吴滨

摘要：基于微电子科学与工程专业特点以及嵌入式系统应用设计技术发展现状，针对传统嵌入式系统设计课程与微电子专业结合不紧密的问题;结合工程认证的要求，以及课程思政教育的要求，提出了新的教学内容安排和教学改革方案。实施课程教学改革三年来，学生普遍反映良好，认为嵌入式设计不再是一门简单的应用课程，而是整个集成电路设计体系的一个重要环节。

关键词：嵌入式系统设计、工程教育认证、现场可编程门阵列、微电子专业、硬件描述语言

中图分类号：G642  文献标识码：A

1 引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证的核心是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准，是以培养目标和毕业生要求为导向的合格性评价[1]。另一方面，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教学全过程，实现全方位育人，开创高等教育事业发展新局面[2]。微电子专业的培养方案中也体现了工程教育专业认证和思政教育的要求。在专业培养方案的基础上，结合微电子专业的特色，对嵌入式設计课程的教学内容和教学方式进行了改革尝试。经过三年的探索，获得了学生的认可，取得了一些成果;也有一些不足之处有待完善。

2 传统嵌入式设计课程内容

传统的嵌入式设计课程以单片机、ARM的应用系统设计为主要内容，包括单片机工作原理和最小系统电路设计，使用汇编和C语言的单片机应用程序开发。ARM体系结构与内核的介绍，ARM和Thumb指令集的介绍;针对某一款ARM芯片的嵌入式应用系统硬件电路设计，包括各种接口电路的介绍。最后会介绍嵌入式操作系统，包括典型的实时操作系统μC/OS和常用的嵌入式Linux操作系统;以及利用C语言在嵌入式操作系统上进行应用软件的开发。也有介绍DSP芯片的工作原理和应用的，以及讲授嵌入式操作系统时介绍Android系统的，但都不多，不能算是嵌入式设计课程的主流。

从我以往收集、使用的教材能很清晰地反应上述情况。2009年出版的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《嵌入式系统技术》，该书从众多嵌入式微处理器中总结其设计共性、特点，依次介绍单片机开发系统、嵌入式实时操作系统、嵌入式系统专用术语和应注意的问题、嵌入式微处理器编程语言、先进8位单片机、16位单片机、32位ARM处理器[3]。2015年普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材《嵌入式系统》，该书介绍了嵌入式系统和ARM的基础知识、嵌入式汇编和C语言、嵌入式Linux操作系统、嵌入式硬件与固件的设计、开发步骤和案例，以及嵌入式系统的应用等[4]。第三本书是普通高等教育“十三五”规划教材，该书的主要内容包括ARM Cortex-M0处理器内核体系结构与特性，以NXP公司的LPC1100系列ARM芯片为例，介绍了其工作原理和使用方法，最后介绍了基于CMSIS接口标准的嵌入式软件设计[5]。

传统的嵌入式教材和嵌入式系统设计课程内容是相匹配的。我们选择的也都是国家五年计划规划教材，具有一定的代表性，教材内容也确实能够满足大多数高等院校专业课程体系的要求。可以认为这样的教材和课程内容设计体现了当时的技术发展现状，满足了市场对高校毕业生嵌入式应用技术掌握程度的需求。但是在我校微电子专业培养体系内，尤其是随着技术的发展，传统的嵌入式设计课程教学内容就略显不足了。

3 微电子专业嵌入式设计教学改革

3.1 改革思路

我校微电子科学与工程专业目前的培养方案中，第一学期讲授“程序设计基础C”，第三学期讲授“电路理论”，第四学期讲授“模拟电子技术”和“数字电子技术”。第五学期讲授“嵌入式设计”，后续第六学期开设“数字集成电路设计”。这样课程体系对于微电子专业来说也算合理。但是对于嵌入式设计课程来说需要考虑扬弃传统嵌入式设计内容及增加与微电子专业相关的内容。

在做本次课程教学改革设计之前，我们学习了微电子专业工程教育认证体系的要求。希望体现出以学生为中心、以产出为导向、持续改进、对教学效果进行评估和评价的工程教育认证的主旨[6]。根据专业的统一规划及课程本身内容，嵌入式设计课程支撑毕业要求指标点3个，分别是3-1掌握微电子领域相关工程的设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素;4-3能够根据实验方案构建实验系统，操作实验装置，安全地开展实验，正确地采集和记录数据;5-1了解专业常用的电子仪器仪表、信息技术工具、微电子专业工程工具和专业模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性。同时考虑课程思政要求，在组织课程内容的过程中，积极寻找思政融合点，备课和讲授过程中注意相关教学案例的收集和讲解。引导学生全面客观认识当代中国、看待外国的科技文化;理解科学中的人文和伦理元素。激励学生自觉把个人的追求融入到民族的振兴和发展中去。

3.2 课程内容安排

嵌入式设计课程共64个课时，其中实验课时24个，理论课时40个。教学内容中，除了传统的单片机和ARM两种处理器外，为了使其更适应微电子专业，本次课程改革增加了以现场可编程门阵列（英文缩写为FPGA）作为核心处理器的嵌入式系统介绍。理由如下：首先，随着现代大规模可编程逻辑器件的发展，FPGA确实可以作为一种强大的核心处理器进行应用，尤其在图像处理等需要大量高速计算的场合。Xilinx公司就设计了一款Zynq系列芯片，使用该公司提供的Vivado软件编写硬件描述语言程序，进行嵌入式应用系统开发。其次，对于微电子专业而言，集成电路设计的硬件验证环节也是用FPGA进行验证的。第三，用于FPGA编程的硬件描述语言VHDL，同样可以用于专用集成电路的系统级设计。因此对于微电子专业的学生而言，将FPGA归入嵌入式设计课程是一举三得。体现了以学生为中心，以产出为导向的原则，增强了学生的实际工程能力。

为了应用FPGA进行嵌入式系统设计开发，我们首先讲授了FPGA的工作原理和硬件结构，介绍了FPGA的电路结构和主要功能;随后，讲授了硬件描述语言VHDL以及Quartus II软件。VHDL是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的英文缩写，这门硬件描述语言是现代集成电路设计的两种主流语言之一。这部分内容占了16个理论课时，因为对于当代的大规模数字电路芯片而言，已经无法使用传统的电路设计方法进行设计了。需要采用自顶向下的方式从系统级开始设计芯片，而硬件描述语言则是系统级设计的主要工具。后续课程“数字集成电路”中设计大规模数字集成电路就需要用到VHDL语言。

由于微电子专业的培养方案中，并没有“计算机组成原理”、“操作系统”等先修课程。对传统的嵌入式系统设计方面预备知识支撑较弱，因此课改减少了传统的汇编程序、嵌入式C语言开发以及嵌入式操作系统的课时。仅做了入门式的介绍，侧重于让学生了解基本概念、学习方法和信息来源。

3.3 支撑工程教育专业认证

工程教育专业认证的核心理念是以学生为中心、结果导向、持续改进。宏观来说评估是在院校在专业层次实施，微观则是相关要求在专业课程层面实施[1]。2016年6月我国加入华盛顿协议，提高了我国工程教育的国际影响力。专业认证注重“学”而不是“教”，基于OBE（成果导向教育）[7]。本课程通过课程目标、教学内容、实验环节和考核方法支撑了微电子专业学生毕业要求3-1、4-3、5-1。

课程教学内容中我们介绍了單片机、ARM和FPGA嵌入式应用系统硬件设计和软件设计流程。帮助学生掌握嵌入式系统工程设计，以及产品开发全周期、全流程的基本设计方法，了解影响设计目标和技术方案的各种因素。

通过教学内容中对C语言的介绍和硬件描述语言VHDL的详细讲授;实验环节的流水灯实验，地铁自动售票机控制器和交通信号等控制器设计等实验。帮助学生提高根据实验要求，设计系统开发实验方案，操作FPGA仿真实验系统，进行实验，正确采集记录实验数据，并对数据进行分析的能力。

毕业要求5-1的支撑是通过课程内容的Quartus II软件的介绍和实验环节中Quartus II软件的使用及八进制计数器的设计为基础获取的。使得学生能够了解微电子专业工程工具和专业模拟软件的使用原理和方法。并且通过对比软件仿真结果和试验箱实际运行结果，理解仿真模拟软件的局限性。很明显的例子就是计数器脉冲输入在软件仿真中非常容易获得，计数器的仿真结果良好，显示计数器电路可以稳定工作。但是在实验箱上同学们就会发现有时计数会多于按下的脉冲键次数，原因在于输入实际信号有抖动。

以上是我们从微观的课程层面对专业工程教育认证所做的课程改革。核心是在教学思想上的转变，从根据教师掌握的理论、技术设计大纲，然后根据大纲教学;转变为根据学生毕业后的培养目标是否达成为依据进行教学设计。课程内容的安排考虑了对上述毕业要求指标点的支撑。

3.4 课程思政结合点

嵌入式系统伴随着电子技术、集成电路和软件等行业的进步而发展，时至今日，嵌入式系统产品已经渗入到社会的各个角落。既是工业生产不可缺少的工具，也是人们日常生活的得力助手。嵌入式系统相关知识点众多，又是一类实践性很强的综合性课程[8]。可以从理论知识的讲授中发掘思政融合点，也可以在实践项目中挖掘思政融合点。

随着科技的发展，工程技术的运用已经与社会的正常运行密切相关了。比如2018年底的基因编辑婴儿案件，甚至影响到了人类社会的基本伦理。在伦理问题上陷入困境的工程实践者多数是因为他们没有意识到自己所面临的是一个具有伦理性质的问题[9]。另一方面，由于工程伦理是对工程活动的普遍约束，是高度概括和抽象的，不同的组织机构对工程伦理的准则定义不尽相同[10]。我们选择了奉献、环境保护作为嵌入式设计课程的两个思政融合点。

在学习μC/OS实时嵌入式操作系统时，将奉献精神嵌入课程内容的介绍中。μC/OS在1992年由美国的嵌入式系统专家Jean J.Labrosse完成，他并没有将其作为自己赚钱的工具，而是选择开源。发布在网络BBS上，供大家修改使用。正是这种奉献精神，吸引了一批工程师，不断完善μC/OS;在大家的共同努力下，才有了现在这样一个享誉世界，广泛使用的嵌入式实时操作系统。在嵌入式系统设计理论中，有许多场合都要考虑资源和功能的匹配问题。一般的工程设计人员会追求降低风险，选择资源丰富的芯片。我们在讲授中介绍逻辑化简，并鼓励学生站在环境保护的角度看待电路的简化问题。一颗48脚的芯片和一颗64脚的芯片，相差16根金属引线。学生们很少有人关注这些细微之处，当我告诉他们这个引脚的材质、工艺的发展历史时，学生普遍表示惊讶。保护环境的工程伦理在这里就顺理成章地进入了学生们的意识中。

对于嵌入式设计这样一门实践性强的课程来说，实践环节是另一个思政融入的重要阵地。嵌入式系统深入社会的各个角落，产品的成功失败案例太多了。包括英特尔这样的大公司，在ARM芯片上可谓尽心尽力，可最终都是为他人做了嫁衣裳。通过这样的案例介绍，能够帮助学生换一个角度思考困境。明白国外的顶级企业也会有困境，国内行业暂时的困境并不可怕;重要的是不放弃，踏实努力，个人的追求民族的振兴终将实现。其次嵌入式设计大多分为硬件和软件两部分。我们鼓励学生组队完成嵌入式设计实践环节，并且合作完成的作品可以有加分，以此培养学生的团队精神。

4 结语

通过本次教改，我们取得了一些成果，比如完善了学生在微电子专业领域嵌入式设计的知识结构。提升了学生集成电路设计的硬件验证能力。完成了专业工程认证的目标，融入了思政教育内容。但是还没有完全做到以学生为中心、以产出为导向;是将课程内容纳入毕业要求，OBE的计算方式方法不够清晰。未来希望是在毕业要求的指导下设计课程内容，各项考核内容严格遵循OBE的方法，考核结构能够指导课程教学持续改进。发掘更多的思政融合点，真正做到春风化雨，润物无声。

参考文献：

[1]郭哲，王玉佳，王孙禺.聚焦专业认证改革 提升工程人才培养质量——“评估认证与中国高等工程教育质量保障座谈会”综述[J/OL].高等工程教育研究，2021（6）：196-198

[2]王玺，于红旗，谭芳，刁节涛，李楠，刘森.嵌入式电子系统设计课程思政的实践和探索[J].教育教学论坛，2020（11）：46-47

[3]张培仁，潘可，赵松.嵌入式系统技术[M].中国科学技术大学出版社，2009

[4]张军朝.嵌入式系统[M].机械工业出版社，2015

[5]张永辉.嵌入式系统设计[M].机械工业出版社，2019

[6]林健.工程教育认证与工程教育改革和发展[J].高等教育研究，2015（2）：10-19

[7]林粤伟，张涛.面向专业认证的嵌入式程序设计类实验实训课程教学改革[J].高计算机教育，2020（7）：175-179

[8]陈安，刘乙奇，陈英杰，高红霞.自动化专业嵌入式系统设计开发课程改革探索[J].创新创业理论研究与实践，2021（12）：58-60

[9]高建华.工程伦理维度下建筑类高校思政课教学的探索与实践[J].高教学刊，2020（17）：154-156+161

[10]曹珂.嵌入式系统设计课程中工程的伦理元素解析[J].电子技术，2020（3）：60-61