計(jì)算機(jī)工程嵌入式教育思路

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1計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向培養(yǎng)目標(biāo)

隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”原有的專業(yè)設(shè)置框架被突破,逐漸形成計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程、信息技術(shù)、信息系統(tǒng)等多個(gè)專業(yè)方向的新格局[3]。計(jì)算機(jī)工程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域最早出現(xiàn)的專業(yè)方向,它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的軟/硬件設(shè)計(jì)、制造、實(shí)施和維護(hù)的科學(xué)與技術(shù)。國(guó)際技術(shù)教育協(xié)會(huì)定義工程設(shè)計(jì)為:系統(tǒng)和創(chuàng)造性地把科學(xué)和數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于實(shí)踐。鑒于此,在《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》中指出計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向的培養(yǎng)目標(biāo)是:系統(tǒng)地掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)理論、計(jì)算機(jī)軟/硬件系統(tǒng)及應(yīng)用知識(shí),基本具備領(lǐng)域分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,具備一定的工程實(shí)踐能力。因此,實(shí)踐教學(xué)顯得尤為重要。

2計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)涉及到IT領(lǐng)域方方面面的新技術(shù),它融合了計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、通訊技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù),針對(duì)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)需求,將相應(yīng)的計(jì)算機(jī)直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者具有較強(qiáng)的綜合理論知識(shí)和動(dòng)手能力,是對(duì)設(shè)計(jì)者一個(gè)綜合能力、特別是創(chuàng)新能力的考查。因此,嵌入式系統(tǒng)課程應(yīng)更注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力[2]。目前,在計(jì)算機(jī)專業(yè)之外,國(guó)內(nèi)許多高校還在電子工程、自動(dòng)化、軟件等專業(yè)開設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)”相關(guān)課程。由于各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)體系側(cè)重點(diǎn)不同,課程內(nèi)容也不盡相同。電子工程專業(yè)主要側(cè)重于硬件基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì),自動(dòng)化專業(yè)則側(cè)重于智能儀器、儀表的設(shè)計(jì),軟件專業(yè)側(cè)重于嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)。計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向則應(yīng)從“系統(tǒng)”的角度出發(fā),更側(cè)重于軟/硬件的協(xié)同工作,將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“自下而上”的專業(yè)課程有機(jī)地整合起來(lái),形成一條清晰的邏輯線,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)控制等課程不再是獨(dú)立的課程,而是一個(gè)有機(jī)的“整體”。在嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中,會(huì)用到操作系統(tǒng)課程中所講述的進(jìn)程、線程、調(diào)度、文件系統(tǒng)的概念等;在通信中會(huì)用到微機(jī)接口課程中所講述的串行接口的概念;在數(shù)據(jù)采集中會(huì)用到計(jì)算機(jī)控制課程中講述的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波算法等;在一個(gè)大型應(yīng)用系統(tǒng)中還會(huì)用到計(jì)算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)、套接字、數(shù)據(jù)庫(kù)的概念等等。因此,計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容應(yīng)以實(shí)踐為主,結(jié)合前修理論課程的內(nèi)容,最終完成一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)[3]。

3嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容體系的構(gòu)建及特色

我學(xué)院在2004年開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”專業(yè)選修課的同時(shí),將計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向細(xì)分成嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩個(gè)培養(yǎng)方向,并制定了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向培養(yǎng)計(jì)劃,設(shè)置了4門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)方向課:計(jì)算機(jī)控制原理與技術(shù)(64學(xué)時(shí))、嵌入式系統(tǒng)原理與技術(shù)(64學(xué)時(shí))、嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法(32學(xué)時(shí))和嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(60學(xué)時(shí))。IT領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展之快、之多令人應(yīng)接不暇,雖然大學(xué)生在校期間需要學(xué)習(xí)的都是一些基礎(chǔ)知識(shí),但他們畢業(yè)走向社會(huì)后,必然要面對(duì)這些新技術(shù),如果我們的教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊,就會(huì)加長(zhǎng)學(xué)生畢業(yè)后的適應(yīng)周期;如果我們能夠提供給學(xué)生更多的接觸這些新知識(shí)、新技術(shù)的機(jī)會(huì),就能夠縮短學(xué)生畢業(yè)后角色轉(zhuǎn)換的時(shí)間,盡快地投入到工作中。因此,在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)力求將最新的技術(shù)、最新的設(shè)計(jì)方法傳授給學(xué)生。為此,我們積極與國(guó)際知名企業(yè)建立合作關(guān)系,先后建立了“北京工業(yè)大學(xué)—Intel嵌入式系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”、“微軟嵌入式系統(tǒng)認(rèn)證培訓(xùn)中心”和“北京工業(yè)大學(xué)—AlteraEDA/SOPC聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”,為學(xué)生提供了一個(gè)接觸、學(xué)習(xí)新技術(shù)的環(huán)境,同時(shí)也能使我們的教學(xué)內(nèi)容與這些企業(yè)的新技術(shù)基本保持同步[4-5]。“嵌入式系統(tǒng)原理與技術(shù)”涉及目前嵌入式系統(tǒng)最為流行的兩項(xiàng)新技術(shù)—英特爾公司的XScale技術(shù)(ARM架構(gòu))和微軟公司的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE,該課程以XScale應(yīng)用處理機(jī)為硬件平臺(tái),講述WindowsCE操作系統(tǒng)定制、優(yōu)化方法以及驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的開發(fā)手段和方法?！扒度胧较到y(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法”則涉及了另一項(xiàng)新技術(shù)“IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))復(fù)用技術(shù)”,該課程以Altera公司的Nios軟核嵌入式處理器為核心,講述了SOPC(片上可編程系統(tǒng))設(shè)計(jì)方法和流程。上述兩門課程均是以工程設(shè)計(jì)為主的課程,在講述工程設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程時(shí)要涉及到開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具的使用,如果按照以往先在課堂講授,再到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式,不僅會(huì)使學(xué)生感覺(jué)到枯燥無(wú)味、不易掌握,而且在實(shí)驗(yàn)之前還要再花費(fèi)時(shí)間復(fù)習(xí)。因此,我們借鑒美國(guó)卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)率先提出的“Learningbydoing”的教學(xué)理念,這種教學(xué)理念旨在強(qiáng)化工程學(xué)科的學(xué)生全面的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。從2005年開始,在實(shí)驗(yàn)室授課,采用教師邊講學(xué)生邊做的教學(xué)方式,使學(xué)生“從做中學(xué)”,取得到了較好的教學(xué)效果[6]。

4實(shí)踐教學(xué)安排

為了加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),在實(shí)踐教學(xué)體系中,采用了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和綜合性課程設(shè)計(jì)3個(gè)階段的培養(yǎng)模式,使學(xué)生全面掌握嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程。

4.1課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程為例,設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:(1)WindowsCE操作系統(tǒng)的定制:包括在硬件平臺(tái)和模擬器上定制WindowsCE操作系統(tǒng)、添加組件以及使用遠(yuǎn)程調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試。(2)修改WindowsCE操作系統(tǒng)映像配置文件:包括通過(guò)修改系統(tǒng)映像配置文件,在操作系統(tǒng)映像中添加各類文件和修改系統(tǒng)設(shè)置。(3)硬件定制實(shí)驗(yàn):包括添加CF存儲(chǔ)卡、802.11無(wú)線網(wǎng)卡和蜂窩注冊(cè)表等硬件相關(guān)組件。(4)WindowsCE驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā):包括流接口驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)以及在PlatformBuilder環(huán)境下開發(fā)簡(jiǎn)單應(yīng)用程序用以調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)。(5)WindowsCE應(yīng)用程序的開發(fā):包括導(dǎo)出SDK開發(fā)包,在EVC開發(fā)環(huán)境下開發(fā)、調(diào)試應(yīng)用程序,制作自定義組件、系統(tǒng)優(yōu)化和Shell實(shí)驗(yàn)。

4.2課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成一個(gè)應(yīng)用程序的開發(fā),課程設(shè)計(jì)題目每年不斷更新,學(xué)生可以根據(jù)自身掌握的程度選擇不同難度的題目,分值依據(jù)題目難易程度而定。學(xué)生也可以自擬題目,為保證題目的難度和規(guī)模能達(dá)到教學(xué)要求須經(jīng)任課教師認(rèn)可。題目有:在WindowsCE環(huán)境下的鬧鐘提醒程序、注冊(cè)表編輯器、串口調(diào)試程序、文本編輯器、計(jì)算器、畫圖、貪吃蛇等[4,7]。

4.3綜合性課程設(shè)計(jì)

“嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”是綜合性課程設(shè)計(jì),要求學(xué)生結(jié)合專業(yè)方向的理論課程,充分發(fā)揮自身的能動(dòng)性,3~4名學(xué)生組成一個(gè)項(xiàng)目組,自選題目,自選平臺(tái),完全按照工程項(xiàng)目管理規(guī)范嚴(yán)格檢查各階段完成情況。使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的方法和流程,鞏固理論課程內(nèi)容,規(guī)范工程文檔的建立,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神。通過(guò)答辯、演示給出成績(jī),將題目新穎、完成情況較好的項(xiàng)目組推薦參加國(guó)內(nèi)外相關(guān)競(jìng)賽。今年正在進(jìn)行中的項(xiàng)目有:家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)、食品安全追溯系統(tǒng)、家電語(yǔ)音控制系統(tǒng)等[8]。

4.4學(xué)生科技競(jìng)賽

2007年1月,教育部、財(cái)政部“關(guān)于實(shí)施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見”中,要求繼續(xù)開展大學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng),重點(diǎn)資助在全國(guó)具有較大影響和廣泛參與面的大學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng),激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能,培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新精神[4,9]。我校十分重視嵌入式系統(tǒng)學(xué)生科技競(jìng)賽活動(dòng),在2006年投資近60萬(wàn)元,建立了“嵌入式系統(tǒng)科技競(jìng)賽訓(xùn)練基地”。通過(guò)搭建一個(gè)學(xué)生參加科技競(jìng)賽、訓(xùn)練的基礎(chǔ)平臺(tái),形成一個(gè)傳、幫、帶的梯隊(duì)、達(dá)到“以點(diǎn)帶面”的良性循環(huán)效果,增加了學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的興趣,加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。計(jì)算機(jī)學(xué)院在國(guó)、內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)相關(guān)競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī),在教育部、信息產(chǎn)業(yè)部舉辦的“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽———嵌入式系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽(英特爾杯)”中,2004年獲得了三等獎(jiǎng),2008年獲得了二等獎(jiǎng)?！?005年微軟嵌入式系統(tǒng)全球大學(xué)生挑戰(zhàn)賽”入圍全球前30名,并參加了在美國(guó)西雅圖微軟總部舉行的總決賽,獲得“優(yōu)勝獎(jiǎng)”。在IEEE舉辦的“第六屆計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)國(guó)際設(shè)計(jì)大賽(CSIDC)”,進(jìn)入了在美國(guó)首都華盛頓舉行的全球前10名總決賽,并獲得“優(yōu)勝獎(jiǎng)”。在Altera公司舉辦的“Nios軟核嵌入式處理器設(shè)計(jì)大賽”中,先后獲得過(guò)優(yōu)勝獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)[10]。

5結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣,發(fā)展速度越來(lái)越快,為了加強(qiáng)計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向?qū)W生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),就要求我們通過(guò)不斷地探索、實(shí)踐,完善嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系。