浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合

浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合（精选3篇）

浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合 篇1

浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合

【摘 要】嵌入式系统的概念源于微型计算机的嵌入式应用。早期的嵌入式系统探索过工控机、单板机、微机单片化的专用计算机的形式，随后走上了独立的发展道路。嵌入式系统不是专用计算机系统。嵌入式系统尚未形成独立的学科体系，它的支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象学科。四个支柱学科形成了平台模式下的交叉与融合。剔除嵌入式系统的“专用计算机”观念，有利于嵌入式系统的健康发展。

【关键词】嵌入式系统;学科体系;平台模式;对象学科

一、嵌入式系统简介

(一)嵌入式系统的产生

嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。直接在嵌入式处理器与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。

(二)专用计算机探索的失败之路

无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。

(三)嵌入式系统的独立发展道路

嵌入式系统的微控制器(MCU)发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。这是一条由IntelMCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。MCS51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器(SFR)的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础;iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。

二、嵌入式系统的四个支柱学科

目前，嵌入式系统尚未形成独立的学科体系。从“嵌入式系统”的诞生、独立的单片机发展道路、微控制器技术发展的内涵、嵌入式系统的多种解决方案来看，“嵌入式系统”是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。

(一)四个支柱学科的关系

嵌入式系统的四个支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。

(二)领衔的微电子学科

微电子学科与半导体集成电路的领衔作用，在于它为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模混合、软/硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成。

(三)为平台服务的计算机学科

现代计算机出现后，在计算机学科中形成了两大学科分支，即通用计算机学科与嵌入式计算机学科。通用计算机学科与嵌入式计算机学科有不同的技术发展方向与技术内涵。由于嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，而嵌入式计算机学科与原有计算机学科内容有较大差异，不能用通用计算机的概念来诠释嵌入式系统，因此、嵌入式计算机要加强与微电子学科、电子学科、对象学科的沟通，共同承担起嵌入式系统新学科的建设任务。在嵌入式系统中，计算机学科要承担起嵌入式系统应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。

(四)广泛服务的电子技术学科

在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。电子技术将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成;为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持;在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。

(五)对象学科的最终出路

对象学科是嵌入式系统的最终用户学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。对于对象学科来说，嵌入式系统只是一个智能化的工具，对象学科要在嵌入式系统上构建本领域的.一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。[论-文-网]

三、平台模式下的学科

(一)平台模式的由来

平台模式是知识经济时代的一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离性规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。只要对比上世纪60年代收音机产业与90年代的VCD/DVD产业，就会发现一体化产业模式与平台产业模式的本质差异。

(二)嵌入式系统的平台模式

按照知识的分离性发展规律，知识创新者不从事知识应用，知识应用者不需要了解创新知识原理;按照集成性发展规律要求，知识创新者应该将创新知识成果集成到工具之中，转化为知识平台，知识应用者应该在知识平台基础上实现创新知识应用。对象学科领域是嵌入式系统的最终用户，对象学科领域的电子技术应用工程师应该在一个现成的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术学科(非对象学科领域中的应用工程师)不是嵌入式系统最终用户，这些学科的重要任务是将创新科技成果转化成形形色色的知识平台。[论*文*网]

(三)平台模式下的学科定位与分工

嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，是一种3+1的定位。即微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用;对象学科一定要在嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不必介入嵌入式系统的平台构建。

嵌入式系统是一个无限大的空间，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间，关键是把握好自己的“定位”与“分工”，了解学科的“交叉”与“融合”。

参考文献

[1]何立民。嵌入式系统的产业模式[J].单片机与嵌入式系统应用，,(1)。

[2]何立民。从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J].单片机与嵌入式系统应用，,(1)。

[3]何立民。以SoC为中心的多学科融合与渗透[J].单片机与嵌入式系统应用，,(5)。

浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合 篇2

关键词：翻转课堂,学科交叉,创客教育,融合发展

● 学科交叉的内涵与意义

在学科边界日渐模糊、融合发展的今天, 学科交叉点往往就是科学新的生长点[1], 不同性质、不同类型、不同层次的学科通过相互影响, 协同发展, 融合地去解决各种复杂多变的应用型问题, 从而创造出更丰富的“超学科”知识。新知识的产生已从以学科为基础的单一知识生产模式向以问题为导向的应用模式扩散, 它会在具体的应用情境中, 突破学科边界, 通过多学科的融合而产生。以问题为驱动的学科交叉不仅能够帮助学生解决各种应用问题, 还能够更好地培育学生的学习探究能力。

● 翻转课堂概述及优势

翻转课堂 (FlippedClassroom或InvertedClassroom) 是一种混合使用技术和亲自动手的教学环境。在翻转课堂中, 典型的课堂讲解时间由实验和课内讨论等活动代替, 而课堂讲解则以视频等其他媒介形式由学生在课外活动时间完成。[2]翻转课堂在内容上实现了“既定”目标与“将成”目标的有机结合[3], 为培育学生的创新能力提供了肥沃的知识土壤;在形式上实现了把学生作为教学主体的“由教向学”的转变, 为学生进行基于问题、基于资源的自主学习与协作探究提供了适宜的气候环境。

● 创客教育的内涵与价值

笔者认为创客教育是一种旨在培养各类创新型人才的新的教育模式。它秉承“做中学”的教育理念, 强调“基于创造的学习”[4], 以现代信息技术的融合为基础[5], 让学习者融入为解决各类应用问题而创设的情境, 并在“基于问题”构建的大课程的引导下, 进行探究实践, 从而使学习者在探究的过程中获得知识整合的能力、解决问题的能力、发散思维的能力以及协作创新的能力。

创客教育能极大地推动学校创新教育的发展, 是落实创新教育的具体抓手和有效途径。它提倡的“做中学”让学生回归教学活动的主体, “情境教学”要求学生在情境中检索、整合旧知识;它提倡在设计中学习、探究新知识, 并基于学习过程建立解决问题的逻辑关系和知识网络。

● 融合发展的基础与方向

1.翻转课堂积累的课程“短”资源为学科交叉提供了灵活的课程组织平台

研究表明, 学科交叉常用的有两种方式:一种是围绕课程目标重新整合课程内容, 开设跨学科“综合课程”, 如美国在大学及K12阶段设置的STEAM交叉课程;另一种是在课程体系的基础课和专业课中设置“模块课程”, 即通过“课程包”实现学科交叉的探究学习。[6]“课程包”是一个由核心问题贯穿为整体的不同知识模块, 分别由研究各科知识且有教学能力的教师共同授课。[7]

翻转课堂强调通过电子课件、视频等“富媒体”教学资源, 在课下获取、习得知识, 在课上消化、应用知识。它打破了传统课时限制, 将一课时的学习内容进一步细分为若干个知识点, 实现了按需灵活组织教学活动。而这种粒度化的知识点“短”资源为构建基于“课程包”的学科交叉提供了丰富的课程材料。

2.学科交叉形成的课程“重构”为创客教育提供了强有力的课程保障

创客教育融合了各种现代信息技术, 跨越了离散的学科结构, 通过各种易操控的软、硬件资源, 丰富、灵动地呈现机械、刻板的知识, 进而激发学习者对获取知识的热切渴望。而任何好的创意都不会局限于某一学科, 它一定是在科学思维与艺术思维的协同工作下, 通过综合各类学科知识而产生的, 这一点与基于学科交叉的课程改革不谋而合。基于“课程包”构建的教学内容会涉及不同性质、不同类型、不同层次的多学科知识, 而这些知识又会围绕同一主题, 以问题为驱动, 进行有机地组织与融合。因此, 学科交叉形成的课程“重构”能为创客教育提供良好的知识储备。

3.创客教育为学科交叉提供了新的研究方向及课程改革基础

“创客”源于英语“maker”, 可译为“制造者”。创客不以盈利为目的, 只为让想象落地, 通过利用各种开源的软、硬件技术, 将脑海中的创意变为现实, 在手中“制造知识”。创客教育是让学生在自己的创意中实现学科知识与现实应用对接, 在具体情境中完成获取、习得、设计并制造的过程。由于创客教育中的知识是以解决应用问题而聚合的, 所以它必将是多学科的交叉融合, 这就为基于“课程综合化”的课程改革提供了很好的研究方向, 通过知识与应用的对接, 在“物”化的过程中, 实现均衡的课程结构。

基于“课程综合化”的课程改革可以借鉴创客教育的“问题”应用思维, 以“问题”为导向设计课程, 改变过于强调学科本位的课程结构, 通过设置多学科融合的综合实践类课程来实现课程体系整体性与灵活性的有机结合。

总之, 翻转课堂与学科交叉在创客教育下的融合发展是要突出翻转课堂的灵活性, 把握基于“课程综合化”的课程改革的方向性, 在创客教育、创新观念的引领下, 实现我国青少年在创新精神、创新能力和创新人格教育方面的综合发展。

参考文献

[1]路甬祥.学科交叉与交叉学科的意义[J].中国科学院院刊, 2005 (01) .

[2]Gerald C.Gannod, Janet E.Burge, Michael T.Helmick.Using the Inverted Classroom to Teach Software Engineering[J].International Conference on Software Engineering, 2008:777-786.

[3]何克抗.从翻转课堂的本质看翻转课堂在我国的未来发展[J].电化教育研究, 2014 (7) :5-16.

[4]郑燕林, 李卢一.技术支持的基于创造的学习——美国中小学创客教育的内涵、特征与实施路径[J].开放教育研究, 2014 (6) :42-49.

[5]祝智庭, 孙妍妍.创客教育:信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育, 2015 (1) :14-21.

[6]吴向明, 等.跨学科复合型人才培养模式的比较及其启示[J].浙江工业大学学报 (哲社版) , 2008 (12) .

浅析嵌入式系统支柱学科的交叉与融合 篇3

关键词：嵌入式系统；学科体系；平台模式；对象学科

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）05-0159-01

一、嵌入式系统简介

（一）嵌入式系统的产生。嵌入式系统诞生于微型计算机时代，并且嵌入式系统出现后对一些专用计算机进行了短暂性的探索，便进入到嵌入式系统独立的微型控制器发展时代，即微型控制器的智能化电子系统直接在嵌入式处理器与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机。其与专用的微型计算机不同，其属于嵌入式处理器而非通用微型处理器。

（二）专用计算机探索的失败之路。嵌入式系统应用中，其需要具备体积小，性价比高，可靠性高的要求，但无论是在工控机，还是单板机上面进行探索，都无法满足这一要求。后来，人们就直接将原有的微型计算机体系机构进行了简化设计，将嵌入式系统集成在一个半导体芯片中，形成了单片机的“雏形”。Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机满足嵌入式系统小体积、低价位、高可靠性以及对象可控性方向的改进要求。

（三）嵌入式系统的独立发展道路。嵌入式系统的为控制器（MCU）的发展之路，是基于ntelMCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机的独立发展之路，MC551是一个原创式嵌入式处理器，在微电子学、集成电路的基础上，按照嵌入式系统应用要求，原创式嵌入式处理器。MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。

二、嵌入式系统的四个支柱学科

目前，嵌入式系统还没有发展成为独立的学科体系。从上文对于嵌入式系统发展背景及过程的研究阐述来看，“嵌入式系统”是包括电子学科、微电子学科、电子技术学科、对象学科等四个支柱学科的交叉与融合，是在这个基础上构造了平台的模式，实现各学科的不同定位与分工，进而满足于应用需求的。

（一）四个支柱学科的关系。嵌入式系统的四个支柱学科主要包括微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科等。其中计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证，微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科。

（二）领衔的微电子学科。微电子学科与半导体集成电路为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础，所以微电子学科具有领衔作用。集成电路中会集中体现电子技术学科、计算机学科的重要研究成果，如早期的数字电路进程，到现代的模混合、软/硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成。

（三）为平台服务的计算机学科。现代计算机出现后，计算机学科被分成了两个学科分支，包括通用计算机学科和嵌入式计算机学科。通用计算机学科和嵌入式计算机学科的技术发展方向和技术内涵是不同的。嵌入式计算机学科与原有计算机学科在内容上存在较大的差异，其与嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，因此不能用通用计算机的概念来解释嵌入式系统。为承担嵌入式系统新学科的建设任务，嵌入式计算机与微电子学科、电子学科、对象学科联系紧密。从而能够实现对嵌入式系统集成开发环境构建、对嵌入式系统进行人为编程、程序设计等任务需求。

（四）广泛服务的电子技术学科。在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最为广泛的技术服务，电子技术将微电子领域的集成电路设计，从原有的电路集成、功能集成、技术集成拓展到了知识集成；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；在对象学科中，广大应用工程师在嵌入式软硬件平台上能够实现最为广泛的应用。

（五）对象学科的最终出路。对象学科是嵌入式系统的终端用户学科。对象学科对嵌入式系统的应用领域进行有效的拓宽，它基本囊括了所有的科技领域。相对于对象学科来说，嵌入式系统相当于智能化工具，对象学科的能够实现在嵌入式系统上构建出本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。另外，在应用过程，会不断的给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，从而能有目的的对嵌入式系统平台进行技术水平的提升。

三、平台模式下的学科

（一）平台模式的由来。在知识经济时代，平台模式是一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。对于一体化产业模式与平台差异模式本质差异性的体现，可以对上世纪60年代的收音机产业和90年代的VCD/DVD产业进行对比。

（二）嵌入式系统的平台模式。依据知识的分离性发展规律，知识应用者不需要对创新知识进行了解，知识创新者也不需要涉及知识应用领域；但按照知识集成性发展规律的要求，知识创新者需要将需要将创新知识成果集成到工具之中，打造知识平台，而知识应用者在知识创新者所集成的知识平台上，要实现对创新知识的应用；而对象学科所对应的是用户，所以该领域的电子技术应用工程师需要在现有的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术學科（非对象学科领域中的应用工程师），不是嵌入式系统的终端用户，这些学科的目的是将一些创新科技成果转化成为形形色色的知识平台。

（三）平台模式下的学科定位与分工。嵌入式系统中四个支柱学科的定位，所指的不尽己所能是学科知识结构的定位，还包括知识平台模式中的定位，其定位类似于“3+1”模式，即微电子学科、计算机学科、电子技术学科作为嵌入式应用，构建与各类不同的应用平台上，不介入嵌入式系统的具体应用；对象学科，却必须要介入于嵌入式系统应用平台基础，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不介入嵌入式系统的平台构建。

参考文献：

[1]何立民.嵌入式系统的产业模式[J].单片机与嵌入式系统应用，2006，（1）。