面向新工科的嵌入式系统知识体系创新研究

1 嵌入式系统课程教学的必要性及现状分析

万物互联的智能化时代，嵌入式系统技术的基础性作用更为突出，其应用已经快速延伸到军事国防、工业装备、智能出行、医疗服务等人类社会的方方面面，成为改造传统产业、促进行业新兴发展的重要支撑。随着嵌入式应用与物理世界融合程度的不断深化、智能化水平的不断提升以及新行业需求的不断产生，嵌入式系统技术的发展与应用呈现出更为突出的领域交叉、创新发展等特征。为此，如何培养具有系统的知识体系、深厚的专业基础以及良好创新思维与能力的新工科专业人才成为当下高水平研究型大学人才培养中亟待研究和解决的一个关键问题。

1.1 研究型大学人才培养特点

为了分析研究型大学嵌入式系统人才培养的特点，本文先讨论研究型大学的本质以及研究型大学人才培养的特点。美国最早明确地划分出研究型大学这一类型，并由美国卡耐基大学促进基金会自1974年开始进行分类[1]。研究型大学通常注重教学与研究的统一，致力于培养高层次研究型人才，并开展前沿的科技研发，属于精英教育的序列。因此，研究型大学的判定标准主要包括两个方面；（1）是否培养出高层次的研究型人才。（2）是否产生高水平的学术研究成果并拥有卓越的师资队伍。这不同于教学型大学以及技术型大学，其人才培养也必然具有特殊要求。

首先，研究型大学重视本科生的培养，实施博雅教育（即通识教育、素质教育，Liberal Arts Education）[2]。在高等教育周期中，本科阶段是培养、塑造大学生人格、灵魂和精神的重要时期，决定学生的教育“基因”。为此，研究型大学大都极为重视厚基础的本科生教育，并注重对素质和专业基础的培养。鉴于博雅教育的目标恰是培养具有广博知识、创新精神且富有人文情怀的高素质人才，而并非仅能掌握和运用某些技术的专门人才，其在研究型大学也就受到更多推崇。其次，将科研与教学过程进行多维融合与统一。针对高素质创新型人才培养的目标，研究型大学注重将科学研究的思想、方法、实践、案例等全方位融入本科、硕士、博士课程的教学过程中，以培养学生对问题和知识的辨识能力、思维能力以及批判精神、科学精神与创新精神等，促进学生全面成才。

如上所述，研究型大学人才培养的首要目标是高素质的人、高水平的人才。因此，在培养体系和课程建设中，对综合素质、系统思维和科学思想与方法的培养极为重要。就具体专业课程而言，这就要求避免陷入单一的专业知识讲授或专业技能训练模式，应该侧重专业思想、方法乃至文化的学习。对于工科特性强的嵌入式系统课程，亦是如此，这也是本文开展讨论的初衷与动机。

1.2 嵌入式系统课程教学现状分析

鉴于嵌入式系统技术庞大的知识体系和实践要求，现有的嵌入式系统课程建设更多倾向于课程体系的梳理以及教学模式与教学方法的改进。例如，闵华松等[3]围绕嵌入式系统人才培养，在分析嵌入式系统理论与技术和专业主干学科关系的基础上设计了基于线程学习的培养模式，提出了将嵌入式系统融入基础课程和专业课程学习的基本思路。围绕实践创新人才培养，沈珊瑚等[4]探讨了嵌入式系统课程教学环节的改革，特别是创新答辩、学生观摩分享、翻转教学模式以及口袋实验室等方面的尝试及其效果。基于多年的嵌入式系统教学探索和总结，笔者之前研究并构建了从架构、原理到设计的嵌入式系统多维知识体系结构[5]，并编写了《嵌入式系统体系、原理与设计》专业教材。教学实践表明，这一体系有助于学生构建可以突出嵌入式特色的系统化知识体系与思维方式。总体上，这些探索和研究更侧重于计算机工程与技术，也确实都促进了嵌入式系统课程教学效果的提升。

然而，纯粹的工程教育并不完全符合研究型大学高素质专业人才的培养要求，在很大程度上缺失了从基础理论层面对学生思想思维、创新素质的启发与培养。为此，在嵌入式系统课程的教学改革过程中，笔者进一步从计算机科学、理论的角度对知识体系进行了探索。在自然科学范畴里归纳并建立正确的基础科学理论体系或者用这样的理论体系来指导实践，是跳出万变现象来彻底解决一系列科学、工程问题的根本。如爱因斯坦所言，“数学之所以有高声誉，一个理由就是数学使得自然科学实现定理化，给予自然科学某种程度的可靠性。”嵌入式系统理论体系的建立和学习也是如此，会让具体科学、工程问题的解决更为可靠，也常常可以免去设计过程中经验性、试验性工作所带来的种种困扰。

文章来源：《计算机工程与设计》 网址: http://www.jsjgcysjzz.cn/qikandaodu/2020/0806/357.html