h文章編號：1672-5913(2008)07-0064-02

摘要：本文介紹了北京航空航天大學嵌入式系統(tǒng)課程的教學理念、教學內(nèi)容和教學方法，以及項目實驗的管理過程和方法。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；項目實驗；教學改革

中國分類號：G642

文獻標識碼：B

1課程內(nèi)容簡介

嵌入式系統(tǒng)設計課程的特點是涉及知識面廣、綜合性強、實踐性強，并且學科發(fā)展迅速，這些特點就決定了它必然是一個技術密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)，因而學習難度較大，難以形成一個簡單明確的知識體系。為了解決這一問題，我們本著“面向市場需求、定位人才培養(yǎng)”的原則，在課件設計上采取統(tǒng)一的知識體系結構，即涵蓋“基礎知識+基本技能+項目實踐+技術講座”四大模塊，突出注重工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

通過課程學習和實驗，學生應熟悉一種典型的微處理器體系結構，掌握一套主流的開發(fā)工具和一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟練使用一門開發(fā)語言，從而使得學生具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)設計的基本能力。

本課程設計為：本科48學時(理論24學時，實驗課24學時)，2學分；研究生54學時(理論課30學時，實驗課24學時)，3學分。為了配合該課程的教學需要，我們自主編寫了《嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程》。

本課程是本碩一體化課程，如果優(yōu)秀本科生在本科學習期間完成了研究生的課程，則在研究生期間可以免修該課程。本科生的理論教學內(nèi)容包括：

●嵌入式計算技術的基本概念

●系統(tǒng)結構設計和描述

●嵌入式實時操作系統(tǒng)

●嵌入式微處理器和嵌入式計算平臺

●嵌入式系統(tǒng)設計實例

●分布嵌入式系統(tǒng)(擴展內(nèi)容)

●專用接口和硬件加速器(擴展內(nèi)容)

●高可靠性嵌入式系統(tǒng)(擴展內(nèi)容)

研究生的理論教學內(nèi)容包括：

●嵌入式系統(tǒng)概述

●嵌入式硬件基礎

●ARM微處理器體系結構

●ARM指令集

●基于ARM的嵌入式I/O接口設計

●嵌入式操作系統(tǒng)概述

●嵌入式Linux內(nèi)核分析與移植

●嵌入式Linux驅(qū)動程序開發(fā)

●嵌入式系統(tǒng)設計與分析

●嵌入式系統(tǒng)設計實例分析

通過理論課的學習，使學生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本理論和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程和方法，以及基于ARM9的教學實驗平臺組成、嵌入式Linux 和WinCE操作系統(tǒng)的開發(fā)原理，為下一步的實驗課程打下基礎。

我院嵌入式系統(tǒng)課程實驗依托北京航空航天大學國家級實驗中心的嵌入式系統(tǒng)實驗室，該實驗室得到了美國Intel、Microsoft、Altera、Mentor Graphics公司、英國ARM公司和芬蘭Nokia等公司的支持和贊助。實驗室設備先進，軟硬件功能齊全，實驗理念和技術水平與國際接軌，為學生提供了一個綜合設計與開發(fā)的實驗場所。

本科生的實驗課包括基本實驗和綜合設計實驗。基本實驗分別提供了Windows CE和Linux兩種操作系統(tǒng)下的4個實驗。綜合設計實驗主要培養(yǎng)學生綜合設計能力和創(chuàng)新意識，由學生獨立提出、設計并實現(xiàn)。

本科生綜合設計實驗要求學生設計并實現(xiàn)一個嵌入式系統(tǒng)，鼓勵學生提出原創(chuàng)性的內(nèi)容，同時結合實驗平臺的特點提供以下備選方向：

●虛擬儀器(Virtual Instrument)

●POS機

●游戲機(Game Machine)

●ATM機

●網(wǎng)絡打印機

研究生課程實驗課也分為兩個部分：專題實驗和項目實驗。專題實驗共有6次，每次4個學時，共24個學時，專題實驗內(nèi)容包括：

●實驗一：熟悉教學實驗平臺及其開發(fā)環(huán)境，編寫運行一個簡單的ARM匯編程序

●實驗二：嵌入式Linux串口通信程序設計

●實驗三：嵌入式Linux內(nèi)核分析、裁減、移植和燒寫

●實驗四：嵌入式Linux圖形程序設計

●實驗五：觸摸屏驅(qū)動程序設計

●實驗六：LED驅(qū)動程序設計

在專題實驗中，學生自由組合為三人一組，每次實驗又分為驗證性實驗、修改性實驗和設計性實驗三個層次。硬件平臺采用Intel公司提供的EIA嵌入式計算機開發(fā)平臺和北京博創(chuàng)公司提供的UP-NETARM2410S實驗平臺。

項目實驗可以單人完成，也可以分組合作完成，設計為20個學時。項目實驗被安排在開放實驗室，學生可以自由安排實驗時間。項目實驗的題目由教師推薦和學生自選相結合。

在教學模式上，我們采用“責任教授＋主講教師+實驗輔導教師”的教師團隊，目前該團隊的所有教師都有博士學位。教學方式采用“理論講授→實驗指導→動手實踐”。在教學過程中“點面結合”，以某種平臺為重點，兼顧其他系統(tǒng)的特征。授課老師既是主講老師，又是實驗指導老師。采用“理論講授→實驗指導→動手實踐”的教學方式。另外，學院還聘請了國內(nèi)外行業(yè)專家定期為學生介紹相關領域的前沿技術和工程實踐經(jīng)驗。

2項目實驗的管理過程

針對相應的理論教學內(nèi)容，本課程給本科生和研究生設計了若干套專題實驗和項目實驗。針對項目實驗，對學生進行“項目式”的實施管理，對于實驗中的每個指定環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一的檢查，確認達到每個階段的鍛煉目的。在此過程中，并非所有實驗小組都能取得實驗資格，需要根據(jù)其對選定方向所做的調(diào)查和準備工作情況來進行評估，合格者方可獲得實驗資格。為便于上述評估，實驗小組應按順序提供下列實驗文檔，格式符合相應軟件工程文檔的規(guī)范。

(1) 實驗項目申請書(Project Proposal)

實驗項目申請書應該是一份描述實驗計劃的報告，說明實驗者選擇的實驗方向，為何選擇該方向，感興趣的地方何在，可行性如何。該申請需要答辯通過由任課老師及助教組成的評審團的審查。該報告中應該包括如下組成部分：

→實驗動機(Motivation for the project)

→設計目標(Description of what it does)

→技術路線(Description of how you plan to do it in brief.)

→需要的支持(Help needed)

→概要步驟(Possible steps in brief.)

(2) 實驗計劃

在實驗者上述的實驗申請獲得批準后，應該完成實驗項目計劃書(Experiment/Project Plan)。

實驗項目計劃書應該包括：

→項目需求(Requirements)

→系統(tǒng)結構(Architecture)

→測試方案(Testing)

→實驗時間(Time estimates)

→可能的檢查點(Checkpoint)

其中，檢查點是指實驗中的階段性成果出現(xiàn)時的實驗狀態(tài)。

(3) 實驗的仿真驗證

因為并不是所有的實驗內(nèi)容都可以并且需要真的完成目標系統(tǒng)的真實功能，所以實驗者應進行實驗的仿真驗證，即通過在EIA平臺上以仿真系統(tǒng)的形式來驗證實驗計劃中提出的系統(tǒng)結構。該仿真系統(tǒng)應該包括與目標系統(tǒng)對應的軟件和硬件，能夠完成目標系統(tǒng)的基本功能，并最終作為本實驗的演示系統(tǒng)。

(4) 課程設計實驗報告(The Final Report)

完成實驗后，實驗者應提供關于

實驗的課程設計實驗報告(The Final Report)，該報告同樣必須通過最終的答辯，獲得評審團的評價，以便結合實際演示給出實驗成績。具體內(nèi)容應該包括：

→實驗環(huán)境介紹(Environment)

→準備情況(Preparation)

→設計流程(Design Process)

→難度分析和評估(Difficulty)

→實驗結論(Conclusion)

→經(jīng)驗體會(Experience)

以2007年春季課程本科生第四次實驗為例，共60名本科三年級學生參加并完成實驗，實驗中分為12組，每組5人，實驗設備除EIA一套外，每個實驗者有獨立使用的聯(lián)網(wǎng)微機一臺。參加實驗的同學分為12組進行實驗，其中11組在課程內(nèi)完成實驗，完整提交了上述所有要求的文檔，符合每個檢查點的要求。另有一組參加同年度微軟嵌入式設計大賽，未能參加所有實驗，原擬給予通過的成績，考慮實際情況，該小組在競賽中入圍全球前32名，最終給予該小組優(yōu)秀成績。

4結束語

幾年來的教學實踐表明，新的教學實驗模式實現(xiàn)了教與學的有機結合，理論教學和實踐環(huán)節(jié)的高度統(tǒng)一，改變了學生的知識結構，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，提高了學生的綜合設計和工程實踐能力。問卷調(diào)查結果表明，對教學內(nèi)容和教學方法，有90％的學生“十分滿意”；有86％的同學在以后的工作中從本課程中獲益。

另外，學生積極參加校內(nèi)外各種競賽，屢創(chuàng)佳績。我院最近幾屆本科生和研究生在國內(nèi)外嵌入式相關比賽中先后獲得了全國大學生“課外科技競賽挑戰(zhàn)杯”一等獎、法國“全球智能卡設計大賽”第二名、法國“全球GSM和Java卡開發(fā)大賽”第一名、“諾基亞智能應用移動挑戰(zhàn)賽”金獎等眾多獎項，這也從另外一個側(cè)面顯示了教學效果。

參考文獻

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