块的编写和编译，以及在系统中的使用进行介绍。在教学中以一个GPS定位系统为例，从总体设计开始介绍，让学生从系统角度开始认识嵌入式系统的组成，包括硬件构件和软件构件，让学生简单了解嵌入式系统的概念。作为一个典型的嵌入式系统，GPS定位系统包含了一般嵌入式系统中常见的硬件组件（如液晶屏幕、键盘、天线、CPU、ROM、Flash等），也包含了常见软件构件（如嵌入式Linux操作平台、地图存储数据库、地图的查询和显示系统等），具有较好的示范效果和引导作用。在教学实践中从需求分析开始引入总体的设计方案，引导学生思考系统需要的基本硬件和软件组件，然后进入到每个组件的局部，分别进行说明和介绍。如引导学生分析GPS定位系统的功能后，引出硬件组件中液晶屏幕是必选组件，然后进一步深入介绍其相应的结构、类型、基本原理、选件要点，另外对于液晶屏幕和其他组件的连接方法、与哪些部件相连、如何供电进行进一步延伸。接下来从供电系统又可扩展到如何降低系统能耗，哪些部件是耗电大户，如何完成低功耗的配置和在设计中如何减少不必要的电能消耗，电池的类型以及选择方法。对于CPU部分的介绍可引入对于嵌入式处理器的类型、结构、通用功能说明，同时引入ARM架构处理器。对于ARM处理器则可进一步详细阐明其内部结构、寄存器和流水线技术、指令系统、异常处理方法等相关内容。对于软件组件，如Bootloader部分，也可以采用类似的方式。首选在嵌入式系统整个软件的总体结构中体现Bootloader的位置和作用，然后延伸到Bootloader目前的版本、类型，最后进入其内部结构，分别介绍stage1和stage2两个部分的基本结构和功能、启动的顺序等内容。其他部分组件依次进行延伸介绍和说明。这样从总体到局部，从系统设计方案开始，逐渐进入各个局部部件，让学生首选对整体的嵌入式系统有个认识，简单了解嵌入式系统的概念，引起学生的学习兴趣，且不让学生望而却步，再进一步到系统的各个组件的具体内容，逐个进行介绍和说明，层层递进，达到较好的教学效果。
4结束语
“以设计方案为导向”的嵌入式系统课程改革的方法每个学期都会根据学生的情况进行微调，大部分学生的学习热情得到较好的提升，课程总结、实验报告的质量都有了一定提高，达到预期效果。当然，嵌入式系统课程的改革尚在进行阶段，难免在一些方面有所疏漏，以后的课程实践中会不断进行完善。
作者：董华松 单位：中国石油大学地球物理与信息工程学院
