嵌入式系統課程教學方法探索

　　摘要：嵌入式計算技術飛速發展，嵌入式系統已成為計算機應用的一個重要方向，“嵌入式系統”課程也成為計算機專業的一門重要課程。為了更好地適應新時代的變革，滿足卓越工程師培養的需要，文章重點闡述“嵌入式系統”課程教學方法改革，以多年來從事“嵌入式系統”課程教學體會，與同行廣泛交流，共享經驗、共同促進、共同提高。
　　關鍵詞：嵌入式系統；案例教學；啟發教學；層次教學；多元化考核
　　
　　作者簡介：王蘇峰，男，副教授，研究方向為嵌入式計算。
　　
　　“嵌入式系統”課程是我院計算機專業學生的一門專業必修課程，它著重培養學生對嵌入式系統設計方法的理解，使學生具備簡單嵌入式系統的設計和綜合應用能力，是培養卓越工程師的核心課程。多年來，在院系室三級組織的高度重視和大力支持下，在課程組老師堅持不懈努力下，本課程日趨成熟，形成了一個教學內容豐富、教學方法合理、實驗內容和實驗體系逐步完善的教學環境。同時，課程組老師同步完成了《嵌入式系統原理與設計》教材的撰寫工作，該教材于2007年11月在高等教育出版社正式出版，并列入國家“十一五”規劃教材。
　　2008年以來，課程組老師進一步完善教學大綱、課程標準、實驗大綱和實驗指導書，添置了更多實驗設備，建立了更好的實驗環境。在上級組織的關懷下，課程組師資力量也明顯加強，形成了職稱、學歷、年齡、學緣結構科學合理的教師梯隊。授課之余，課程組老師經常進行教學研討，不斷進行教學方法和教學手段改革，采用理論教學、實驗教學、課程設計、創新實踐、科研和教學結合、設計競賽等相結合的立體化教學模式，教學手段全面現代化，強化多媒體教學和網絡教學手段，逐步提升教學效果。經過多年的教學改革與實踐探索，“嵌入式系統”課程日臻完善，并取得了一定的成績。2009年，“嵌入式系統”被評為“教育部-英特爾精品課程”，2010年，“嵌入式系統”被評為國家精品課程。
　　為了更好地建設好“嵌入式系統”國家精品課
　　
　　程[1]，滿足卓越工程師培養的迫切需要，課程組老師不斷探索，進行教學方法改革。
　　1以科研促教學，相輔相成
　　在眾多973項目、863項目、國家自然科學基金項目以及其他科研項目的強力支持下，課程組老師通過不斷積累，具有了深厚的科研工作基礎和豐富的工程實踐經驗，也吸取了豐富的營養元素，開闊了視野，為教學工作進一步提升打下了堅實基礎。反過來，科研支持的教學又為科學研究提供了大量的新鮮血液，夯實了科研工作的基礎平臺。教學服務科研、科研反哺教學，課程組老師受益匪淺，做到了教研相長、相輔相成。
　　由于有眾多科研項目作為后盾，在教學活動中，課程組老師選擇了一些典型的來源于科研項目的案例，并按照項目推進過程傳授給學生。例如，通過詳細剖析GPS導航系統的來龍去脈[4]，來解釋嵌入式系統的設計方法以及設計過程，讓學生體會方案設計的重要性；通過數字中短波收音機[7]以及雷達自動伺服系統來解釋嵌入式處理器、嵌入式操作系統的選擇以及設計過程；通過對“騰越-I”嵌入式處理器的講解，讓學生對嵌入式處理器與通用處理器的異同有了更深入的理解。在案例的教學過程中，課程組老師根據自己科研工作的體會，要求學生要特別重視項目設計的基本思路、項目設計的全過程、面臨的問題以及解決問題辦法，等等。
　　
　　圖1是實際案例數字中短波收音機的信道解調模塊的功能框圖。在課程講授中，通過對數字中短波收音機的信道解調模塊的深入分析，可以讓學生深刻地領會一個復雜的嵌入式系統的分析、設計及測試的全過程。通過實例也很容易使學生明白嵌入式處理器、嵌入式操作系統、存儲器以及I/O接口選擇中受制的因素，避免了在傳統教學中，老師只能講授選擇的原則，學生聽完后還是一頭霧水，不明所以。
　　實時性對各類嵌入式系統的作用不言而喻，但實時性分析始終是學生學習中難以逾越的鴻溝。為了讓學生充分理解嵌入式系統的實時性，通過實際案例講授，可以在系統分析階段，通過算法來估算每一個模塊的計算量，作簡略實時性分析；在系統測試階段，通過大量的測試獲取實際運行數據，并以圖表形式分析實際系統實時性，這些分析工作可以明顯提高學生對嵌入式系統實時性分析的理解。如圖2所示(圖2中左圖為系統總實時性測試，右圖為其中一個模塊實時性測試)。
　　
　　圖1數字中短波收音機信道解調模塊
　　
　　圖2實時性測試
　　
　　2以學生為主體，循循善誘
　　研討式教學突出了學生在學習過程中的主體地位，能夠充分調動學生的學習積極性、主動性和創造性，有利于培養學生的綜合能力，提高學生的綜合素質。為了發揮研討式教學的優勢，課程組老師在授課過程中，有意針對典型問題展開課堂討論，鼓勵學術爭鳴，誘導學生循序漸進以及互相評價，以提高學生思考問題的積極性。如圖3所示。
　　
　　圖3研討式教學
　　以嵌入式系統實時性分析為例[4]：針對5種典型實時編程結構[5]的實時性、優缺點以及應用領域展開討論(這些內容在前導課程已經接觸過，比較容易引起共鳴)。以系統實時性分析為主線，按照技術發展的來龍去脈，首先針對基于查詢方式的實時編程結構展開討論，以學生為主體來討論實時性、優缺點以及應用領域；針對前一種實時編程的問題(對事件響應不能實時，容易丟棄異步事件，所有任務具有相同優先級別等[5])適時引入基于中斷方式的實時編程結構，讓學生分析它解決了什么問題(具有什么優點以及應用領域)，又引入了什么新問題(容易漏掉低優先級的異步事件、容易導致棧溢出致使堆棧不可預測、調用不可重入型函數時要滿足互斥條件等[5])；針對新問題接著引入基于前后臺系統的實時編程結構，讓學生分析它解決了什么問題(具有什么優點以及應用領域)，又引入了什么新問題(任務實時性、可靠性難以滿足要求[5])；針對新問題接著引入基于非搶占式實時操作系統的實時編程結構，讓學生分析它解決了什么問題(具有什么優點以及應用領域)，又引入了什么新問題(如果最長任務的執行時間不能確定，系統的任務響應時間就不能確定[5])；針對新問題接著引入基于搶占式實時操作系統的實時編程結構，讓學生分析它解決了什么問題(具有什么優點以及應用領域)，又引入了什么新問題(優先級倒置、調用不可重入型函數時要滿足互斥條件[5])。
　　
　　啟發式課堂討論形式可以有效提高學生參與課堂教學活動的積極性，提高學生分析問題、解決問題的能力，讓學生再一次印證“發現問題、分析問題、解決問題”的重要性。
　　3分層次教學，滾動推進
　　本課程的培養方案積極貫徹了學院倡導的系列課程建設思路——本碩打通、通盤考慮、剔除冗余、精益求精，所以，我們在課程教學內容上進行了分級教學，設置了高低兩個層次內容：基礎部分和高級部分。學生可根據自己的基礎、能力、研究方向以及興趣愛好選擇不同層次的教學內容以及配套實驗內容，以體現教學的層次性，并滿足各類人員的需求。
　　在2009培養方案中，我們新增加了選修課程“高性能嵌入式計算”[6]，滿足相控陣雷達、合成孔徑雷達、天基紅外預警、深空探測等對計算能力有較高需求的嵌入式計算領域。本課程主要面向專業領域問題，完成從問題空間到算法空間再到實現空間的映射，而且重點是在體積、重量、功耗的嚴格約束下，依托于ASIC(專用集成電路)、FPGA(可編程門陣列)、DSP(數字信號處理器)、其他COTS(商用處理器)以及并行計算技術，如何構建一個高性能嵌入式計算系統。如圖4所示[7-8]。
　　
　　
　　圖4分層次課程教學
　　
　　實踐教學部分也分為三個層次[7]，按照高中低搭配的原則進行設置。低層次實踐是課內驗證實驗，屬于基礎實驗，驗證實驗與課程教學內容相配套，主要是讓學生掌握課內重要知識點；中層次實踐是課程設計實驗，課程設計單獨開課，多元考核，主要是考察學生進行綜合性嵌入式系統設計的能力；高層次實踐是創新性實驗，要求做一個帶有創意的嵌入式系統綜合項目，組團按需競爭申請，配套有專門支持經費及指導教師，節點匯報、檢查，結題答辯、驗收，并進行成果展示對比，主要是培養學生的團隊組織、管理和協調能力，倡導學生敢于嘗試、敢于冒險、敢于競爭的創新精神。三個層次之間循序漸進、環環相扣。如圖5所示[7]。
　　
　　圖5分層次實踐教學
　　4多元化考核，強調綜合素質
　　課程與課程設計分開考核。課程考核由三部分組成：筆試占70%，實驗占20%，課堂提問、專題報告以及作業占10%。筆試考核屬于基礎知識考核，有選擇、填空、簡答及分析題。實驗考核方式為：對于基礎驗證性實驗當場提問驗收；對于綜合驗證實驗要求學生分組進行講解，把問題、思路、結果講清楚并進行適當演示；在實驗考核中體現實驗預習、實驗過程、實驗報告等每一個環節，使學生重視實驗的每一個環節。專題報告是要求學生分組作報告，大部分報告是近幾年來的前沿論文，它可以讓學生既了解學科發展的前沿，又開闊視野。圖6是課程考核的成績構成詳單(不包括課程設計)。
　　課程設計由設計方案、實驗驗收以及實驗報告3
　　
　　個部分組成。實驗驗收結合實驗基本要求和高級要求進行，主要驗收內容有：實驗板子裝焊正確、硬軟件運行正確、操作熟練程度以及現場提問構成。實驗報告包括：實驗目的和要求，實驗內容和原理，實驗項目、實驗器材、操作方法與實驗步驟，實驗數據、實驗結果及分析，問題與建議。
　　
　　圖6課程考核成績
　　5結語
　　課程組老師在教學方法上不斷地探索、不斷地變革，使教學方法多種多樣，特色突出，緊跟時代發展的步伐，充分地調動了學生學習積極性。學生對本課程非常重視，表現出濃厚的興趣，除認真聽課、閱讀教材和完成作業外，積極參與課程實驗，主動開展自主研究，自己動手設計和實現一些簡單的嵌入式應用系統，有助于培養在實際應用中運用計算機技術的能力，鍛煉實踐動手能力。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 尚利宏. 北京航空航天大學“嵌入式系統設計”精品課程建設[J]. 計算