嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)模式的設(shè)計和實施方法的總_百度文庫

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)模式的設(shè)計和實施方法的總結(jié)研究型大學(xué)教師教學(xué)叢書投稿四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院 彭艦，趙輝，張磊，陳良銀所屬類別相關(guān)信息單位：四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院姓名：彭艦，趙輝，張磊，陳良銀聯(lián)系電話：附主要作者簡介：1彭艦：1970年12月生，副教授，博士，現(xiàn)任四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院副院長。2006年主持教育部微軟精品課程“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”的建設(shè)，該課程曾先后被批準(zhǔn)為四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院精品課程和四川大學(xué)精品課程。2007年主持了國家“十一五”規(guī)劃教材“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”的編著工作。2趙輝：1976年12月生，在職博士研究生，講師。曾兩次獲得四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎。2005年

2、獲得四川大學(xué)雙語教學(xué)比賽三等獎。2006年獲得四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)質(zhì)量獎。承擔(dān)了教育部微軟的精品課程和四川大學(xué)精品課程“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”的建設(shè)工作，參與了國家“十一五”規(guī)劃教材“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”的編寫工作。2007年10月2008年9月，在美國匹茲堡大學(xué)做訪問學(xué)者。摘要本文總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的教學(xué)模式的設(shè)計和具體的實施方法，該課程的教學(xué)設(shè)計立足于研究型大學(xué)本科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目的和教學(xué)目標(biāo)。從實施效果來看，該課程提高了嵌入式方向教學(xué)的質(zhì)量，促進(jìn)了教學(xué)和實踐的結(jié)合，實現(xiàn)了嵌入式教學(xué)從封閉到開放、從知識教育的單向灌輸?shù)絾l(fā)式的能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了學(xué)生在嵌入式領(lǐng)域中學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的

3、潛力，培養(yǎng)的學(xué)生具有較好創(chuàng)新意識和實踐能力，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。一、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的簡介嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前景的信息技術(shù)領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器和智能儀器等眾多領(lǐng)域，“嵌入式無處不在”已經(jīng)成為現(xiàn)實。2004年6月，美國電氣及電子工程師學(xué)會計算機(jī)協(xié)會（IEEE-CS ）和美國計算機(jī)學(xué)會（ACM ）公布了“計算教程2004”(Computing Curriculum 2004，簡稱CC2004 。CC2004對原“計算教程CC2001”給出的四個專業(yè)方向進(jìn)行了修改和擴(kuò)充，并給出了新的評述，其中在計算機(jī)工程專業(yè)課程中已

4、將嵌入式系統(tǒng)作為核心課程之一。目前，社會對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才的需求量也在不斷增加，各高校為適應(yīng)社會需求，在計算機(jī)類專業(yè)中陸續(xù)開設(shè)了與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的課程。四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院是率先在國內(nèi)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)院之一。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程是我校四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院本科三年級學(xué)生的一門必修課程。該課程的總課時為48學(xué)時。采用的教材是自己編寫的國家“十一五”規(guī)劃教材嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。該課程是教育部-微軟精品課程，也是四川大學(xué)精品課程。二、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的教學(xué)模式的設(shè)計和實施2.1注重教學(xué)內(nèi)容選擇針對性和合理性嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性很強(qiáng)的課程。從工程的角度分析，它是涉及了機(jī)械、電子、計

5、算機(jī)等多個學(xué)科的系統(tǒng)，單個學(xué)習(xí)者很難掌握當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的全部知識和技能。因此，各個專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)所側(cè)重的內(nèi)容是不同的。比如電子和電氣專業(yè)的嵌入式課程的教學(xué)內(nèi)容更多的側(cè)重于硬件電路設(shè)計。就計算機(jī)專業(yè)的角度分析，嵌入式系統(tǒng)涉及了計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理和接口技術(shù)、實時操作系統(tǒng)和計算機(jī)編程等諸多知識內(nèi)容。而且目前存著多種不同的嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)平臺和開發(fā)工具，如何在諸多的技術(shù)中進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的選擇，是首先需要解決的問題。在傳統(tǒng)的以講概念說原理為主的教學(xué)模式中，學(xué)生越學(xué)越覺得嵌入式技術(shù)高深莫測，必須具有廣泛的專業(yè)知識，特別是需要掌握很多硬件知識才能學(xué)習(xí)。我們在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)內(nèi)

6、容選擇上，經(jīng)過多方面的比較和分析，最終確定了把“ARM 硬件平臺嵌入式Linux 開源操作系統(tǒng)Win CE商業(yè)操作系統(tǒng)”作為系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)的主要內(nèi)容。經(jīng)過實踐，這個內(nèi)容的選擇降低了嵌入式學(xué)習(xí)門檻，大大地消除了學(xué)生對嵌入式的神秘和懼怕心理，使嵌入式技術(shù)被更多學(xué)生所掌握，也保證了硬件和軟件知識的完整性。在教學(xué)內(nèi)容的安排上，考慮本學(xué)院學(xué)生的實際知識背景、市場的具體需求和當(dāng)前嵌入式技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們把“ARM 硬件平臺嵌入式Linux 開源操作系統(tǒng)Win CE商業(yè)操作系統(tǒng)”作為主要的教學(xué)內(nèi)容。選擇ARM 作為硬件平臺是因為目前嵌入式CPU 中的90的產(chǎn)品是以ARM 作為IP 核的，因此它不僅最具有代表

7、性，也最具有實用性。在操作系統(tǒng)方面，嵌入式Linux 和Win CE是當(dāng)前最具有發(fā)展?jié)摿Φ那度胧讲僮飨到y(tǒng)，而且本學(xué)院的學(xué)生已具有了良好的Linux 和Windows 平臺的知識背景，因此選擇它們也符合學(xué)院的具體情況。選擇兩個嵌入式操作系統(tǒng)的好處是可以讓學(xué)生通過比較，更加充分地理解嵌入式系統(tǒng)的開放流程和特點，而且也給學(xué)生提供了更加廣泛的就業(yè)空間。2.2加強(qiáng)實踐訓(xùn)練教學(xué)環(huán)節(jié)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是實踐性很強(qiáng)的課程，需要通過實驗和課后project 訓(xùn)練的形式來加強(qiáng)學(xué)生對理論和原理的理解。因此，必須在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中加大實踐和操作的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)幾乎完全脫離實踐操作，只是在課堂上向?qū)W生講解枯燥的原

8、理和概念，沒有具體的操作和動手實踐。結(jié)果，很多原本簡單的概念都很難被學(xué)生理解，造成了培養(yǎng)出的學(xué)生“會考試，不會做”的尷尬局面，導(dǎo)致學(xué)生參加工作后走重新從頭學(xué)起的彎路。而我們現(xiàn)在開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)充分體現(xiàn)了目前國際上流行的“Learning by doing”的教學(xué)理念。通過學(xué)院投入大量資金購買嵌入式實驗設(shè)備，創(chuàng)建專門的嵌入式課程體系實驗室，給學(xué)生創(chuàng)造出了一流的實驗實施環(huán)境。在系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)上，設(shè)立了獨立的實驗課時，設(shè)置了基本型和開放型的實驗內(nèi)容。實踐證明，學(xué)生通過實驗和課后project 訓(xùn)練實踐，大大提高了其自學(xué)和解決實際問題的能力，顯著提高了嵌入式教學(xué)質(zhì)量。自2005年課程開設(shè)以來，

9、學(xué)院購買了博創(chuàng)公司和創(chuàng)維特公司的嵌入式實驗設(shè)備70套，組建了專門的嵌入式實驗室，并且對學(xué)生全天開放。還組織實驗指導(dǎo)老師和任課教師參加了公司的專業(yè)培訓(xùn)。這些準(zhǔn)備工作為該課程的實驗操作和課后project 訓(xùn)練提供了基礎(chǔ)。本課程設(shè)立了單獨的實驗課程，充分利用嵌入式設(shè)備所提供的實驗輔導(dǎo)資料，要求學(xué)生完成指定的4個實驗內(nèi)容并且提交實驗報告。除了課堂教學(xué)和實驗課程，還布置了4個課后實踐，把學(xué)生的課后動手實踐作為課程教學(xué)的有效補充，這些課后project 訓(xùn)練可以讓學(xué)生利用PC 環(huán)境或者PC 上嵌入式仿真器上獨立完成，如分析ADS 下的Bootloader 程序，嵌入式Linux 內(nèi)核編譯和Windows

10、 CE 操作系統(tǒng)定制等。通過這些實驗環(huán)境和課后project 訓(xùn)練，學(xué)生通過實實在在的動手操作和實踐加深了對課堂教學(xué)所涉及的理論和知識的理解，通過這種“Learning by doing”的教學(xué)方法，大大提高了學(xué)生的嵌入式工程參與能力，避免了脫離實際空談理論的片面教學(xué)。2.3突出開放性的教學(xué)理念嵌入式系統(tǒng)所涉及的知識綜合性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容不可能在有限的學(xué)時中完全覆蓋完，而且嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展迅速，新的CPU 、接口和總線等不斷出現(xiàn)或者升級，新的軟件協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)方法也在不斷地發(fā)展與更新。因此，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上，必須保持開放性的特點。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，理論課的教學(xué)和學(xué)習(xí)活動主要限制在

11、課堂，實驗課則是限制在實驗室并按教師設(shè)定的實驗程序“依樣畫葫蘆”。這種教學(xué)方式限制了學(xué)生的發(fā)散思維，其結(jié)果自然是限制了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)理念中，無論是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、考試題型和內(nèi)容的布置，還是教學(xué)實驗環(huán)節(jié)的開展，我們都采取了一系列的措施來保證其開放性，不斷充實和更新教學(xué)內(nèi)容，以長期保持課程的生命力和發(fā)展活力。在教學(xué)內(nèi)容方面，始終和業(yè)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展前沿和趨勢保持一致，比如Windows CE教學(xué)部分由于得到了微軟亞洲技術(shù)中心的大力支持，可以把微軟的最新技術(shù)和方案融入到教學(xué)當(dāng)中來。另外，教師也把在嵌入式科研項目上的一些知識積累有機(jī)地融入課程當(dāng)中，這些都使教學(xué)內(nèi)容

12、能夠和嵌入式技術(shù)發(fā)展的新方向和新趨勢緊密聯(lián)系， 也長期保持了教學(xué)內(nèi)容的鮮活 生命力和可持續(xù)發(fā)展性。 在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)， 實驗內(nèi)容分成基本實驗類型和自主設(shè)計型， 在完成必須實現(xiàn)的 4 個基 本實驗外，鼓勵有能力、基礎(chǔ)較好的學(xué)生組建興趣小組，充分發(fā)揮實驗設(shè)備所提供的硬件擴(kuò) 展模塊、軟件模塊和源代碼資源，設(shè)計和實現(xiàn)自己感興趣的嵌入式設(shè)備。通過這些環(huán)節(jié)，既 鍛煉了學(xué)生的科研、創(chuàng)新和實踐能力，也可以進(jìn)一步豐富教學(xué)資源，真正體現(xiàn)了教學(xué)相長的 新型教學(xué)理念。 2.4 強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性和研究性的教學(xué)思想 嵌入式系統(tǒng)無處不在， 越來越多的數(shù)碼產(chǎn)品充斥著我們的日常生活， 如手機(jī)、 數(shù)碼相機(jī)、 各式各樣的機(jī)器人、電子交通工

13、具、智能儀器和車載電子系統(tǒng)等等，而且其更新升級的速度 也越來越快。 這些都體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)需要有不斷創(chuàng)新的精神， 并且需要采用 研究性方法來進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。 傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)只是注重于知識的單向傳播， 即老師向?qū)W生灌輸最終的概念、 原理和 結(jié)論，學(xué)生則是被動的接收和被動的記憶。學(xué)生被禁錮在課堂上、實驗指導(dǎo)書上，為 100 分而奮斗。這種教育的本質(zhì)是知識教育，而不是智能教育，這種封閉式的教學(xué)，極大地限制 了學(xué)生的素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在本嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)中，通過課后 project 和 自行創(chuàng)新實驗的設(shè)置，大大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造潛力，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力。而且通過鼓 勵學(xué)生參加各

14、種嵌入式相關(guān)的比賽，也提高了學(xué)生自主創(chuàng)新的積極性和成就感。 為了提高學(xué)生的創(chuàng)新和研究和能力，我們采用了多種教學(xué)方法和實施策略。比如，學(xué)院 接收一定的學(xué)生進(jìn)入教師科研項目；鼓勵學(xué)生參與自主設(shè)計實驗；在教師指導(dǎo)下，自愿參加 學(xué)?；蛘邩I(yè)界的一些公司組織的嵌入式比賽， 如微軟嵌入式大賽、 四川省挑戰(zhàn)杯科技比賽和 博創(chuàng)杯嵌入式比賽。2005 年我院學(xué)生參加微軟組織的全球嵌入式大賽，取得全球 30 強(qiáng)的好 成績，并赴美國參加了全球總決賽。另外，通過課后 project 訓(xùn)練，讓學(xué)生在指定的題目范 圍內(nèi)，利用課后時間，完成包括“需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)發(fā)布” 等一般嵌入式開發(fā)和研究的各個

15、環(huán)節(jié)， 并且提交最終產(chǎn)品報告。 這些也讓學(xué)生通過實踐體會 到了嵌入式開放和科研設(shè)計實施的一般流程，為其今后的工作和科研打下了良好的基礎(chǔ)。 研究性課后 project 訓(xùn)練的設(shè)計、自主嵌入式實驗項目的設(shè)計和嵌入式比賽的參與，充 分發(fā)揮了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力， 有利于學(xué)生的個性和才能的發(fā)展， 同時通過在項目中的實 6 踐， 可以鍛煉學(xué)生的自學(xué)和解決實際問題的能力， 而且通過自由組合進(jìn)行團(tuán)隊軟件項目開發(fā)， 也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。 2.5 采用啟發(fā)式的課堂教學(xué)方法 現(xiàn)代教學(xué)理論的一個重要思想就是改變和轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)陳舊教學(xué)理念下教師和學(xué)生的角色， 讓教師從知識的傳輸者變?yōu)橹笇?dǎo)者， 學(xué)生從知識的被動接受

16、者變?yōu)橹R的主動構(gòu)建者。 傳統(tǒng) 的嵌入式教學(xué)在講解嵌入式的理論和知識的時候， 采用的是結(jié)論灌輸?shù)男问剑?孤立了嵌入式 系統(tǒng)中一些技術(shù)和通用計算機(jī)系統(tǒng)的相似之處。 在本課程教學(xué)當(dāng)中， 在講解嵌入式系統(tǒng)的硬 件平臺和軟件技術(shù)的時候，我們強(qiáng)調(diào)了嵌入式系統(tǒng)和通用計算機(jī)系統(tǒng)的相同和不同的地方， 啟發(fā)式地引導(dǎo)學(xué)生把已有的通用計算機(jī)系統(tǒng)知識和理論， 放到嵌入式的場景當(dāng)中來， 從而可 以更加深刻地體會和理解嵌入式系統(tǒng)中的一些重點理論和特點。 啟發(fā)式的授課方式更能讓學(xué) 生理解嵌入式技術(shù)的發(fā)展過程和形成背景， 這樣比讓學(xué)生單純的死記硬背一些結(jié)論性的概念 更有實際意義。 在課堂教學(xué)當(dāng)中， 我們利用啟發(fā)性教學(xué)， 促進(jìn)

17、學(xué)生把其他相關(guān)課程中所學(xué)習(xí)到的通用計 算機(jī)平臺的知識進(jìn)行轉(zhuǎn)換、進(jìn)而映射到嵌入式平臺下。比如，在講解 ARM 的指令和匯編語 言的時候，如果采用傳統(tǒng)的方法，則是逐一講解其指令系統(tǒng)、尋址方式和匯編偽指令。采用 啟發(fā)式教學(xué)， 在學(xué)生二年級已經(jīng)學(xué)習(xí)的 80x86 匯編語言的基礎(chǔ)之上， 通過啟發(fā)、 對比和完善， 把 ARM 指令和匯編語言的獨特的地方推理出來，然后通過課后 project 訓(xùn)練，讓學(xué)生通過 閱讀和分析程序，快速掌握這部分知識。這樣既可以節(jié)約課堂授課時間，也可以讓學(xué)生更加 深刻的理解到嵌入式平臺和通用平臺 80x86 的區(qū)別所在，從而加深對嵌入式系統(tǒng)特點的理 解。同樣，在講解嵌入式 Lin

18、ux 和 Win CE 平臺的時候，我們也采用了啟發(fā)和對比的方法， 讓學(xué)生把舊的、已有的知識自己構(gòu)造性地轉(zhuǎn)換到嵌入式平臺上來。 三、進(jìn)一步的設(shè)想和展望 鑒于實驗和實踐在本課程的重要性， 所以希望逐步增加實驗課程和課程設(shè)計的學(xué)時， 目 前本課程組已經(jīng)著手實驗教材的編寫工作。 初步考慮設(shè)計一個把全部教學(xué)內(nèi)容貫徹始終的綜 合性教學(xué)實驗，這樣可以在每個章節(jié)講解完成之后，則可以立刻動手實踐，而不是在每一部 分教學(xué)內(nèi)容完成之后再進(jìn)行實驗。 同時，擴(kuò)大自主實驗項目設(shè)計范圍，從教學(xué)和實驗設(shè)計的開始，就鼓勵更多的學(xué)生參加 7 嵌入式設(shè)計的項目和競賽。 除了計算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院以外，校內(nèi)還有電子信息學(xué)院、電氣信息學(xué)院教授嵌入式 系統(tǒng)的相關(guān)課程，由于我校本科實行學(xué)分制，所以我們還將考慮將三個學(xué)院的教學(xué)整合為 一個完整的課程體系，提供從硬件到軟件層次的多種教學(xué)選擇。 本課程目前是教育部微軟的精品課程和四川大學(xué)的精品課程， 我們將首先立足于把精 品課程建設(shè)好。希望通過 3 年左右的進(jìn)