摘要：嵌入式計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方向，“嵌入式系統(tǒng)”課程也成為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要課程。為了更好地適應(yīng)新時(shí)代的變革，滿足卓越工程師培養(yǎng)的需要，文章重點(diǎn)闡述“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)方法改革，以多年來從事“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)體會(huì)，與同行廣泛交流，共享經(jīng)驗(yàn)、共同促進(jìn)、共同提高。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；案例教學(xué)；啟發(fā)教學(xué)；層次教學(xué)；多元化考核
　　
　　作者簡介：王蘇峰，男，副教授，研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算。
　　
　　“嵌入式系統(tǒng)”課程是我院計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課程，它著重培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理解，使學(xué)生具備簡單嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力，是培養(yǎng)卓越工程師的核心課程。多年來，在院系室三級組織的高度重視和大力支持下，在課程組老師堅(jiān)持不懈努力下，本課程日趨成熟，形成了一個(gè)教學(xué)內(nèi)容豐富、教學(xué)方法合理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)體系逐步完善的教學(xué)環(huán)境。同時(shí)，課程組老師同步完成了《嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》教材的撰寫工作，該教材于2007年11月在高等教育出版社正式出版，并列入國家“十一五”規(guī)劃教材。
　　2008年以來，課程組老師進(jìn)一步完善教學(xué)大綱、課程標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，添置了更多實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建立了更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在上級組織的關(guān)懷下，課程組師資力量也明顯加強(qiáng)，形成了職稱、學(xué)歷、年齡、學(xué)緣結(jié)構(gòu)科學(xué)合理的教師梯隊(duì)。授課之余，課程組老師經(jīng)常進(jìn)行教學(xué)研討，不斷進(jìn)行教學(xué)方法和教學(xué)手段改革，采用理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐、科研和教學(xué)結(jié)合、設(shè)計(jì)競賽等相結(jié)合的立體化教學(xué)模式，教學(xué)手段全面現(xiàn)代化，強(qiáng)化多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，逐步提升教學(xué)效果。經(jīng)過多年的教學(xué)改革與實(shí)踐探索，“嵌入式系統(tǒng)”課程日臻完善，并取得了一定的成績。2009年，“嵌入式系統(tǒng)”被評為“教育部-英特爾精品課程”，2010年，“嵌入式系統(tǒng)”被評為國家精品課程。
　　為了更好地建設(shè)好“嵌入式系統(tǒng)”國家精品課
　　
　　程[1]，滿足卓越工程師培養(yǎng)的迫切需要，課程組老師不斷探索，進(jìn)行教學(xué)方法改革。
　　1以科研促教學(xué)，相輔相成
　　在眾多973項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及其他科研項(xiàng)目的強(qiáng)力支持下，課程組老師通過不斷積累，具有了深厚的科研工作基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也吸取了豐富的營養(yǎng)元素，開闊了視野，為教學(xué)工作進(jìn)一步提升打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。反過來，科研支持的教學(xué)又為科學(xué)研究提供了大量的新鮮血液，夯實(shí)了科研工作的基礎(chǔ)平臺(tái)。教學(xué)服務(wù)科研、科研反哺教學(xué)，課程組老師受益匪淺，做到了教研相長、相輔相成。
　　由于有眾多科研項(xiàng)目作為后盾，在教學(xué)活動(dòng)中，課程組老師選擇了一些典型的來源于科研項(xiàng)目的案例，并按照項(xiàng)目推進(jìn)過程傳授給學(xué)生。例如，通過詳細(xì)剖析GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的來龍去脈[4]，來解釋嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)過程，讓學(xué)生體會(huì)方案設(shè)計(jì)的重要性；通過數(shù)字中短波收音機(jī)[7]以及雷達(dá)自動(dòng)伺服系統(tǒng)來解釋嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇以及設(shè)計(jì)過程；通過對“騰越-I”嵌入式處理器的講解，讓學(xué)生對嵌入式處理器與通用處理器的異同有了更深入的理解。在案例的教學(xué)過程中，課程組老師根據(jù)自己科研工作的體會(huì)，要求學(xué)生要特別重視項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本思路、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過程、面臨的問題以及解決問題辦法，等等。
　　
　　圖1是實(shí)際案例數(shù)字中短波收音機(jī)的信道解調(diào)模塊的功能框圖。在課程講授中，通過對數(shù)字中短波收音機(jī)的信道解調(diào)模塊的深入分析，可以讓學(xué)生深刻地領(lǐng)會(huì)一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)及測試的全過程。通過實(shí)例也很容易使學(xué)生明白嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)器以及I/O接口選擇中受制的因素，避免了在傳統(tǒng)教學(xué)中，老師只能講授選擇的原則，學(xué)生聽完后還是一頭霧水，不明所以。
　　實(shí)時(shí)性對各類嵌入式系統(tǒng)的作用不言而喻，但實(shí)時(shí)性分析始終是學(xué)生學(xué)習(xí)中難以逾越的鴻溝。為了讓學(xué)生充分理解嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，通過實(shí)際案例講授，可以在系統(tǒng)分析階段，通過算法來估算每一個(gè)模塊的計(jì)算量，作簡略實(shí)時(shí)性分析；在系統(tǒng)測試階段，通過大量的測試獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以圖表形式分析實(shí)際系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，這些分析工作可以明顯提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析的理解。如圖2所示(圖2中左圖為系統(tǒng)總實(shí)時(shí)性測試，右圖為其中一個(gè)模塊實(shí)時(shí)性測試)。
　　
　　圖1數(shù)字中短波收音機(jī)信道解調(diào)模塊
　　
　　圖2實(shí)時(shí)性測試
　　
　　2以學(xué)生為主體，循循善誘
　　研討式教學(xué)突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。為了發(fā)揮研討式教學(xué)的優(yōu)勢，課程組老師在授課過程中，有意針對典型問題展開課堂討論，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)爭鳴，誘導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)以及互相評價(jià)，以提高學(xué)生思考問題的積極性。如圖3所示。
　　
　　圖3研討式教學(xué)
　　以嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析為例[4]：針對5種典型實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)[5]的實(shí)時(shí)性、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域展開討論(這些內(nèi)容在前導(dǎo)課程已經(jīng)接觸過，比較容易引起共鳴)。以系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析為主線，按照技術(shù)發(fā)展的來龍去脈，首先針對基于查詢方式的實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)展開討論，以學(xué)生為主體來討論實(shí)時(shí)性、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域；針對前一種實(shí)時(shí)編程的問題(對事件響應(yīng)不能實(shí)時(shí)，容易丟棄異步事件，所有任務(wù)具有相同優(yōu)先級別等[5])適時(shí)引入基于中斷方式的實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生分析它解決了什么問題(具有什么優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域)，又引入了什么新問題(容易漏掉低優(yōu)先級的異步事件、容易導(dǎo)致棧溢出致使堆棧不可預(yù)測、調(diào)用不可重入型函數(shù)時(shí)要滿足互斥條件等[5])；針對新問題接著引入基于前后臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生分析它解決了什么問題(具有什么優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域)，又引入了什么新問題(任務(wù)實(shí)時(shí)性、可靠性難以滿足要求[5])；針對新問題接著引入基于非搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生分析它解決了什么問題(具有什么優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域)，又引入了什么新問題(如果最長任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不能確定，系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間就不能確定[5])；針對新問題接著引入基于搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)編程結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生分析它解決了什么問題(具有什么優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域)，又引入了什么新問題(優(yōu)先級倒置、調(diào)用不可重入型函數(shù)時(shí)要滿足互斥條件[5])。
　　
　　啟發(fā)式課堂討論形式可以有效提高學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)的積極性，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，讓學(xué)生再一次印證“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題”的重要性。
　　3分層次教學(xué)，滾動(dòng)推進(jìn)
　　本課程的培養(yǎng)方案積極貫徹了學(xué)院倡導(dǎo)的系列課程建設(shè)思路——本碩打通、通盤考慮、剔除冗余、精益求精，所以，我們在課程教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了分級教學(xué)，設(shè)置了高低兩個(gè)層次內(nèi)容：基礎(chǔ)部分和高級部分。學(xué)生可根據(jù)自己的基礎(chǔ)、能力、研究方向以及興趣愛好選擇不同層次的教學(xué)內(nèi)容以及配套實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以體現(xiàn)教學(xué)的層次性，并滿足各類人員的需求。
　　在2009培養(yǎng)方案中，我們新增加了選修課程“高性能嵌入式計(jì)算”[6]，滿足相控陣?yán)走_(dá)、合成孔徑雷達(dá)、天基紅外預(yù)警、深空探測等對計(jì)算能力有較高需求的嵌入式計(jì)算領(lǐng)域。本課程主要面向?qū)I(yè)領(lǐng)域問題，完成從問題空間到算法空間再到實(shí)現(xiàn)空間的映射，而且重點(diǎn)是在體積、重量、功耗的嚴(yán)格約束下，依托于ASIC(專用集成電路)、FPGA(可編程門陣列)、DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)、其他COTS(商用處理器)以及并行計(jì)算技術(shù)，如何構(gòu)建一個(gè)高性能嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。如圖4所示[7-8]。
　　
　　
　　圖4分層次課程教學(xué)
　　
　　實(shí)踐教學(xué)部分也分為三個(gè)層次[7]，按照高中低搭配的原則進(jìn)行設(shè)置。低層次實(shí)踐是課內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，屬于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)內(nèi)容相配套，主要是讓學(xué)生掌握課內(nèi)重要知識(shí)點(diǎn)；中層次實(shí)踐是課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)單獨(dú)開課，多元考核，主要是考察學(xué)生進(jìn)行綜合性嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力；高層次實(shí)踐是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，要求做一個(gè)帶有創(chuàng)意的嵌入式系統(tǒng)綜合項(xiàng)目，組團(tuán)按需競爭申請，配套有專門支持經(jīng)費(fèi)及指導(dǎo)教師，節(jié)點(diǎn)匯報(bào)、檢查，結(jié)題答辯、驗(yàn)收，并進(jìn)行成果展示對比，主要是培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)組織、管理和協(xié)調(diào)能力，倡導(dǎo)學(xué)生敢于嘗試、敢于冒險(xiǎn)、敢于競爭的創(chuàng)新精神。三個(gè)層次之間循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣。如圖5所示[7]。
　　
　　圖5分層次實(shí)踐教學(xué)
　　4多元化考核，強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)
　　課程與課程設(shè)計(jì)分開考核。課程考核由三部分組成：筆試占70%，實(shí)驗(yàn)占20%，課堂提問、專題報(bào)告以及作業(yè)占10%。筆試考核屬于基礎(chǔ)知識(shí)考核，有選擇、填空、簡答及分析題。實(shí)驗(yàn)考核方式為：對于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)當(dāng)場提問驗(yàn)收；對于綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生分組進(jìn)行講解，把問題、思路、結(jié)果講清楚并進(jìn)行適當(dāng)演示；在實(shí)驗(yàn)考核中體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等每一個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。專題報(bào)告是要求學(xué)生分組作報(bào)告，大部分報(bào)告是近幾年來的前沿論文，它可以讓學(xué)生既了解學(xué)科發(fā)展的前沿，又開闊視野。圖6是課程考核的成績構(gòu)成詳單(不包括課程設(shè)計(jì))。
　　課程設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告3
　　
　　個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收結(jié)合實(shí)驗(yàn)基本要求和高級要求進(jìn)行，主要驗(yàn)收內(nèi)容有：實(shí)驗(yàn)板子裝焊正確、硬軟件運(yùn)行正確、操作熟練程度以及現(xiàn)場提問構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)器材、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，問題與建議。
　　
　　圖6課程考核成績
　　5結(jié)語
　　課程組老師在教學(xué)方法上不斷地探索、不斷地變革，使教學(xué)方法多種多樣，特色突出，緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生對本課程非常重視，表現(xiàn)出濃厚的興趣，除認(rèn)真聽課、閱讀教材和完成作業(yè)外，積極參與課程實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)開展自主研究，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一些簡單的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，有助于培養(yǎng)在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的能力，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 尚利宏. 北京航空航天大學(xué)“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”精品課程建設(shè)[J]. 計(jì)算