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1、嵌入式系统设计课程教学模式的设计和实施方法的总结 研究型大学教师教学丛书投稿四川大学计算机学院/软件学院彭舰，赵辉，张磊，陈良银所属类别 相关信息单位：四川大学计算机学院/软件学院姓名：彭舰，赵辉，张磊，陈良银联系电话：附主要作者简介：1彭舰：1970年12月生，副教授，博士，现任四川大学计算机学院/软件学院副院长。2006年主持教育部微软精品课程“嵌入式系统设计”的建设，该课程曾先后被批准为四川大学计算机学院精品课程和四川大学精品课程。2007年主持了国家“十一五”规划教材“嵌入式系统设计”的编著工作。2赵辉：1976年12月生，在职博士研究生，讲师。曾两次获得四川省科学技术进步奖。2005
2、年获得四川大学双语教学比赛三等奖。2006年获得四川大学计算机学院/软件学院优秀教学质量奖。承担了教育部微软的精品课程和四川大学精品课程“嵌入式系统设计”的建设工作，参与了国家“十一五”规划教材“嵌入式系统设计”的编写工作。2007年10月2008年9月，在美国匹兹堡大学做访问学者。摘要本文总结了嵌入式系统设计课程的教学模式的设计和具体的实施方法，该课程的教学设计立足于研究型大学本科创新人才的培养目的和教学目标。从实施效果来看，该课程提高了嵌入式方向教学的质量，促进了教学和实践的结合，实现了嵌入式教学从封闭到开放、从知识教育的单向灌输到启发式的能力培养的转变，激发了学生在嵌入式领域中学习和创新
3、的潜力，培养的学生具有较好创新意识和实践能力，达到了预期的目标。一、嵌入式系统设计课程的简介嵌入式系统是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的信息技术领域之一。嵌入式系统已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器和智能仪器等众多领域，“嵌入式无处不在”已经成为现实。2004年6月，美国电气及电子工程师学会计算机协会（IEEE-CS）和美国计算机学会（ACM）公布了“计算教程2004”(Computing Curriculum 2004，简称CC2004)。CC2004对原“计算教程CC2001”给出的四个专业方向进行了修改和扩充，并给出了新的评述，其中在计算机工程专业课程中已将
4、嵌入式系统作为核心课程之一。目前，社会对嵌入式系统技术人才的需求量也在不断增加，各高校为适应社会需求，在计算机类专业中陆续开设了与嵌入式系统相关的课程。四川大学计算机学院/软件学院是率先在国内开设嵌入式系统课程的学院之一。嵌入式系统设计课程是我校四川大学计算机学院/软件学院本科三年级学生的一门必修课程。该课程的总课时为48学时。采用的教材是自己编写的国家“十一五”规划教材嵌入式系统设计。该课程是教育部-微软精品课程，也是四川大学精品课程。二、嵌入式系统设计课程的教学模式的设计和实施2.1注重教学内容选择针对性和合理性嵌入式系统是一门综合性很强的课程。从工程的角度分析，它是涉及了机械、电子、计算
5、机等多个学科的系统，单个学习者很难掌握当前嵌入式系统开发的全部知识和技能。因此，各个专业的嵌入式系统教学所侧重的内容是不同的。比如电子和电气专业的嵌入式课程的教学内容更多的侧重于硬件电路设计。就计算机专业的角度分析，嵌入式系统涉及了计算机体系结构、微机原理和接口技术、实时操作系统和计算机编程等诸多知识内容。而且目前存着多种不同的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统平台和开发工具，如何在诸多的技术中进行教学内容的选择，是首先需要解决的问题。在传统的以讲概念说原理为主的教学模式中，学生越学越觉得嵌入式技术高深莫测，必须具有广泛的专业知识，特别是需要掌握很多硬件知识才能学习。我们在嵌入式系统设计的教学内容
6、选择上，经过多方面的比较和分析，最终确定了把“ARM硬件平台嵌入式Linux开源操作系统Win CE商业操作系统”作为系统设计教学的主要内容。经过实践，这个内容的选择降低了嵌入式学习门槛，大大地消除了学生对嵌入式的神秘和惧怕心理，使嵌入式技术被更多学生所掌握，也保证了硬件和软件知识的完整性。在教学内容的安排上，考虑本学院学生的实际知识背景、市场的具体需求和当前嵌入式技术的发展现状，我们把“ARM硬件平台嵌入式Linux开源操作系统Win CE商业操作系统”作为主要的教学内容。选择ARM作为硬件平台是因为目前嵌入式CPU中的90的产品是以ARM作为IP核的，因此它不仅最具有代表性，也最具有实用性
7、。在操作系统方面，嵌入式Linux和Win CE是当前最具有发展潜力的嵌入式操作系统，而且本学院的学生已具有了良好的Linux和Windows平台的知识背景，因此选择它们也符合学院的具体情况。选择两个嵌入式操作系统的好处是可以让学生通过比较，更加充分地理解嵌入式系统的开放流程和特点，而且也给学生提供了更加广泛的就业空间。2.2加强实践训练教学环节嵌入式系统设计是实践性很强的课程，需要通过实验和课后project训练的形式来加强学生对理论和原理的理解。因此，必须在嵌入式系统的教学中加大实践和操作的环节。传统的嵌入式教学几乎完全脱离实践操作，只是在课堂上向学生讲解枯燥的原理和概念，没有具体的操作和
8、动手实践。结果，很多原本简单的概念都很难被学生理解，造成了培养出的学生“会考试，不会做”的尴尬局面，导致学生参加工作后走重新从头学起的弯路。而我们现在开设的嵌入式系统设计的教学充分体现了目前国际上流行的“Learning by doing”的教学理念。通过学院投入大量资金购买嵌入式实验设备，创建专门的嵌入式课程体系实验室，给学生创造出了一流的实验实施环境。在系统设计教学上，设立了独立的实验课时，设置了基本型和开放型的实验内容。实践证明，学生通过实验和课后project训练实践，大大提高了其自学和解决实际问题的能力，显著提高了嵌入式教学质量。自2005年课程开设以来，学院购买了博创公司和创维特公
9、司的嵌入式实验设备70套，组建了专门的嵌入式实验室，并且对学生全天开放。还组织实验指导老师和任课教师参加了公司的专业培训。这些准备工作为该课程的实验操作和课后project训练提供了基础。本课程设立了单独的实验课程，充分利用嵌入式设备所提供的实验辅导资料，要求学生完成指定的4个实验内容并且提交实验报告。除了课堂教学和实验课程，还布置了4个课后实践，把学生的课后动手实践作为课程教学的有效补充，这些课后project训练可以让学生利用PC环境或者PC上嵌入式仿真器上独立完成，如分析ADS下的Bootloader程序，嵌入式Linux内核编译和Windows CE操作系统定制等。通过这些实验环境和课
10、后project训练，学生通过实实在在的动手操作和实践加深了对课堂教学所涉及的理论和知识的理解，通过这种“Learning by doing”的教学方法，大大提高了学生的嵌入式工程参与能力，避免了脱离实际空谈理论的片面教学。2.3突出开放性的教学理念嵌入式系统所涉及的知识综合性强，教学内容不可能在有限的学时中完全覆盖完，而且嵌入式系统的技术发展迅速，新的CPU、接口和总线等不断出现或者升级，新的软件协议、标准和开发方法也在不断地发展与更新。因此，在教学内容和教学方法上，必须保持开放性的特点。传统的嵌入式系统教学中，理论课的教学和学习活动主要限制在课堂，实验课则是限制在实验室并按教师设定的实验程
11、序“依样画葫芦”。这种教学方式限制了学生的发散思维，其结果自然是限制了学生创新思维和创新能力的培养。在新的嵌入式系统设计的教学理念中，无论是教学内容的设置、考试题型和内容的布置，还是教学实验环节的开展，我们都采取了一系列的措施来保证其开放性，不断充实和更新教学内容，以长期保持课程的生命力和发展活力。在教学内容方面，始终和业内技术的发展前沿和趋势保持一致，比如Windows CE教学部分由于得到了微软亚洲技术中心的大力支持，可以把微软的最新技术和方案融入到教学当中来。另外，教师也把在嵌入式科研项目上的一些知识积累有机地融入课程当中，这些都使教学内容能够和嵌入式技术发展的新方向和新趋势紧密联系，也
12、长期保持了教学内容的鲜活生命力和可持续发展性。在实验教学环节，实验内容分成基本实验类型和自主设计型，在完成必须实现的4个基本实验外，鼓励有能力、基础较好的学生组建兴趣小组，充分发挥实验设备所提供的硬件扩展模块、软件模块和源代码资源，设计和实现自己感兴趣的嵌入式设备。通过这些环节，既锻炼了学生的科研、创新和实践能力，也可以进一步丰富教学资源，真正体现了教学相长的新型教学理念。2.4强调创新性和研究性的教学思想嵌入式系统无处不在，越来越多的数码产品充斥着我们的日常生活，如手机、数码相机、各式各样的机器人、电子交通工具、智能仪器和车载电子系统等等，而且其更新升级的速度也越来越快。这些都体现了嵌入式系
13、统的设计和开发需要有不断创新的精神，并且需要采用研究性方法来进行设计和开发。传统的嵌入式教学只是注重于知识的单向传播，即老师向学生灌输最终的概念、原理和结论，学生则是被动的接收和被动的记忆。学生被禁锢在课堂上、实验指导书上，为100分而奋斗。这种教育的本质是知识教育，而不是智能教育，这种封闭式的教学，极大地限制了学生的素质和创新能力的培养。在本嵌入式系统设计的教学中，通过课后project和自行创新实验的设置，大大地激发了学生的创造潜力，培养了学生的科研能力。而且通过鼓励学生参加各种嵌入式相关的比赛，也提高了学生自主创新的积极性和成就感。为了提高学生的创新和研究和能力，我们采用了多种教学方法和
14、实施策略。比如，学院接收一定的学生进入教师科研项目；鼓励学生参与自主设计实验；在教师指导下，自愿参加学校或者业界的一些公司组织的嵌入式比赛，如微软嵌入式大赛、四川省挑战杯科技比赛和博创杯嵌入式比赛。2005年我院学生参加微软组织的全球嵌入式大赛，取得全球30强的好成绩，并赴美国参加了全球总决赛。另外，通过课后project训练，让学生在指定的题目范围内，利用课后时间，完成包括“需求分析、系统设计、系统实现、系统测试和系统发布”等一般嵌入式开发和研究的各个环节，并且提交最终产品报告。这些也让学生通过实践体会到了嵌入式开放和科研设计实施的一般流程，为其今后的工作和科研打下了良好的基础。研究性课后p
15、roject训练的设计、自主嵌入式实验项目的设计和嵌入式比赛的参与，充分发挥了学生的想象力和创造力，有利于学生的个性和才能的发展，同时通过在项目中的实践，可以锻炼学生的自学和解决实际问题的能力，而且通过自由组合进行团队软件项目开发，也培养了学生的团队合作能力。2.5采用启发式的课堂教学方法现代教学理论的一个重要思想就是改变和转换传统陈旧教学理念下教师和学生的角色，让教师从知识的传输者变为指导者，学生从知识的被动接受者变为知识的主动构建者。传统的嵌入式教学在讲解嵌入式的理论和知识的时候，采用的是结论灌输的形式，孤立了嵌入式系统中一些技术和通用计算机系统的相似之处。在本课程教学当中，在讲解嵌入式系
16、统的硬件平台和软件技术的时候，我们强调了嵌入式系统和通用计算机系统的相同和不同的地方，启发式地引导学生把已有的通用计算机系统知识和理论，放到嵌入式的场景当中来，从而可以更加深刻地体会和理解嵌入式系统中的一些重点理论和特点。启发式的授课方式更能让学生理解嵌入式技术的发展过程和形成背景，这样比让学生单纯的死记硬背一些结论性的概念更有实际意义。在课堂教学当中，我们利用启发性教学，促进学生把其他相关课程中所学习到的通用计算机平台的知识进行转换、进而映射到嵌入式平台下。比如，在讲解ARM的指令和汇编语言的时候，如果采用传统的方法，则是逐一讲解其指令系统、寻址方式和汇编伪指令。采用启发式教学，在学生二年级已经学习的80x86汇编语言的基础之上，通过启发、对比和完善，把
