嵌入式系统课程教学方法探索

　　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，紧跟时代发展的步伐，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