淺析新工科背景下硬件課程教育的改革

樊 華， 仵欣杰， 馬珊珊， 張 佳， 張 珂， 葉星寧

（1.電子科技大學電子科學與工程學院，成都610054；2.上海安路信息科技有限公司，上海201203；3.成都海威華芯科技有限公司，成都610299）

0 引 言

縱觀我國工程教育的改革與發展，要更加注重的關鍵是對工程科學研究型人才和工程技術型人才以及具備工程背景的其他領域人才的培養［1］。嵌入式環境的變化，迫使對嵌入式系統教學必須進行改革，發展更具吸引力的課程模式。近年來，各高校已開始了新教學模式的探索。例如：國防科技大學提出了合作式實踐教學方案［2］和參與式學習方式［3］。

作為“知識型”“創新型”的國家——瑞典［4］，其高等教育體系位居世界前列。它注重發展學生理性的思考能力，鼓勵學生不斷創新與探索。在不斷推動歐洲高等教育一體化的背景下，瑞典歷經了從學位結構到課程安排的一系列改革［5］。瑞典嵌入式系統的教學在教學理念、教學體系、課程實現等方面都發展得比較成熟。本文從瑞典嵌入式系統實驗課程出發，對瑞典嵌入式系統教學的成功進行總結；對比研究我國與瑞典的嵌入式系統教學的優缺點；結合我國當前工程高等教育改革的現狀對未來的嵌入式系統教學模式提出新的思考。

1 我國嵌入式系統教學中存在的問題

嵌入式系統以應用為中心，集軟硬件技術為一體［6］。嵌入式系統課程更偏向于實踐類型的課程，需要做好理論與實踐的兩兩結合［7-9］。其涉及的基礎課程較多（比如模擬電路基礎、數字電路基礎、計算機系統結構、C語言、匯編語言等），這使得嵌入式系統的教學紛繁復雜。嵌入式系統教學最傳統的方法就是“自下而上”的教學理念［10］。即先向學生介紹位級微控制器，然后再介紹操作系統級別。我國由于嵌入式系統發展較晚，近年來爆發式發展，使得嵌入式系統教學還未形成最優化的教學模型并存在以下問題：

（1）課程理論化。當前的教育體制主要偏向于理論教育，所以在短短的幾十個學時的課程中，能充分理解知識點并掌握實踐應用對學生來說，更是難上加難。且嵌入式系統入門門檻較高，初學者需要花費大量時間熟悉開發環境和相關流程，例如在命令行界面中操作，設置環境變量和內核配置［11］。

（2）理論與實踐脫節。理論課程內容老舊，無法與當前行業發展相結合。

（3）驗證性實驗居多。實驗課程一般是按部就班性質的。在實驗過程中，學生按照老師講解的思路，課本的指導，一步步地完成實驗。這樣枯燥無味的實驗，難以發散學生思維，也難以將其與未來研究相結合。

（4）實驗設備落后。針對嵌入式系統的實踐環節，實踐設備的配置和實踐內容的設置問題不容忽視［12］。

2 瑞典嵌入式系統教學狀況

2.1 教學體系安排

筆者近期在瑞典皇家理工學習了1 年，深入了解了瑞典嵌入式系統的教學方法。瑞典嵌入式系統教學發展成熟，為嵌入式系統提供了專門研究涵蓋嵌入式系統開發理論和實踐方面的教學模式。其中特別強調軟件和硬件的集成，系統設計、集成、驗證等工程技能的應用與實踐。并提供了4 個方向供學生選擇，分別是：嵌入式電子技術、嵌入式平臺、嵌入式控制、嵌入式軟件。針對不同的方向，設定了對應的必修和選修課程。每門課程都是由講座、實驗、研討課的形式組成。課程內容豐富多樣，避免了教學形式單一、課堂枯燥沉悶。講座除去基礎的知識講解還有針對當前行業最新的技術探究分享。實驗主要通過合作探究的方式完成。這樣帶給學生最大的好處是通過互動帶動思考，有利于發現問題解決問題。研討課針對當前行業的熱門主題在教授的指導下，以小組的形式，圍繞主題，同學之間各抒己見、暢所欲言。

2.2 專業教學特點

瑞典的嵌入式系統專業的教學體系始終圍繞著“自由”與“合作”。

（1）自由度。學生可充分考慮自身情況選擇最合適自己的專業方向。課程安排上，大學鼓勵學生全方位發展，除了本專業建議推薦的選修課，還可任意選擇其他專業的課程。

（2）合作性。①研討會形式。這種授課模式相對于國內大學來說還是比較陌生的，國外大學發展比較成熟。研討會會事先確定主題內容，學生圍繞主題在課前做好準備工作。研討會以組內的討論為主，每位學生都需陳述自己的見解。最后，在教授的引導下，開展組與組之間的探究思考。在這種模式下，合作探究促進了學生之間的互動性。②小組實驗形式。主要以合作探究型實驗形式開展。學生自由分組，且學生有很大的自由度，在給定的實驗要求下，學生除自主探究如何完成實驗還會就實驗中所遇到的問題擴展探究。一方面，實驗促使學生自主合作學習，合作討論；另一方面，對實驗中所遇到的各種問題發散式探究，不再局限于實驗本身。

2.3 教學軟硬件支持

學校為學生提供了良好的IT支持，保證學生可在校內機房或在校外進行學習研究。此外，學校還提供了免費的眾創空間——Mentorspace。它主要向所有希望從事構思、原型或項目構思工作的學生和員工開放。圖1 為學生在Mentorspace中進行PCB的設計項目。

圖1 PCB板設計裝置

3 實驗課程的實施

在嵌入式系統教學中，常常會出現學生獲得的理論知識已差不多了，但他們的實踐技能還有很大的提升空間［13］。所以在實驗項目的設定與選擇上，充分考慮了理論知識的連續性與靈活性。在保證項目的專業化和有效性的同時，保證實驗具有一定的靈活性，以助于學生有足夠的發散探究空間。以下將具體分析兩個實際項目案例。

3.1 模擬實時汽車巡航系統實驗

該項目通過使用DE2 開發板在典型的實時操作系統（μC／OS-II 嵌入式系統）上開發實時應用程序——模擬汽車巡航控制系統使學生們獲得實時操作系統的實踐經驗。該項目要求學生在基本了解實時操作系統（RTOS）的基礎上，加深理解中間環節（如信號量，郵箱，消息隊列），通過多任務之間的同步和通信實現應用程序。

圖2 所示為基礎巡航系統功能示意圖。學生需完善初始化算法并編寫代碼，實現完整的巡航系統中車輛任務與控制任務的程序。該系統包括了5 個輸入信號，分別為：發動引擎，巡航控制，油門踏板，剎車踏板，齒輪裝置。這些輸入信號相當于實際巡航系統中的控制開關。通過控制這5 個輸入信號實現了發動機引擎的開關狀態；汽車巡航功能的開或關；控制油門實現加速與控制剎車實現減速；汽車擋位的選擇。其中，這5 個輸入信號在巡航系統運行中，彼此之間相互影響。

圖2 基礎巡航系統功能示意圖

除此之外，如圖3 所示該系統還應實現測量汽車當前位置（是上坡階段還是下坡階段亦或是平路）和當前速度。這需要學生充分理解汽車當前的行駛狀態，利用所學的物理基礎知識，考慮上下坡時由于風速的不同造成加速度的不同，最終推導出速度與位置的表達公式。

圖3 基礎巡航控制系統當前位置示意圖（km）

在該巡航系統中，事件組成較多，事件之間的通信也比較繁復。因此，對于這樣的多任務操作系統而言，需要掌握任務與任務之間的同步和通信。在該系統的應用程序中，希望學生通過使用信號量、郵箱、消息隊列實現各個任務通信的同時辨析清楚三者的不同之處。

圖4 所示為在DE2／DE-115 開發板上實現的基礎巡航控制系統。學生可通過調節3 個按鈕及兩個開關，來調節汽車車速的大小。并實現當執行巡航操作那一刻的速度大于20 m／s時，可實現巡航功能（即車速穩定）。在圖4 中，巡航指示燈點亮，巡航速度保持在51 m／s，且可通過分配不同的LED顯示車輛的運行距離。

圖4 基礎巡航控制系統在DE2／DE-115開發板上的實現

3.2 圖像追蹤算法應用實驗

該項目要求在DE2 開發板上多處理器的硬件平臺上用多核無操作系統的方式實現一種圖像跟蹤算法。該算法可跟蹤一系列圖像幀（給定的）中移動“圓形”圖案。

該輸入的圖像作為像素陣列存儲在DE2 開發板上的SRAM。應用的輸出是每個輸入圖像的坐標對數組，對應于識別的圖像模式的X 和Y 位置，也存儲在DE2 開發板上的SRAM中。

該項目首先要求了解該應用程序的執行流程。該執行流程以Haskell 語言來建模實現。應用模型以圖5 所示的同步數據流模型（SDF）表示。同步數據流（SDF）是數據流的一種約束形式，其中，對于每個參與者，每個觸發都在每個輸入端口上消耗固定數量的輸入令牌，并在每個輸出端口上生成固定數量的出口令牌［14］。

整個應用程序需要實現7 個模型，分別為灰度處理、圖像裁剪、起點確定、相對誤差、初始點計算、終點確定、延遲計算。

圖5 同步數據流模型

該項目提供的硬件平臺包含了5 個32 位CPU（見圖6），每個CPU都包含一個4 KB的指令緩存和一個2 KB的數據緩存。其中，僅有CPU0 可以訪問SRAM和SDRAM，且沒有片上存儲器。剩余4 個CPU 均具有大小為8 KB的片上存儲器，可以訪問共享片上存儲器。選擇器可以確保只有一個線程可以同時運行。FIFO存儲器是首先實現數據輸出的寄存器。當多個主設備想要訪問一個從設備時，仲裁方案將有助于判斷哪個主設備具有更高的訪問優先級。

在此多核無操作系統中，CPU0 是主處理器，而CPU1 ～4 是從處理器。這種結構增強了硬件的性能并提高了處理能力。每個從CPU 都可以在自己的片上存儲器上處理部分圖像。CPU0 獲取起點并裁剪原始圖像，然后將其存儲在共享內存中。CPU1 ～4 分別從共享內存中讀取1／4 裁剪的圖像，然后對其進行灰度處理并獲得目標點。然后它們將坐標存儲在共享內存中。最后，CPU0 將獲取坐標并輸出它。最終的實驗測試結果如表1 所示。其中可見在多處理器平臺上實現的圖像追蹤應用程序可達到192 張／s圖片（圖像全部為針對該實驗的特定圖片）。總代碼的占用量為24.85 KB。

圖6 多處理器平臺架構

表1 圖像追蹤應用程序測試結果

在該項目所要求的多處理器環境下，怎么訪問分配共享資源將是學生需要進一步探究的問題。這是因為當多個處理器要使用同一條總線時，一次只能有一個外設將數據放入一條總線。此外，由于多處理器的資源非常有限，因此還需探究代碼和電路板／編譯器的優化。

相比模擬實時汽車巡航系統實驗，該硬件平臺具有5 個處理器，非常復雜且處理困難。雖然多處理器在提高應用的效率上具有很大優勢，但應考慮好處理器的并行性。學生需探究如何使用互斥鎖來阻止CPU的交錯執行以滿足所有CPU 都能以適當的方式訪問共享內存。此外，學生還應合作探究代碼的優化措施。例如用移位運算符實現乘法功能；用Int 指針代替無符號char指針可提高傳輸數據等。

4 我國與瑞典嵌入式系統教學的對比

從以上的教學模式和兩個瑞典的嵌入式系統實驗課程的實驗項目可見，瑞典的嵌入式系統的教學更強調“探究”。對比我國傳統型的“按部就班”驗證性實驗（即通過老師講解，學生根據課本的指導，一步步的完成實驗），距離培養有創新能力的人才還相去甚遠。

4.1 教學結構比較

圖7 分別展示了瑞典與我國嵌入式系統教學組成架構。其中，雙方在教學模式上最大的不同在于有無課程前的準備安排。

圖7 中瑞兩國嵌入式系統教學架構比較

在瑞典的教學架構中，“課程前”是一個很重要的教學模塊。往往通過開課前把課程大綱，教學安排表，講座參考文獻上傳至課程學習系統。因此，瑞典教學希望學生能夠做好課程預習這一板塊。教師更希望學生帶著問題來上課，而不是干巴巴地聽講座。反觀我國的教學模式，更強調教師對于知識的傳送。也是因為這個原因，講座在整個教學中占比最多。在課程組成上，瑞典教學的形式更加豐富多樣化，其側重點也更加明確。講座旨在教授基礎知識，習題課檢測掌握情況，研討會探究行業發展，實驗學以致用。我國的教學模式較為單一，這無疑會大大減少學習課程的樂趣，也使得課程內容并未完全被學生理解吸收。我國與瑞典的課程考核模式都由筆試和實驗等部分組成，但我國以最終的總成績為考核標準；瑞典需要分別對各個部分進行考核。在我國的考核體制下，抱有僥幸心理的有些學生會且只重視理論知識的學習，忽視通過實驗可以增強實踐能力及對科學理論知識加深理解的作用。我國的實驗課程和理論課程往往由1 位老師全部負責。由于學生人數較多，無法針對性地兼顧到每一位同學。相反，瑞典在理論課，實驗課，習題課中將會分配不同的助教幫助學生，在最大程度上答疑解惑。瑞典的實驗課程內容更加貼近實際生活。這無疑會對剛接觸這一陌生專業的學生帶來一絲新鮮感，具有強烈的吸引力。瑞典實驗課程的實現方式采用合作探究型。這促使學生自主學習，合作討論，并對實驗中所遇的各種問題發散式探究，不局限于實驗本身。

4.2 教學評估

教學評估是整個教學體系中不可忽視的環節。它起到了促使教師自我調節和促進學生自主調整的作用［15］。教學評估提供教師最真實的教學信息，以便于及時修正教學中存在的問題。表2 展示的教學測評表重點體現了教學的側重點是以教師為核心的知識傳授或以學生為中心的探究學習。

測評結果顯示，我國更重視課堂教學，課堂以老師為中心；瑞典更重視探究，鼓勵學生自主探究。此外，由于考核課程的形式更加多樣化，使得瑞典實際教學中，學生每周的學習課程時間為35 學時，高于我國的20 學時。瑞典學生更多地將時間放在了實驗探究上，也就是知識點的實際應用上。這點有別于我國學生死抓課本知識點的現象。

表2 教學評估表

5 結 語

縱觀瑞典的嵌入式系統教學體系，為我校的嵌入式系統專業教育帶來了一些啟示。嵌入式系統教學各個部分環環相扣，各個部分需要齊頭并進。未來在嵌入式系統的教學中，更應當注重理論教育的遞進層次性，實踐環節的團隊合作探究。加強學生實驗操作能力，鼓勵學生自由思考，嘗試發散思維，解決問題。此外，還需改革課程考核模式，以滿足全方面考察學生的學習成果。