嵌入式系统课程教学方法探索
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摘要：嵌入式计算技术飞速发展，嵌入式系统已成为计算机应用的一个重要方向，“嵌入式系统”课程也成为计算机专业的一门重要课程。为了更好地适应新时代的变革，满足卓越工程师培养的需要，文章重点阐述“嵌入式系统”课程教学方法改革，以多年来从事“嵌入式系统”课程教学体会，与同行广泛交流，共享经验、共同促进、共同提高。
关键词：嵌入式系统；案例教学；启发教学；层次教学；多元化考核
作者简介：王苏峰，男，副教授，研究方向为嵌入式计算。
“嵌入式系统”课程是我院计算机专业学生的一门专业必修课程，它着重培养学生对嵌入式系统设计方法的理解，使学生具备简单嵌入式系统的设计和综合应用能力，是培养卓越工程师的核心课程。多年来，在院系室三级组织的高度重视和大力支持下，在课程组老师坚持不懈努力下，本课程日趋成熟，形成了一个教学内容丰富、教学方法合理、实验内容和实验体系逐步完善的教学环境。同时，课程组老师同步完成了《嵌入式系统原理与设计》教材的撰写工作，该教材于2007年11月在高等教育出版社正式出版，并列入国家“十一五”规划教材。
2008年以来，课程组老师进一步完善教学大纲、课程标准、实验大纲和实验指导书，添置了更多实验设备，建立了更好的实验环境。在上级组织的关怀下，课程组师资力量也明显加强，形成了职称、学历、年龄、学缘结构科学合理的教师梯队。授课之余，课程组老师经常进行教学研讨，不断进行教学方法和教学手段改革，采用理论教学、实验教学、课程设计、创新实践、科研和教学结合、设计竞赛等相结合的立体化教学模式，教学手段全面现代化，强化多媒体教学和网络教学手段，逐步提升教学效果。经过多年的教学改革与实践探索，“嵌入式系统”课程日臻完善，并取得了一定的成绩。2009年，“嵌入式系统”被评为“教育部-英特尔精品课程”，2010年，“嵌入式系统”被评为国家精品课程。
为了更好地建设好“嵌入式系统”国家精品课
程[1]，满足卓越工程师培养的迫切需要，课程组老师不断探索，进行教学方法改革。
1以科研促教学，相辅相成
在众多973项目、863项目、国家自然科学基金项目以及其他科研项目的强力支持下，课程组老师通过不断积累，具有了深厚的科研工作基础和丰富的工程实践经验，也吸取了丰富的营养元素，开阔了视野，为教学工作进一步提升打下了坚实基础。反过来，科研支持的教学又为科学研究提供了大量的新鲜血液，夯实了科研工作的基础平台。教学服务科研、科研反哺教学，课程组老师受益匪浅，做到了教研相长、相辅相成。
由于有众多科研项目作为后盾，在教学活动中，课程组老师选择了一些典型的来源于科研项目的案例，并按照项目推进过程传授给学生。例如，通过详细剖析GPS导航系统的来龙去脉[4]，来解释嵌入式系统的设计方法以及设计过程，让学生体会方案设计的重要性；通过数字中短波收音机[7]以及雷达自动伺服系统来解释嵌入式处理器、嵌入式操作系统的选择以及设计过程；通过对“腾越-I”嵌入式处理器的讲解，让学生对嵌入式处理器与通用处理器的异同有了更深入的理解。在案例的教学过程中，课程组老师根据自己科研工作的体会，要求学生要特别重视项目设计的基本思路、项目设计的全过程、面临的问题以及解决问题办法，等等。
图1是实际案例数字中短波收音机的信道解调模块的功能框图。在课程讲授中，通过对数字中短波收音机的信道解调模块的深入分析，可以让学生深刻地领会一个复杂的嵌入式系统的分析、设计及测试的全过程。通过实例也很容易使学生明白嵌入式处理器、嵌入式操作系统、存储器以及I/O接口选择中受制的因素，避免了在传统教学中，老师只能讲授选择的原则，学生听完后还是一头雾水，不明所以。
实时性对各类嵌入式系统的作用不言而喻，但实时性分析始终是学生学习中难以逾越的鸿沟。为了让学生充分理解嵌入式系统的实时性，通过实际案例讲授，可以在系统分析阶段，通过算法来估算每一个模块的计算量，作简略实时性分析；在系统测试阶段，通过大量的测试获取实际运行数据，并以图表形式分析实际系统实时性，这些分析工作可以明显提高学生对嵌入式系统实时性分析的理解。如图2所示(图2中左图为系统总实时性测试，右图为其中一个模块实时性测试)。
图1数字中短波收音机信道解调模块
图2实时性测试
2以学生为主体，循循善诱
研讨式教学突出了学生在学习过程中的主体地位，能够充分调动学生的学习积极性、主动性和创造性，有利于培养学生的综合能力，提高学生的综合素质。为了发挥研讨式教学的优势，课程组老师在授课过程中，有意针对典型问题展开课堂讨论，鼓励学术争鸣，诱导学生循序渐进以及互相评价，以提高学生思考问题的积极性。如图3所示。
图3研讨式教学
以嵌入式系统实时性分析为例[4]：针对5种典型实时编程结构[5]的实时性、优缺点以及应用领域展开讨论(这些内容在前导课程已经接触过，比较容易引起共鸣)。以系统实时性分析为主线，按照技术发展的来龙去脉，首先针对基于查询方式的实时编程结构展开讨论，以学生为主体来讨论实时性、优缺点以及应用领域；针对前一种实时编程的问题(对事件响应不能实时，容易丢弃异步事件，所有任务具有相同优先级别等[5])适时引入基于中断方式的实时编程结构，让学生分析它解决了什么问题(具有什么优点以及应用领域)，又引入了什么新问题(容易漏掉低优先级的异步事件、容易导致栈溢出致使堆栈不可预测、调用不可重入型函数时要满足互斥条件等[5])；针对新问题接着引入基于前后台系统的实时编程结构，让学生分析它解决了什么问题(具有什么优点以及应用领域)，又引入了什么新问题(任务实时性、可靠性难以满足要求[5])；针对新问题接着引入基于非抢占式实时操作系统的实时编程结构，让学生分析它解决了什么问题(具有什么优点以及应用领域)，又引入了什么新问题(如果最长任务的执行时间不能确定，系统的任务响应时间就不能确定[5])；针对新问题接着引入基于抢占式实时操作系统的实时编程结构，让学生分析它解决了什么问题(具有什么优点以及应用领域)，又引入了什么新问题(优先级倒置、调用不可重入型函数时要满足互斥条件[5])。
启发式课堂讨论形式可以有效提高学生参与课堂教学活动的积极性，提高学生分析问题、解决问题的能力，让学生再一次印证“发现问题、分析问题、解决问题”的重要性。
3分层次教学，滚动推进
本课程的培养方案积极贯彻了学院倡导的系列课程建设思路――本硕打通、通盘考虑、剔除冗余、精益求精，所以，我们在课程教学内容上进行了分级教学，设置了高低两个层次内容：基础部分和高级部分。学生可根据自己的基础、能力、研究方向以及兴趣爱好选择不同层次的教学内容以及配套实验内容，以体现教学的层次性，并满足各类人员的需求。
在2009培养方案中，我们新增加了选修课程“高性能嵌入式计算”[6]，满足相控阵雷达、合成孔径雷达、天基红外预警、深空探测等对计算能力有较高需求的嵌入式计算领域。本课程主要面向专业领域问题，完成从问题空间到算法空间再到实现空间的映射，而且重点是在体积、重量、功耗的严格约束下，依托于ASIC(专用集成电路)、FPGA(可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)、其他COTS(商用处理器)以及并行计算技术，如何构建一个高性能嵌入式计算系统。如图4所示[7-8]。
图4分层次课程教学
实践教学部分也分为三个层次[7]，按照高中低搭配的原则进行设置。低层次实践是课内验证实验，属于基础实验，验证实验与课程教学内容相配套，主要是让学生掌握课内重要知识点；中层次实践是课程设计实验，课程设计单独开课，多元考核，主要是考察学生进行综合性嵌入式系统设计的能力；高层次实践是创新性实验，要求做一个带有创意的嵌入式系统综合项目，组团按需竞争申请，配套有专门支持经费及指导教师，节点汇报、检查，结题答辩、验收，并进行成果展示对比，主要是培养学生的团队组织、管理和协调能力，倡导学生敢于尝试、敢于冒险、敢于竞争的创新精神。三个层次之间循序渐进、环环相扣。如图5所示[7]。
图5分层次实践教学
4多元化考核，强调综合素质
课程与课程设计分开考核。课程考核由三部分组成：笔试占70%，实验占20%，课堂提问、专题报告以及作业占10%。笔试考核属于基础知识考核，有选择、填空、简答及分析题。实验考核方式为：对于基础验证性实验当场提问验收；对于综合验证实验要求学生分组进行讲解，把问题、思路、结果讲清楚并进行适当演示；在实验考核中体现实验预习、实验过程、实验报告等每一个环节，使学生重视实验的每一个环节。专题报告是要求学生分组作报告，大部分报告是近几年来的前沿论文，它可以让学生既了解学科发展的前沿，又开阔视野。图6是课程考核的成绩构成详单(不包括课程设计)。
课程设计由设计方案、实验验收以及实验报告3
个部分组成。实验验收结合实验基本要求和高级要求进行，主要验收内容有：实验板子装焊正确、硬软件运行正确、操作熟练程度以及现场提问构成。实验报告包括：实验目的和要求，实验内容和原理，实验项目、实验器材、操作方法与实验步骤，实验数据、实验结果及分析，问题与建议。
图6课程考核成绩
5结语
课程组老师在教学方法上不断地探索、不断地变革，使教学方法多种多样，特色突出，紧跟时展的步伐，充分地调动了学生学习积极性。学生对本课程非常重视，表现出浓厚的兴趣，除认真听课、阅读教材和完成作业外，积极参与课程实验，主动开展自主研究，自己动手设计和实现一些简单的嵌入式应用系统，有助于培养在实际应用中运用计算机技术的能力，锻炼实践动手能力。
参考文献：
[1] 尚利宏. 北京航空航天大学“嵌入式系统设计”精品课程建设[J]. 计算机教育,2006(8):7-9.
[2] 陈天洲. 嵌入式系统精品课程建设[J]. 高校计算机教学与研究,2007,1(10):1-4.
[3] 韩德强,孙燕英. 北京工业大学“嵌入式系统”精品课程建设[J]. 计算机教育,2006(8):12-14.
[4] 王志英,李宗伯,王苏峰,等. 嵌入式系统原理与设计[M]. 北京:高等教育出版社,2007:179-186.
[5] 王苏峰,窦勇,陆洪毅,等. 针对嵌入式实时编程的系统性教学方法探讨[J]. 计算机教育,2009(14):54-56.
[6] David R. Martinez, Robert A. Bond, M. Michael Vai. High Performance Embedded Computing Handbook-A Systems Perspective[M]. USA: CRC Press, 2008:147-190.
[7] 王苏峰,宁洪,陆洪毅,等. 嵌入式系统课程体系及其创新实践的探索[J]. 计算机教育,2010(7):45-48.
[8] 王苏峰,陆洪毅,肖侬,等. 嵌入式系统课程教学的探索与实践[C]//中国计算机学会教育专业委员会,中国计算机教育与发展学术研讨会会议论文集:第三届中国计算机教育与发展学术研讨会,北京:中国铁道出版社,2010:6-10.
Embedded System’s Exploration of Teaching Methods
WANG Sufeng, TANG Yuhua, LU Hongyi, WANG jin
(Computer School, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: With the rapid development of embedded computing technology, embedded system has become an important direction of computer applications, a very important academic value, and accordingly, Embedded System course has become one of the important computer science courses. In order to better adapt to the new era of change, to meet the needs of new talents, this paper focuses on the embedded system course’s reform of teaching methods and hope that embedded system teaching experience extensively exchanges, shares, and promotes with their peers.
Key words: Embedded System; case teaching; elicitation teaching; classification teaching; multiplicity exam