冼 進， 賈德良， 畢 盛

（華南理工大學計算機科學與工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性強、技術發(fā)展十分迅速的前沿性、交叉性學科，其理論和實踐性都很強。嵌入式系統(tǒng)的應用十分廣泛，包括制造工業(yè)、過程控制、網絡、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面，“嵌入式系統(tǒng)”課程已成為計算機專業(yè)中一門十分重要的硬件技術基礎課［1-2］。

然而，目前許多高校的“嵌入式系統(tǒng)”課程由于種種原因，仍舊是定位為“匯編語言”和單片機開發(fā)的層面上，因而國內教材內容普遍存在著“理論脫離實際”的狀況，微處理器領域的很多最新技術不能及時引入大學的課堂教學中;在實驗教學方面仍然停留在一些早期8051單片機實驗平臺上，用分離元件和插線方式進行拼裝搭接，只能完成簡單單片機的開發(fā)驗證性實驗，與工業(yè)界的實際情況尚有較大的差距，使學生無法從這樣的“設計”過程中了解現代實用嵌入式系統(tǒng)設計技術，進而對于硬件技術的學習和應用研究望而生畏，提不起興趣。為此，本文提出以校企合作，制定以嵌入式系統(tǒng)實驗為基礎，應用嵌入式系統(tǒng)領域最新的AVR XMEGA和AVR32體系結構微處理器產品來改革“嵌入式系統(tǒng)設計”課程教學，以適應當前國內外業(yè)界研究開發(fā)趨勢［3-4］。

1 校企聯(lián)合辦學基礎

1.1 師資力量宏厚

（1）教學方面。學院擁有多位具有豐富計算機硬件課程教學和實踐經驗教師，執(zhí)教過不同層次的學生，對學生各部分知識的學習情況有全面的了解，對該課程的教學特點和多種教學方法均有深刻的體會，在多年的科研過程中積累了豐富的硬件開發(fā)經驗，不僅能為本課程的課程改革和實驗項目設計提供強有力的支持，而且能在教學活動中如何理論緊密聯(lián)系實際，形成一套有針對性、實用性強的教學體系。

（2）實驗實踐方面。主要骨干教師和部分實驗人員都具有多年的數字邏輯、嵌入式系統(tǒng)和智能機器人等計算機硬件課程教學經歷，輔導過多屆學生的計算機硬件實驗和課程設計，積累了豐富的實驗和課程設計指導經驗，是一支開展嵌入式系統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)教學改革與創(chuàng)新不可或缺的管理與技術兼顧的隊伍［5-6］。

1.2 具有豐富的聯(lián)合辦學經驗與較充分的條件

學院計算機教學實驗中心的硬件實驗室擁有多套單片機、微處理器及FPGA實驗設備和多種測試儀器，可以為嵌入式系統(tǒng)的實驗項目設計提供參考和測試環(huán)境。學院已與Intel、Google公司、騰訊公司、神州數碼網絡等國內外大型IT企業(yè)共建聯(lián)合實驗室，在校企產學研合作方面有一定的經驗可供借鑒［7］。

愛特梅爾（Atmel）公司已經在國內26所大學簽約共建校企聯(lián)合實驗室，包括清華大學、上海交通大學、中山大學等等“985”高等學校，在大學產學研合作方面有成功的經驗。

1.3 合作教育實施方案

1.3.1 校企聯(lián)合教學的實施途徑

校企產學研合作教育的核心主要以計算機學院與合作單位Atmel公司共同承擔校企聯(lián)合實驗室為基礎，在這一基礎上展開全方位的合作：學校和合作單位Atmel公司都指派具有豐富經驗的教師和高級工程師作為教員，共同制定教學、科研和實習計劃，編寫有關教學方案，共同實施教學實踐［8］。具體實施方案如下：

（1）改大綱、編講義。首先，學校教師和合作單位Atmel公司的高級工程師組成的課題組對“嵌入式系統(tǒng)”課程的大綱進行修改，突出知識的應用性，對在實踐中應用范圍廣的知識點加以強化，并安排相應的實驗教學環(huán)節(jié);其次，將學生在工作中可能會遇到的各種嵌入式系統(tǒng)設計實例作為生動的個案，使授課內容更豐富多彩，理論教材更完善;最后，將原來呆板的書面考核改為由學生自己創(chuàng)建實際系統(tǒng)進行演示與答辯。死記硬背的學生再也拿不到高分，而實踐和創(chuàng)新能力強的學生則可一展身手［9］。

（2）引進研究生培養(yǎng)方式，實行聯(lián)合實驗室“導師制”。計算機學院與合作方Atmel公司共同選派優(yōu)秀的專業(yè)教師和具有豐富實際工作經驗的高級工程師擔任導師工作。導師在聯(lián)合實驗室中不僅具有管理職能，而且還將給予學生積極的、畫龍點睛的專業(yè)指導，加深學生所學知識，提高學生分析與解決實際問題能力。

（3）聯(lián)系實際，提高學生就業(yè)競爭力。將聯(lián)合實驗室建設與畢業(yè)設計、就業(yè)單位需求緊密結合，使學生通過參加聯(lián)合實驗室的課程教學和實驗實踐，提高學生嵌入式系統(tǒng)理論與應用能力和市場競爭力。

1.3.2 校企聯(lián)合辦學組織管理措施

學院的主要職責是提供校企聯(lián)合實驗室的場地和負責實驗室的日常維護工作，并派出具有豐富教學經驗的教師完成實驗室配套的“嵌入式系統(tǒng)”課程理論資源和實驗教學改革措施。

Atmel公司提供校企聯(lián)合實驗室的基礎硬件設備（主要是微處理器開發(fā)板），配套的開發(fā)軟件及相關文檔資料，并派出有豐富工作經驗的工程師協(xié)助教師撰寫教學講義、多媒體課件，結合工業(yè)界的實際需求設計聯(lián)合實驗室的實踐環(huán)節(jié)。

由學院主管教學領導牽頭;由學校相關教師和企業(yè)工程師混編組成團隊，主要負責對學生在聯(lián)合實驗室內的教學和實驗環(huán)節(jié)進行日常指導工作。對聯(lián)合實驗室在人才培養(yǎng)和工程技術開發(fā)方面的產學研合作進行組織研討和策劃［10］。

2 教學方法的革新

2.1 借鑒先進科技成果，探討“嵌入式系統(tǒng)”課程教學改革

積極參考國際主流廠商的微處理器體系結構，將課程設計與國際接軌。經過長時期的考察分析，選擇美國 Atmel公司（Atmel Corp）的 AVR XMEGA和AVR32微處理器體系結構作為主要分析對象;同時，將國內嵌入式系統(tǒng)專業(yè)的一流大學，如北京航空航天大學、華東師范大學等的課程設計方案作為課程設計的參考。擬以經典的AVR（8位）和AVR32（32位）架構為主要學習案例，由淺入深地對微處理器構造以及工作原理進行深入分析和講述，撰寫實驗室配套講義教材，并結合多媒體技術開發(fā)新的教學課件，作為教學輔助手段［11-12］。

2.2 探索“課堂教學+自我調研”教學方法的運用

在課堂教學中，主要解決基本的概念和理論。比如：通過學習了解精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）和復雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）的體系結構特點和區(qū)別;掌握AVR處理器的設計原則和指令寄存器組的設置等等內容［13］。在自我調研的階段，則要求在老師的引導下，學生通過互聯(lián)網自行搜集和整理當前微處理器在某個子領域最新的發(fā)展動向和最新產品的性能情況，并根據所學理論，進行橫向和縱向比較，最后形成調研論文，并且以平時成績的形式進行考核。

2.3 探索校企聯(lián)合實驗配套的實驗教學改革

以Atmel公司的AVR開發(fā)板及配套輔助設計軟件工具為基礎，擬將“嵌入式系統(tǒng)”課程的實驗教學體系分成一組相互關聯(lián)和相互作用的實驗活動，設計一批實用性強的實驗項目：

（1）硬件設計實驗項目。要求學生能夠運用Protel電路圖工具自行焊接和設計AVR最小系統(tǒng)，實驗設計完成的硬件系統(tǒng)可以直接為后續(xù)實驗所用。

（2）軟件設計實驗項目。要求學生能夠運用C語言，實現具有多任務/多進程管理的簡單嵌入式操作系統(tǒng)（OS）。同時，在嵌入式OS上設計一些入門和測試程序，并且將嵌入式OS和測試程序代碼寫入AVR開發(fā)板，進行實際測試和驗證。入門程序選擇看似乎簡單，其實是“麻雀雖小、五臟俱全”。入門程序選擇的精簡直觀，對于激發(fā)學生興趣十分重要。

（3）利用AVR開發(fā)板。學習一些常用的輸入輸出設備接口和網絡通信接口驅動程序設計方法。如：總線、鍵盤、鼠標、USB口，以太網、無線傳感網等等，擴展前面設計的計算機人機和通訊接口。

強調各門實驗項目內容前后相繼，每一個實驗項目就是一個過程，一個過程的輸出會直接成為下一個過程的輸入，各門實驗項目與課堂教學內容緊密結合并前后相連貫。在學生完成課程體系學習并完成相應實驗后，能掌握嵌入式系統(tǒng)設計的原理和方法，具有熟練應用相關軟硬件工具的技能。

2.4 面向理論，兼顧應用

嵌入式系統(tǒng)學習與實際的AVR、AVR32等架構知識相輔相成，理論與實際相結合。通過AVR、AVR32等架構和嵌入式操作系統(tǒng)的具體案例學習，使學生更好地理解和掌握嵌入式系統(tǒng)設計原理;與此同時，嵌入式系統(tǒng)原理性知識的學習反過來又能促進學生對AVR、AVR32等架構以及嵌入式操作系統(tǒng)的掌握，兩者相輔相成。進而將嵌入式系統(tǒng)硬件設計與軟件設計綜合到一起，強化學生從系統(tǒng)角度分析問題和綜合運用能力的培養(yǎng)，形成對嵌入式系統(tǒng)的整體性把握，符合計算機學科本科生“面向理論，兼顧應用”的培養(yǎng)目標［14］。

2.5 提出新的教學實踐模式

提出“從理論到實踐，從科研到教學，從課內到課外”三個層面的教學實踐模式。

（1）從理論到實踐。在嵌入式課程設計中既包含一定學時的理論知識教學與討論，也有配套的創(chuàng)新性實驗實踐活動。提倡理論與實踐并重，讓學生的創(chuàng)新性實踐活動建立在可行的理論基礎之上。

（2）從科研到教學。把國內、外優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)教材和當前工業(yè)界先進的嵌入式設計技術融入到嵌入式課程實踐中。比如不斷引導學生從一個簡單的測試程序，漸漸發(fā)展為多任務、多進程的程序設計，讓學生學會將嵌入式操作系統(tǒng)用到自己的設計中;又比如將USB總線、以太網和無線傳感網的驅動協(xié)議堆棧開發(fā)引入到本課程的課程設計中，引導學生去思考如何做好微處理器之間的接口及通信;再比如將人機界面、接近傳感觸摸等人機界面互動的科研成果也引入到課程設計中，引導學生去探索更貼近實際應用的人機接口技術。

（3）從課內到課外結合。主動將課堂引申到課外，通過“課堂教學+自我調研”的拓展，一方面鍛煉學生自己動手查找最新科技資料的能力;另一方面老師也通過將自己的調研所得與學生進行分享，彌補了課堂教學在內容上的不足;同時還能增強學生對知識點的深入理解，提高學生的學習興趣，可謂一舉多得。學生的學習不僅僅局限于課堂，知識的獲取途徑增加了，知識的寬度和深度也增加了，學習質量和效果也就相應提高了。

2.6 以工程項目為核心進行實踐教學

借鑒IT行業(yè)的項目開發(fā)設計模式，利用項目開發(fā)的方法進行課程設計管理，充分調動學生的積極性和主動性，培養(yǎng)他們自主創(chuàng)新的思想，大膽動手實踐，綜合運用知識的駕馭能力，注重團隊合作精神，對嵌入式新技術的敏銳洞察和探索興趣［15］。

3 要達到的效果

3.1 充分利用校企聯(lián)合實驗室

在嵌入式系統(tǒng)課程教學中針對不同層次學生提出一套行之有效的教學方法，設計一批實用性強的實驗項目，針對目前學生動手實踐機會不足，對課程知識理解不夠充分的問題，充分利用校企聯(lián)合實驗室的基礎設施資源進行AVR嵌入式系統(tǒng)設計，促進學生進一步加強課程知識的綜合應用與動手實踐能力，使學習與工程實際相結合，與國內外工業(yè)界的嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)實踐接軌。

3.2 培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力

嵌入式系統(tǒng)設計技能是一個合格的計算機專業(yè)學生本應具備的基本知識。從自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的角度看，軟件設計人員只須擁有邏輯上的單向思維能力就能保證軟件設計的成功，即過量單純的軟件設計，不斷強化設計者純邏輯性思維和收斂性思維。這顯然與培養(yǎng)植基于多維多向的發(fā)散性思維方式和非邏輯思維方式的創(chuàng)造能力是相違背的［16］。

嵌入式系統(tǒng)設計則不同：首先，嵌入式系統(tǒng)的構建是一個軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)設計本身包含了軟件設計內容;其次，嵌入式系統(tǒng)可以有許多相關或互為獨立的模塊組成，相關模塊的關系可以是同步，也可以是異步。設計和掌握嵌入式系統(tǒng)必須擁有并發(fā)和多維的思想方法［17］。因此，嵌入式系統(tǒng)設計訓練十分有利于啟蒙學生的發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

4 結語

充分利用學校與企業(yè)等多種不同的教育環(huán)境和教育資源以及在人才培養(yǎng)方面的各自優(yōu)勢，把以課堂傳授間接知識為主的學校教育與直接獲取實際經驗、提高能力為主的生產、科研實踐有機結合于學生的培養(yǎng)過程之中。探索出一套針對不同層次學生的“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學方法，設計一批具有實用性和創(chuàng)新性的實驗項目，并撰寫一本《基于AVR/AVR32的嵌入式系統(tǒng)設計》教學講義。在此基礎上，有望提高該課程乃至其它計算機硬件課程的教學效果，培養(yǎng)出更多具有較強動手能力和創(chuàng)新能力的學生。

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