張 炯 牛健偉

摘要:本文首先闡述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽與教學(xué)工作相互促進(jìn)的意義,并具體以嵌入式系統(tǒng)的競賽與課程建設(shè)為著眼點(diǎn),介紹了北京航空航天大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,并以具體的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽實(shí)例,說明競賽與教學(xué)這兩者之間的相互支撐作用。

關(guān)鍵詞:競賽;嵌入式系統(tǒng);課程建設(shè)

中圖分類號:G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1引言

根據(jù)Intel資深院士Gene Meieran博士的看法,汽車是20世紀(jì)的工業(yè)產(chǎn)品代表,集成了大量的以能源密集型的工業(yè)技術(shù);而計(jì)算機(jī)則代表了21世紀(jì)工業(yè)發(fā)展方向的集成,信息密集型技術(shù)成為關(guān)鍵,兩者對比如圖1所示。

更進(jìn)一步的解讀,可以發(fā)現(xiàn)以上的對比說明,20世紀(jì)工業(yè)效率高低依賴于能源的分發(fā)(Energy Distribution)是否高效,其效果特征是粗放式的功耗管理導(dǎo)致能源的浪費(fèi),典型后果是全球性的能源危機(jī)和氣候變暖;21世紀(jì)工業(yè)效率高低依賴于知識和信息的傳播(Knowledge Distribution)是否高效,其效果特征是計(jì)算需求劇增而同時(shí)存在大量信息浪費(fèi)和分布不合理,典型后果是知識爆炸和垃圾信息的困擾。

從IT技術(shù)的角度來看,如何面對上述對比而揚(yáng)長避短來迎接這種挑戰(zhàn)現(xiàn)狀呢?我們認(rèn)為,很重要的一個(gè)原則是,要讓知識和信息更高效的傳播,既要提供更強(qiáng)的計(jì)算能力來應(yīng)對信息爆炸,還要讓計(jì)算所依賴的能量消耗得到更精細(xì)的控制,兩者的結(jié)合點(diǎn)就在于并行計(jì)算和嵌入式的計(jì)算的融合,而汽車和計(jì)算機(jī)恰恰是嵌入式系統(tǒng)在兩個(gè)不同發(fā)展階段的典型代表。從技術(shù)進(jìn)步的現(xiàn)實(shí)來看,汽車上的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)越來越多,計(jì)算能力越來越強(qiáng),可以對能源的消耗有更精細(xì)的管理和控制,現(xiàn)代的節(jié)能汽車依賴于計(jì)算能力的進(jìn)步;另一方面,隨著計(jì)算能力提高而增加的功耗可以利用多核處理器架構(gòu)來相對降低?！?008年英特爾杯國際大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”恰恰就是一個(gè)體現(xiàn)這種思想的競賽活動(dòng),其競賽內(nèi)容對并行計(jì)算和嵌入式系統(tǒng)計(jì)算都有很高的要求,在具體的競賽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上則要求兩者很好的融合。

近年來,中國嵌入式系統(tǒng)市場發(fā)展十分迅猛。在這種背景下,北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院于2003年初為我院本課生和研究生開設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)”課程(以下簡稱“本課程”),在課程建設(shè)過程中得到了Intel公司的大力支持。該課程的一個(gè)重要原則是,在重視對基本專業(yè)知識的全面理解和綜合運(yùn)用的基礎(chǔ)上,更加注重對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的調(diào)動(dòng)和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。由于“嵌入式系統(tǒng)”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科,因此我們在教學(xué)過程中,十分強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐相結(jié)合,突出實(shí)驗(yàn)課程的重要位置。

理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的方法,除了設(shè)置較高課時(shí)比例的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容,在“嵌入式系統(tǒng)”課程中還體現(xiàn)在與完整具體的實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求相結(jié)合。更進(jìn)一步地,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽,由于應(yīng)用需求的復(fù)雜性和多樣性,往往需要結(jié)合多種硬件、軟件、工具和設(shè)計(jì)方法來完成設(shè)計(jì),對于學(xué)生能力的全面考察更具意義,故本文以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽和相關(guān)教學(xué)工作相互的有益影響為著眼點(diǎn),分析兩者之間的相互支撐作用。本文以我院2005級本科生參加“2008年英特爾杯國際大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”與本課程關(guān)系的案例,談?wù)劯傎惻c課程建設(shè)相互支持,促進(jìn)創(chuàng)新的幾點(diǎn)感想。

2課程內(nèi)容簡介

本課程設(shè)計(jì)為:本科三年級春季學(xué)期,48學(xué)時(shí)(其中,理論24學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)課24學(xué)時(shí)),2學(xué)分。為配合該課程的教學(xué)需要,自主編寫了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程》。課程實(shí)驗(yàn)依托北京航空航天大學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)中心的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室得到了美國Intel、Microsoft、Altera、Mentor Graphics等公司的支持和贊助。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備先進(jìn),軟硬件功能齊全,實(shí)驗(yàn)理念和技術(shù)水平與國際接軌,為學(xué)生提供了一個(gè)綜合設(shè)計(jì)與開發(fā)的實(shí)驗(yàn)場所。主講教師受到Intel高校合作計(jì)劃的資助,多次參加國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和教學(xué)研討會(huì)。 本科生的實(shí)驗(yàn)課包括基本實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識,由學(xué)生獨(dú)立提出、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn),要求學(xué)生自由組合為3～5人一組,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式系統(tǒng),鼓勵(lì)學(xué)生提出原創(chuàng)性的內(nèi)容,同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)提供部分備選題目,如POS機(jī)、游戲機(jī)(Game Machine)、ATM機(jī)、打印機(jī)等。學(xué)生可以根據(jù)自己的空閑情況,自由安排其實(shí)驗(yàn)時(shí)間。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的題目由教師推薦和學(xué)生自選相結(jié)合,因此既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新潛能,又達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的目的。

項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)管理過程是本課程實(shí)驗(yàn)部分的一個(gè)亮點(diǎn)。并非所有實(shí)驗(yàn)小組都能取得試驗(yàn)資格,需要根據(jù)其對選定方向所作調(diào)查和準(zhǔn)備工作的具體情況來進(jìn)行評估,合格者方可獲得實(shí)驗(yàn)資格。為便于上述評估,實(shí)驗(yàn)小組應(yīng)按順序提供下列實(shí)驗(yàn)文檔,格式符合相應(yīng)軟件工程文檔的規(guī)范。

(1) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申請書(Project Proposal)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申請書應(yīng)該是一份描述試驗(yàn)計(jì)劃的報(bào)告,說明實(shí)驗(yàn)者選擇的試驗(yàn)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(tuán)的審查。該報(bào)告中應(yīng)該包括如下組成部分:

? 實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)(Motivation for the project);

? 設(shè)計(jì)目標(biāo)(Description of what it does);

? 技術(shù)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(shí)驗(yàn)計(jì)劃

在實(shí)驗(yàn)者上述的試驗(yàn)申請獲得批準(zhǔn)后,應(yīng)該完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃書(Experiment/Project Plan)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃書應(yīng)該包括:

? 項(xiàng)目需求(Requirements);

? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Architecture);

? 測試方案(Testing);

? 實(shí)驗(yàn)時(shí)間(Time estimates);

? 可能的檢查點(diǎn)(Checkpoint)。

(3) 實(shí)驗(yàn)的仿真驗(yàn)證

因?yàn)椴⒉皇撬械膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容都可以并且需要真的完成目標(biāo)系統(tǒng)的真實(shí)功能,所以實(shí)驗(yàn)者應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的仿真驗(yàn)證,即通過在實(shí)驗(yàn)平臺上以仿真系統(tǒng)的形式來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該仿真系統(tǒng)應(yīng)該包括與目標(biāo)系統(tǒng)一一對應(yīng)的軟件和硬件,能夠完成目標(biāo)系統(tǒng)的基本功能,并最終作為本實(shí)驗(yàn)的演示系統(tǒng)。

(4) 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(The Final Report)

完成實(shí)驗(yàn)后,實(shí)驗(yàn)者應(yīng)提供關(guān)于試驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(The Final Report),該報(bào)告同樣必需通過最終的答辯,獲得評審團(tuán)的評價(jià),以便結(jié)合實(shí)際演示給出實(shí)驗(yàn)成績。具體內(nèi)容應(yīng)該包括:

? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹(Environment);

? 準(zhǔn)備情況(Preparation);

? 設(shè)計(jì)流程(Design Process);

? 難度分析和評估(Difficulty);

? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論(Conclusion);

? 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)(Experience)。

以2008年春季課程本科生第四次實(shí)驗(yàn)為例,共60名本科三年級學(xué)生參加并完成試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中分為12組,每組5人,其中11組在課程內(nèi)完成實(shí)驗(yàn),完整提交了上述所有要求的文檔,符合每個(gè)檢查點(diǎn)的要求。另有一組參加“2008年英特爾杯國際大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”,未能參加所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),但由于競賽成績突出,最終給予該小組優(yōu)秀成績。

3案例分析

2008年3月～7月,我院3506大班的沈悅雯、朱瀝可、慕騰飛3名本科三年級學(xué)生組隊(duì)參加了“2008年英特爾杯國際大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”并獲得了二等獎(jiǎng),參賽項(xiàng)目為“TransCube-基于Visual Hull算法的立體傳真機(jī)”,指導(dǎo)教師為張炯博士。該競賽由教育部高等教育司和信息產(chǎn)業(yè)部人事司共同主辦,英特爾(中國)有限公司協(xié)辦,上海市教委、上海交通大學(xué)承辦。邀請賽邀請中國大陸,香港,馬來西亞,印度及美國共72所高校,160支隊(duì)伍參加。全國專家組于2008年7月15日至21日對參賽項(xiàng)目進(jìn)行了嚴(yán)格的評審。

回顧競賽的過程,我們認(rèn)為有以下經(jīng)驗(yàn)值得參考。

(1) 充分利用“嵌入式系統(tǒng)”課程同期開設(shè)的有利條件。由于本次比賽是屬于面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的競賽,所以在理論課的講授過程中,就可以進(jìn)行有針對性的準(zhǔn)備,既能鍛煉參賽選手,也對未參賽的同學(xué)有所幫助。在實(shí)驗(yàn)課的部分,由于本課程鼓勵(lì)原創(chuàng)性設(shè)計(jì),并采用項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)管理模式,而且同樣需要進(jìn)行文檔整理和演示答辯等環(huán)節(jié),與競賽在形式和內(nèi)容上都頗有相似之處,使得參賽選手非常適應(yīng)這種鍛煉方式。

(2) 注意分析競賽要點(diǎn)從而強(qiáng)化參賽項(xiàng)目中相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)。本次競賽首先是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽,但由于競賽項(xiàng)目的硬件平臺是Intel公司提供的雙核處理器平臺,所以本次競賽與前三屆的一個(gè)重要不同在于增加了多核并行編程的得分點(diǎn)。基于這個(gè)考慮,我們在3個(gè)參賽選手中特別安排了1名同學(xué)來專門進(jìn)行這個(gè)得分點(diǎn)的分析、設(shè)計(jì)和編程。由于在本課程建設(shè)內(nèi)容中已經(jīng)包括了“多核計(jì)算架構(gòu)”等課程內(nèi)容,所以該同學(xué)已經(jīng)初步具備了相關(guān)基礎(chǔ),使得這個(gè)工作得以很好地完成。

(3) 重視項(xiàng)目的創(chuàng)新性,鼓勵(lì)參賽選手的主觀能動(dòng)性。為了競賽的創(chuàng)新性和公平性,我們在得到競賽通知后沒有任何項(xiàng)目基礎(chǔ)甚至項(xiàng)目創(chuàng)意的情況下組隊(duì),之后用了一周的時(shí)間由指導(dǎo)教師組織3名參賽選手一起進(jìn)行多次頭腦風(fēng)暴形式的討論會(huì),逐步明確了項(xiàng)目創(chuàng)意,并初步進(jìn)行了可行性分析。由于創(chuàng)意來自個(gè)人靈感和集體批判,充分體現(xiàn)了參賽選手的創(chuàng)作意愿,所以在以后的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中,雖然遇到了一些困難,大家都積極而樂觀的去克服。幾位參賽選手多次表示,由于對項(xiàng)目本身很有興趣,所以積極性很高,是否得獎(jiǎng)反而不成為關(guān)注的重點(diǎn)。圖2是參賽選手自己動(dòng)手制作“立體傳真機(jī)”的“傳送箱”。

(4) 注意與參賽過程的生態(tài)環(huán)境充分互動(dòng)。參賽過程是動(dòng)態(tài)的,有時(shí)間跨度,也有空間的轉(zhuǎn)換。給參賽選手創(chuàng)造便利的時(shí)間和空間是必要的,所以我院各個(gè)部門的大力支持非常有幫助,前者如允許他們在“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間進(jìn)行參賽項(xiàng)目的研發(fā),后者如我院特別為他們提供了專用實(shí)驗(yàn)場所。

4結(jié)束語

本次競賽參賽經(jīng)歷和“嵌入式系統(tǒng)”課程幾年來的教學(xué)實(shí)踐表明,與工業(yè)界和市場需求結(jié)合,面向?qū)嵺`的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕⑴c實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合,理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的高度統(tǒng)一,優(yōu)化了學(xué)生的知識結(jié)構(gòu),培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力,成為了在競賽中取得好成績的重要基礎(chǔ)。理想的課程建設(shè)應(yīng)該在滿足課內(nèi)授課目標(biāo)的基礎(chǔ)上,嘗試從能力鍛煉的角度以競賽等形式促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn):

[1] 牛建偉,張炯. 北京航空航天大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程建設(shè)[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2007(7):64-65.

Embedded System Designing Contest Supported Each Other with Related Curriculum

ZHANG Jiong, NIU Jian-wei

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China)

Abstract: We think embedded system designing contest has a good support effect with related curriculum and vice versa. This paper analyses a contest case to support this point and list some experience points after discussing the teaching concept, content and methodology of embedded system course of Beihang University.

Key words: contest; embedded system; curriculum; computer education