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嵌入式教學(xué)在國內(nèi)已經(jīng)開展了近20年，目前大多數(shù)的普通本科院校、高職高專和獨(dú)立學(xué)院都開設(shè)有嵌入式相關(guān)的課程。一部分院校傳統(tǒng)的微機(jī)原理和單片機(jī)課程也已經(jīng)改造或者升級(jí)成嵌入式課程。
最近我有機(jī)會(huì)參加賽靈思公司和機(jī)械工業(yè)出版社華章分社共同舉辦的“嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討會(huì)”，與長期從事嵌入式教學(xué)工作的浙大陳文智副院長，上海交大方向東教授，西安電子科大楊剛教授，浙大年輕教師翁愷博士，身體力行推廣開源軟件教育－蘭州大學(xué)周慶國教師和西安郵電大學(xué)陳麗君教授等老師們共同交流嵌入式教學(xué)現(xiàn)狀和未來發(fā)展，在會(huì)上我做了“嵌入式教學(xué)需改革和創(chuàng)新“的發(fā)言，談了自己對(duì)嵌入式教學(xué)的理解和思考，如圖1。
圖1 西安嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討會(huì)
嵌入式教學(xué)現(xiàn)狀
除了北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院、北京航空航天大學(xué)軟件學(xué)院，北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院分別開設(shè)了嵌入式系、嵌入式專業(yè)和嵌入式實(shí)驗(yàn)班，部分?？坪吐殬I(yè)院校有嵌入式專業(yè)以外，國內(nèi)多數(shù)普通本科院校沒有嵌入式專業(yè)。一般情況，院校是在計(jì)算機(jī)、電子信息等專業(yè)中將嵌入式作為學(xué)科的一個(gè)發(fā)展方向，開設(shè)了嵌入式課程。
隨著這些年嵌入式技術(shù)深入發(fā)展，尤其是ARM和Linux 的廣泛應(yīng)用，一部分院校計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和微計(jì)算機(jī)原理課程實(shí)際都是以嵌入式處理器（比如ARM、Intel ATOM SoC或者FPGA）為背景進(jìn)行教學(xué)，比如浙大陳文智老師介紹他們計(jì)算機(jī)學(xué)院“以嵌入式應(yīng)用為舞臺(tái)”的課程體系設(shè)計(jì)理念，即以嵌入式技術(shù)支撐傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和編譯原理這幾門核心課程教學(xué)。
嵌入式課程的平臺(tái)一直上多樣化和復(fù)雜性現(xiàn)狀，基于8051和80x86的單片機(jī)和嵌入式教學(xué)依然比重依然很大，基于HCS08/MSP430/AVR/PIC的課程還不少。從總趨勢看ARM增長很快，尤其是MCU Cortex M3/M4，包括飛思卡爾和TI公司在內(nèi)的大學(xué)計(jì)劃也轉(zhuǎn)向ARM MCU，比如上海交大方老師介紹他們的“嵌入式系統(tǒng)原理和實(shí)驗(yàn)”課程已經(jīng)從x86 轉(zhuǎn)向TI Cortex M3。
基于ARM＋Linux＋Qt的教學(xué)模式得到高校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式教學(xué)認(rèn)可，最近隨著Android 日益流行，Android 應(yīng)用開發(fā)內(nèi)容也紛紛加入進(jìn)嵌入式教學(xué)課程。基于可編程SoC（FPGA）的嵌入式課程在電子信息和計(jì)算機(jī)專業(yè)開始出現(xiàn)，可編程SoC讓傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)增加嵌入式計(jì)算的部分，使得電子設(shè)計(jì)與嵌入式設(shè)計(jì)二者有機(jī)的結(jié)合在一起，此外基于DSP的嵌入式課程還是電子信息和通信專業(yè)喜愛的嵌入式課程之一。
以上情況看出，因?yàn)榍度胧狡脚_(tái)各異，嵌入式教學(xué)即使相同的課程（比如嵌入式OS的開發(fā)與應(yīng)用）也會(huì)由于平臺(tái)不同，而選擇的嵌入式OS不同，課程的內(nèi)容都會(huì)因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87/">芯片、平臺(tái)、OS和工具不同而不同，這給教學(xué)工作帶來了一定復(fù)雜性。比如基于MCU平臺(tái)，一般選擇的是uC/OS－II，嵌入式Linux 會(huì)應(yīng)用在基于ARM9/11/Cortex A8/A9 平臺(tái)，而Android 則一般都運(yùn)行在最新的A8/A9 單核或者多核平臺(tái)，此外眾多ARM授權(quán)的半導(dǎo)體公司的芯片之間的差異或者產(chǎn)品變化也會(huì)帶來教學(xué)工作的困惑，比如TI 公司的Cortex M3系列芯片停止銷售改為推廣M4芯片。
各學(xué)科對(duì)嵌入式技術(shù)應(yīng)用的理解，因?qū)W科所屬行業(yè)特點(diǎn)的不同而不同，比如北京郵電大學(xué)軟件學(xué)院鄺堅(jiān)副院長一直強(qiáng)調(diào)通信設(shè)備對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)（RTOS）的依賴，他們把這個(gè)作為自己學(xué)院嵌入式教學(xué)一個(gè)重點(diǎn)，堅(jiān)持在教學(xué)中使用vxwork和uC/OS－II這種RTOS 類型的嵌入式操作系統(tǒng)。
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改革和創(chuàng)新的推動(dòng)力
嵌入式教學(xué)改革和創(chuàng)新的推動(dòng)力有三個(gè)：第一是技術(shù)創(chuàng)新，第二是應(yīng)用，第三是人才需要。
第一.技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)發(fā)展
從服務(wù)器、移動(dòng)終端、通信網(wǎng)關(guān)到智能傳感器，ARM隨處可見。過年幾年，嵌入式教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)轉(zhuǎn)到ARM處理器核心的芯片平臺(tái)上來，這里比較快的是高端的嵌入式處理器平臺(tái)，許多高校采用了ARM9/11/Cortex A8/A9 平臺(tái)。相對(duì)轉(zhuǎn)變緩慢的是單片機(jī)教學(xué)，方方面面的原因讓其改變步履艱難。在2013年11月嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)“使用ARM Cortex-M MCU拓展傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)”主題討論會(huì)上清華大學(xué)邵貝貝老師提出的使用Cortex M0 替代單片機(jī)的設(shè)想是一個(gè)即有前瞻性又務(wù)實(shí)的建議，值得大家思考［1］。
移動(dòng)云計(jì)算正在融入到嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，智能硬件＋智能手機(jī)＋云后臺(tái)的模式正在改變傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)－單機(jī)＋服務(wù)器的模式。以Rasberry Pi（樹莓派），Ardunio，pcDuino和Beaglebone為代表的開源硬件的流行，大大縮短嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期，其中極具創(chuàng)新性Ardunio積木式MCU開發(fā)模式，已經(jīng)成為智能硬件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模式，Ardunio接口支持?jǐn)?shù)以千種外設(shè)和傳感器模塊，大大方便了嵌入式系統(tǒng)樣機(jī)開發(fā)，深受創(chuàng)業(yè)者和學(xué)生們喜愛，浙大、北航和武漢理工大學(xué)等高校都已經(jīng)在嵌入式教學(xué)中嘗試使用這些開源硬件了，TI冠名的2014全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)大賽推薦使用了Beaglebone作為嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺(tái)［2］。
第二.應(yīng)用推動(dòng)發(fā)展
IDC預(yù)計(jì)無線芯片組市場在2009-2014年平均增長9.3%，移動(dòng)應(yīng)用部分（物聯(lián)網(wǎng)）激增35%，以智能家居、穿戴設(shè)備和智能交通物流等代表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增速加快。國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)百所高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，不少嵌入式專業(yè)老師進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)執(zhí)教。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)于嵌入式教學(xué)提出新的需求，如何改變傳統(tǒng)的嵌入式課程使之適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求是擺在嵌入式教學(xué)上一個(gè)新的課題。
第三.人才需求推動(dòng)發(fā)展
隨著智能手機(jī)的迅速普及，云計(jì)算應(yīng)用模式伴隨著像物聯(lián)網(wǎng)這樣的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)入工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，占手機(jī)OS市場80%份額的Android 成為主要移動(dòng)編程平臺(tái)。手機(jī)等移動(dòng)終端正在替代PC成為嵌入式設(shè)備人機(jī)交互的主要平臺(tái)，企業(yè)對(duì)于Android 開發(fā)人才的需要一直很旺盛，部分院校順應(yīng)產(chǎn)業(yè)的需要開設(shè)Android 應(yīng)用開發(fā)和底層開發(fā)課程，受到企業(yè)的歡迎，據(jù)參加西安嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討會(huì)的浙大寧波學(xué)院的老師介紹，他們與某企業(yè)合作的Android 應(yīng)用班在大四的時(shí)候結(jié)合企業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，就業(yè)一直很好。
需要指出的是，Android雖然也是基于使用Linux操作系統(tǒng)，但是其系統(tǒng)架構(gòu)和編程方式與Linux區(qū)別很大，以前從事嵌入式Linux教學(xué)的老師需要再學(xué)習(xí)。
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關(guān)于嵌入式教學(xué)的思考
在美國硅谷70年代微處理器問世，80年嵌入式軟件和操作系統(tǒng)出現(xiàn)到今天，嵌入式系統(tǒng)一直是不斷變化和發(fā)展行業(yè)，嵌入式技術(shù)也是隨著電子信息技術(shù)發(fā)展變化最快的技術(shù)之一。就目前國內(nèi)高校教學(xué)科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，我建議高校從事嵌入式教學(xué)的老師們應(yīng)該關(guān)注以下三個(gè)方面的問題：
第一.引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于嵌入式專業(yè)興趣。
通過嵌入式系統(tǒng)前沿技術(shù)等講座課程，邀請(qǐng)行業(yè)專家結(jié)合嵌入式新技術(shù)和應(yīng)用熱點(diǎn)，講授嵌入式的關(guān)鍵技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)未來發(fā)展，讓學(xué)生們嵌入式系統(tǒng)有了解有興趣。對(duì)也可參考浙大計(jì)算機(jī)學(xué)院的模式，他們?cè)诖笠恍律挠?jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論的課程引入機(jī)器人，將計(jì)算機(jī)原理和程序設(shè)計(jì)概念用于機(jī)器人設(shè)計(jì)和編程中，使得學(xué)生們有了一個(gè)活生生的嵌入式系統(tǒng)概念，增加了興趣提高了動(dòng)手的能力。
第二.融入新知識(shí)和新方法。
上個(gè)月一位在谷歌總部工作的朋友問我，有那些物聯(lián)網(wǎng)開源硬件平臺(tái)，我和這位朋友以前都有為Montavista工作過 （一家美國著名嵌入式Linux公司），他現(xiàn)在是在谷歌OS部門做研究和開發(fā)工作，他告訴我谷歌也關(guān)注嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)，他們認(rèn)為開源硬件是非常好的平臺(tái)和社區(qū)。浙大年輕教師翁愷博士這次在會(huì)上介紹口袋實(shí)驗(yàn)室。這是一塊帶有Ardunio接口的ARM計(jì)算機(jī)核心板，可選的傳感器外設(shè)，USB和Wi-Fi通信接口，可以放在一個(gè)小盒子里，學(xué)生可以帶回宿舍做各種的實(shí)驗(yàn)和競賽的項(xiàng)目，見圖2。
口袋實(shí)驗(yàn)室比較實(shí)驗(yàn)箱的好處是體積小、功能全和價(jià)格便宜?？诖鼘?shí)驗(yàn)室一般采用開源硬件（翁老師使用的是pcDuino），它有很好開源社區(qū)，許多的問題都可以在社區(qū)交流解決。其實(shí)口袋實(shí)驗(yàn)室這個(gè)概念并不新，2011年我在桂林參加飛思卡爾大學(xué)計(jì)劃年度交流會(huì)的時(shí)候，老師們已經(jīng)在談?wù)摽诖鼘?shí)驗(yàn)室了，2013年11月嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)的“使用ARM Cortex-M MCU拓展傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)”主題討論會(huì)的時(shí)候，清華大學(xué)年輕教師曾明博士介紹他們基于飛思卡爾芯片的口袋實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品。我認(rèn)為基于開源硬件的口袋實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該是未來的方向。
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圖2 開源硬件
第三.理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，課程內(nèi)容上做減法。
現(xiàn)在老師普遍反映專業(yè)課課時(shí)少，學(xué)生進(jìn)入大四學(xué)生要準(zhǔn)備考研，出國，多數(shù)學(xué)生還面臨找工作的壓力。學(xué)生們呢，反映課程多、學(xué)業(yè)重和壓力大。 嵌入式課程是一門理論講授和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程，從某種意義講實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更重要。上海交大方老師在西安嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討介紹他們的“嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)驗(yàn)”理論和實(shí)驗(yàn)的比例已經(jīng)調(diào)整到3:2（以前是3.5:1.5）。
如何在有限的授課時(shí)間中把重點(diǎn)的內(nèi)容講好，讓學(xué)生們學(xué)懂是擺在老師們面前的新課題，方老師的做法是理論與實(shí)驗(yàn)合成一門課，這是一種解決方法。上海同濟(jì)大學(xué)年輕教師周偉在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)的“使用ARM Cortex-M MCU拓展傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)”主題討論會(huì)在談他們的教學(xué)理念的時(shí)候，提出增加實(shí)踐課時(shí)，減少理論課時(shí)；簡化匯編代碼學(xué)習(xí)，重視應(yīng)用能力培養(yǎng)的思路，見圖3。
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圖3 嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)主題討論會(huì)
總之，隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，智能化程度的大幅提高，嵌入式系統(tǒng)的重要性越發(fā)彰顯，應(yīng)用將越來越廣泛和深入。企業(yè)對(duì)嵌入式人才需求旺盛，特別是高級(jí)嵌入式開發(fā)和掌握最新嵌入式技術(shù)的人才。最新一輪智能硬件熱讓互聯(lián)網(wǎng)巨頭進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)，小米路由器和手環(huán)、百度智能眼鏡和筷子、騰訊新推出了的車聯(lián)網(wǎng)硬件路寶，都是創(chuàng)新型嵌入式應(yīng)用。
嵌入式教學(xué)將迎來一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。認(rèn)清問題，找準(zhǔn)方法，從可以改變的小地方入手，堅(jiān)持下來就會(huì)有大的成效。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)包羅萬象的大千世界，從事嵌入式教育的老師們要注意結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和特長，以通俗易懂的方式教學(xué)，讓學(xué)生們?cè)谟邢薜膶W(xué)時(shí)內(nèi)有所收獲，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)將繼續(xù)關(guān)注嵌入式教學(xué)，定期舉辦面向教師們的研討活動(dòng)和交流活動(dòng)，共同促進(jìn)中國嵌入式教學(xué)發(fā)展。
參考資料
［1］ 嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)官方網(wǎng)站www.esbf.org.cn
［2］ https://iot.sjtu.edu.cn
［3］?如果對(duì)西安嵌入式課程教學(xué)創(chuàng)新研討的資料感興趣，可通過微博@何小慶微博來獲取
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！
摘要：任何技術(shù)發(fā)展都會(huì)有屬于自己的成熟曲線，也就是必要要經(jīng)歷初期－發(fā)展－成熟這幾個(gè)階段，這是市場營銷的一個(gè)規(guī)律（稱為S曲線），智能家居作為一個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)也不會(huì)例外……
摘 要：從2008年Android1.0問世到現(xiàn)在短短的6年Android發(fā)展迅速，2013年手機(jī)市場占有率78.6%，正在進(jìn)入各種嵌入式智能設(shè)備領(lǐng) 域 （汽車、家居和穿戴），Android生態(tài)環(huán)境的企業(yè)正在更加廣泛的領(lǐng)域研究和推廣Android的應(yīng)用，隨著Android終端市場占有率的攀升和應(yīng)用 軟件增加，Android應(yīng)用的云和服務(wù)器端開發(fā)和測試需求也日益增大……
系列之三：與Misfit的硬件對(duì)比看小米手環(huán)做減法
摘要：市場對(duì)小米手環(huán)的反應(yīng)基本是兩種；一是做手環(huán)的創(chuàng)業(yè)公司們唉聲一片，79元的價(jià)格讓他們以前賣數(shù)百元的手環(huán)沒法生存了。另外一類是贊揚(yáng)小米手環(huán)是戰(zhàn) 略性的布局、激活市場、占領(lǐng)入口等等。分析之后，對(duì)其簡單實(shí)用的特點(diǎn)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。小米手環(huán)在諸多方面借鑒了Misfit手環(huán)……
摘要：我對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)是來自2010年參加中國物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的感受，之后在接受工控網(wǎng)采訪的時(shí)候我談了兩點(diǎn)：第一，物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。第二，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)才剛剛開始……
