摘要：本文針對英特爾杯全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽的內(nèi)容和特點，分析了目前我校“嵌入式系統(tǒng)課程”實驗教學(xué)的不足之處，提出了改進“嵌入式系統(tǒng)課程”實驗教學(xué)的幾點措施。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計競賽；嵌入式系統(tǒng)競賽；嵌入式系統(tǒng)課程；實驗教學(xué)

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）09-0039-03

英特爾杯大全國學(xué)生電子設(shè)計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽（以下簡稱嵌入式系統(tǒng)競賽）是教育部大力倡導(dǎo)和推動的競賽，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動，它們的宗旨是引導(dǎo)高校在實驗教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)；加強動手能力和工程實踐能力的訓(xùn)練；提高學(xué)生針對實際問題進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的能力。嵌入式系統(tǒng)競賽自2002年開始舉辦，到2006年已經(jīng)舉辦了三屆。比賽規(guī)模也從一開始國內(nèi)的15所高校28支參賽隊拓展到第三屆的來自東南地區(qū)67所高校149支參賽隊。在國內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)競賽已為越來越多的企業(yè)和學(xué)校認可和重視，其知名度和影響力已逐漸提升，甚至超過電子設(shè)計競賽的地位。

1 國家競賽的內(nèi)容和特點

嵌入式系統(tǒng)競賽為了能夠進一步豐富全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的形式和內(nèi)容，同時讓一些學(xué)有余力、自學(xué)鉆研能力強的學(xué)生能夠盡顯才華，該比賽一改電子設(shè)計競賽專家組命題競賽的形式，提出了“不設(shè)命題，自主發(fā)揮，不封閉比賽場地，延長比賽周期”的新理念。此外， 由于嵌入式系統(tǒng)所采用的硬件平臺是由組委會統(tǒng)一提供的，加強了比賽的透明度和公平性，使得更多的優(yōu)秀學(xué)子能夠擁有在平等條件下展示自己的自學(xué)鉆研和動手實踐能力的機會。開放性的題目設(shè)置使得學(xué)生和指導(dǎo)老師不再拘泥于一些基礎(chǔ)的內(nèi)容和方向，設(shè)計開發(fā)也從8位、16位的單片機跨越到了以32位處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計上，應(yīng)用知識也突破了電子設(shè)計競賽的單一電子學(xué)科的范圍，擴展到包括計算機科學(xué)、自動化控制、數(shù)字通信在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。更加強大的處理器功能和更加開放的競賽形式使得參賽者可以自由發(fā)揮創(chuàng)意，但同時，由參賽隊伍自主命題所帶來的更大的自由度意味著沒有很多的東西可供參考或直接借鑒，更高的競賽水準也對學(xué)生提出了更高的要求。這一競賽同時也更關(guān)注參賽作品的創(chuàng)新性、方案的合理性、作品實現(xiàn)的難度和工作量、作品以及設(shè)計文檔的完整性等方面指標，任何一方面的忽略都可能影響最終成績的評定。

2 競賽暴露出的我校原有“嵌入式系統(tǒng)課程”實驗教學(xué)的弱點

國家競賽的內(nèi)容和特點，代表著國家對大學(xué)生在嵌入式方面培養(yǎng)的具體要求，雖然我們多次指導(dǎo)學(xué)生參加國家競賽，并且多次都取得了較好成績，但我們深深感受到我校原有的“嵌入式系統(tǒng)課程”實驗教學(xué)已不能夠完全滿足國家的培養(yǎng)要求，主要存在著以下弱點。

（1）實驗教學(xué)中注重了對學(xué)生軟件編程的訓(xùn)練，而輕視了對其硬件設(shè)計訓(xùn)練

由于在實驗教學(xué)中對處理器核心電路的設(shè)計、接口電路的設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計等方面的訓(xùn)練內(nèi)容較少，導(dǎo)致學(xué)生對硬件的基礎(chǔ)知識缺乏。在競賽中參賽學(xué)生對系統(tǒng)接口的擴展、利用可編程邏輯器件的設(shè)計電路、對處理器性能的估計等方面顯得知識和經(jīng)驗不足。

（2）實驗教學(xué)中注重了學(xué)生對上層軟件的設(shè)計，缺少培養(yǎng)低層軟件的設(shè)計能力

在實驗教學(xué)中由于應(yīng)用軟件方面的實驗項目，相對容易教學(xué)。而低層軟件的實驗項目需要功能強大的開發(fā)工具，同時設(shè)計和調(diào)試的難度大，所以實驗教學(xué)中減少了低層軟件的實驗項目。這種安排導(dǎo)致學(xué)生在競賽中對低層軟件的了解、設(shè)計、調(diào)試能力不足，甚至對該方面的工作無從下手。但是低層軟件是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，競賽中該方面的任務(wù)非常大。

（3）實驗教學(xué)中驗證性和設(shè)計性實驗項目較多，綜合實驗項目少，缺少自主命題的課程設(shè)計

實驗教學(xué)中沒有注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生作的實驗都是教師預(yù)先設(shè)計好的題目，學(xué)生不需要質(zhì)問可行性，只要埋頭完成就達到了實驗要求。這種實驗?zāi)Ｊ綄?dǎo)致學(xué)生在競賽中不能根據(jù)自己的知識開拓思路，提出好的設(shè)計題目，設(shè)計出新穎的產(chǎn)品，而是希望老師想出一個題目，自己來實現(xiàn)。

（4）實驗教學(xué)中采用的實驗平臺單一

實驗室只提供基于X86的嵌入硬件實驗平臺和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。由于軟硬件平臺單一，導(dǎo)致學(xué)生的實驗項目種類少，不能按照產(chǎn)品的需求進行選擇系統(tǒng)，不能夠認識到嵌入式系統(tǒng)軟硬件多樣性的作用性。2006年競賽中Intel公司提供了兩種平臺，分別是eXcale PXA270 和低功耗的嵌入式X86。競賽學(xué)生不能夠根據(jù)目前提供的平臺，選擇相對應(yīng)合適的題目，完全忽視了兩個平臺區(qū)別和適合的應(yīng)用方向。

（5）實驗教學(xué)缺少對團隊合作的訓(xùn)練

能在競賽中取得好成績的參賽隊，往往都是隊員之間配合默契，遇到難題集思廣益，共同謀求解決問題的辦法，在整個競賽過程中隊員們相互鼓勵，相互促進，努力爭取最好成績，這種團隊合作精神正是我們過去實驗教學(xué)中所忽視的。過去我們希望讓每個同學(xué)從頭到尾獨立完成整個實驗，所以安排一人一組設(shè)計實驗項目，工作量也就較小，而學(xué)生之間相互協(xié)作能力培養(yǎng)不夠。

（6）實驗教學(xué)中對學(xué)生的實驗報告要求不夠

有的同學(xué)實踐能力很強，但撰寫設(shè)計報告能力較差。報告中僅展示出自己最終設(shè)計方案，而對各種方案的比較和論述不夠，對系統(tǒng)的性能缺少分析，甚至缺乏理論的推導(dǎo)。

3 改進“嵌入式系統(tǒng)課程”實驗教學(xué)的措施

從這幾屆電子設(shè)計競賽的題目和嵌入式系統(tǒng)競賽及今后的發(fā)展趨勢來看，競賽的工程背景越來越濃，它既強調(diào)理論設(shè)計，更強調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)。它既考核了學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識的能力，更注重考察學(xué)生的創(chuàng)新意識。競賽涉及的內(nèi)容往往是一個課程群而非單一的一門課。這就要求我們的實驗課程必須進行改革。為此，我們采取了以下措施。

（1）增加自主命題的綜合實驗項目

增加自主命題的綜合實驗項目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和愛好以及平時在相關(guān)方面的了解，自行提出或與教師討論制定出一些命題。在這類綜合實驗項目的指導(dǎo)上，老師的教學(xué)方式也以啟發(fā)學(xué)生獨立分析思考問題、獨立解決問題為主，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮他們的潛能。

（2）分層次進行實驗

由于學(xué)生的能力和興趣的不同，我們安排的實驗項目分為驗證性實驗、命題性綜合實驗、自主命題性大型綜合實驗。部分學(xué)生主要以驗證性實驗教學(xué)為主，指導(dǎo)他們進行各種驗證性實驗，深化理論知識的理解；對該課程有興趣并且有能力的學(xué)生，可以指導(dǎo)他們進行命題性綜合實驗或自主命題性大型綜合實驗，使他們深入到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和科研項目的設(shè)計及開發(fā)能力。這樣，既完成了教學(xué)任務(wù)，又可以發(fā)掘優(yōu)秀的學(xué)生人才，使他們的能力得到更進一步的提升。

（3）實驗教學(xué)應(yīng)深入系統(tǒng)的底層

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)實踐中，教師指導(dǎo)學(xué)生實驗往往僅在硬件平臺的基礎(chǔ)上做一些應(yīng)用性的程序和實驗，很少讓學(xué)生深入系統(tǒng)底層去研究，如學(xué)習(xí)硬件原理和結(jié)構(gòu)，編寫驅(qū)動程序，編寫bootloader代碼，移植操作系統(tǒng)等。這樣學(xué)生即使能夠在某嵌入式平臺上，對某些硬件編程實現(xiàn)特定的功能，卻往往對硬件的原理和功能一知半解。當他們遇到新的題目要求或不同的硬件平臺時，就無從下手。實驗教學(xué)不能達到舉一反三的效果。因此，我們在新的實驗教學(xué)中，改變了以往的方法，讓學(xué)生在實驗中深入系統(tǒng)的底層，了解系統(tǒng)的工作原理，不僅讓學(xué)生知其然，還要知其所以然。這樣讓學(xué)生在以后面對類似的問題時，也能從容分析問題并加以解決。

（4）實驗教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合設(shè)計的能力

從歷屆嵌入式系統(tǒng)競賽的比賽結(jié)果來看，名列前茅的作品往往是軟硬件綜合設(shè)計比較出色的作品，有的作品在組委會統(tǒng)一提供的開發(fā)板基礎(chǔ)上，又拓展了很復(fù)雜的硬件外圍電路，同時軟件上也做了大量的工作，具有較高的難度。這也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的特點，系統(tǒng)中離不開硬件，因此我們在實驗教學(xué)上，也必須加強軟硬件綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)。通過讓學(xué)生參與軟硬件綜合設(shè)計的項目，來培養(yǎng)他們軟硬件綜合設(shè)計的能力。

（5）實驗平臺的多樣化

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計是產(chǎn)品決定系統(tǒng)，即根據(jù)產(chǎn)品的功能和指標，進行處理器的選擇，存儲器的種類和大小的選擇，接口和外設(shè)的安排等。如嵌入式處理器的選擇時，移動設(shè)備由于功耗的要求，一般選擇ARM芯片；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以選擇以IBM 的Power為內(nèi)核的高性能處理器。因此實驗室應(yīng)該提供多種實驗平臺，通過建設(shè)，目前我們實驗室已擁有基于8051，80C51FXX，MSP430，PowerPC 860 ，ARM9 ，X86，EPOSN 32位嵌入式處理器，PicPlaze和MicroPlaze軟核的實驗板和實驗箱。同時對部分實驗箱系統(tǒng)配有 Windows CE、Linux、Vxworks、ucOS II、Delta等多種嵌入式操作系統(tǒng)。學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計項目進行選擇。使學(xué)生在實驗中能夠充分發(fā)揮各種實驗板和操作系統(tǒng)的功能，避免大材小用，殺雞用牛刀。設(shè)計時應(yīng)該以既要完成項目的功能和指標，又要以減少產(chǎn)品成本為目標。設(shè)計完成后能夠估計該產(chǎn)品的硬件和軟件成本。通過這樣的訓(xùn)練，不僅能夠培養(yǎng)出一般的程序員和硬件工程師，而且可以培養(yǎng)出高層次的人才。

（6）團隊合作的訓(xùn)練

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工作量一般較大，如果學(xué)生的選題項目大，應(yīng)該分組進行，一個項目組安排三到五人進行設(shè)計，安排一個學(xué)生為項目組組長。小組成員共同制定編寫項目總體方案，項目計劃等文檔。將項目分解成為幾個子項目，每個人負責設(shè)計和實現(xiàn)其中的一部分，各個部分完成后，共同調(diào)試。通過實驗訓(xùn)練學(xué)生的團隊合作能力，使他們認識到個人單兵作戰(zhàn)在時間、知識和能力的劣勢和團隊合作的重要性。通過進行團隊合作訓(xùn)練，使學(xué)生畢業(yè)后進入公司，很快融入項目組，發(fā)揮其作用。

4 總結(jié)

實驗教學(xué)改革是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要從事實驗教學(xué)的教師持之以恒的不斷努力。嵌入式系統(tǒng)競賽對我們的實驗教學(xué)改革起到了積極的推動作用，通過競賽，使我們不斷跟蹤國家對大學(xué)生在嵌入式方面的要求，使我們了解其他兄弟院校的現(xiàn)有實驗教學(xué)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)我們當前實驗教學(xué)的不足之處，并加以改進和完善；通過改革使得實驗更能引起學(xué)生的興趣，啟迪思維，培養(yǎng)創(chuàng)造精神和創(chuàng)新能力；通過改革使一批優(yōu)秀人才在實驗中脫穎而出，同時使實驗教師得到自身業(yè)務(wù)的提高。

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收稿日期：2007-03-20

作者簡介：崔金鐘，男，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；盧顯良，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：計算機操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡(luò)及分布式系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)。