計算機工程嵌入式教育思路

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1計算機工程專業(yè)方向培養(yǎng)目標

隨著計算機領域新技術的不斷涌現,“計算機科學與技術”原有的專業(yè)設置框架被突破,逐漸形成計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息技術、信息系統(tǒng)等多個專業(yè)方向的新格局[3]。計算機工程是計算機科學與技術領域最早出現的專業(yè)方向,它是現代計算機系統(tǒng)、計算機控制設備的軟/硬件設計、制造、實施和維護的科學與技術。國際技術教育協(xié)會定義工程設計為:系統(tǒng)和創(chuàng)造性地把科學和數學原理運用于實踐。鑒于此,在《高等學校計算機科學與技術專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》中指出計算機工程專業(yè)方向的培養(yǎng)目標是:系統(tǒng)地掌握計算機科學理論、計算機軟/硬件系統(tǒng)及應用知識,基本具備領域分析問題、解決問題的能力,具備一定的工程實踐能力。因此,實踐教學顯得尤為重要。

2計算機工程專業(yè)方向嵌入式系統(tǒng)課程特點

嵌入式系統(tǒng)涉及到IT領域方方面面的新技術,它融合了計算機軟、硬件技術、通訊技術和半導體微電子技術,針對實際應用系統(tǒng)需求,將相應的計算機直接嵌入到應用系統(tǒng)中。嵌入式系統(tǒng)設計需要設計者具有較強的綜合理論知識和動手能力,是對設計者一個綜合能力、特別是創(chuàng)新能力的考查。因此,嵌入式系統(tǒng)課程應更注重培養(yǎng)學生工程實踐的能力、團隊合作的能力[2]。目前,在計算機專業(yè)之外,國內許多高校還在電子工程、自動化、軟件等專業(yè)開設了“嵌入式系統(tǒng)”相關課程。由于各專業(yè)培養(yǎng)目標、教學體系側重點不同,課程內容也不盡相同。電子工程專業(yè)主要側重于硬件基礎平臺的設計,自動化專業(yè)則側重于智能儀器、儀表的設計,軟件專業(yè)側重于嵌入式應用軟件開發(fā)。計算機工程專業(yè)方向則應從“系統(tǒng)”的角度出發(fā),更側重于軟/硬件的協(xié)同工作,將計算機系統(tǒng)“自下而上”的專業(yè)課程有機地整合起來,形成一條清晰的邏輯線,讓學生認識到計算機組成原理、微機接口技術、操作系統(tǒng)、數據庫、程序設計、計算機網絡、計算機控制等課程不再是獨立的課程,而是一個有機的“整體”。在嵌入式系統(tǒng)工程設計中,會用到操作系統(tǒng)課程中所講述的進程、線程、調度、文件系統(tǒng)的概念等;在通信中會用到微機接口課程中所講述的串行接口的概念;在數據采集中會用到計算機控制課程中講述的A/D轉換、數字濾波算法等;在一個大型應用系統(tǒng)中還會用到計算機組網技術、套接字、數據庫的概念等等。因此,計算機工程專業(yè)方向嵌入式系統(tǒng)課程內容應以實踐為主,結合前修理論課程的內容,最終完成一個實際應用系統(tǒng)的開發(fā)[3]。

3嵌入式系統(tǒng)課程內容體系的構建及特色

我學院在2004年開設“嵌入式系統(tǒng)”專業(yè)選修課的同時,將計算機工程專業(yè)方向細分成嵌入式系統(tǒng)和網絡技術兩個培養(yǎng)方向,并制定了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向培養(yǎng)計劃,設置了4門實踐性很強的專業(yè)方向課:計算機控制原理與技術(64學時)、嵌入式系統(tǒng)原理與技術(64學時)、嵌入式系統(tǒng)工程設計方法(32學時)和嵌入式系統(tǒng)課程設計(60學時)。IT領域的新技術發(fā)展之快、之多令人應接不暇,雖然大學生在校期間需要學習的都是一些基礎知識,但他們畢業(yè)走向社會后,必然要面對這些新技術,如果我們的教學內容過于陳舊,就會加長學生畢業(yè)后的適應周期;如果我們能夠提供給學生更多的接觸這些新知識、新技術的機會,就能夠縮短學生畢業(yè)后角色轉換的時間,盡快地投入到工作中。因此,在教學內容設置上應力求將最新的技術、最新的設計方法傳授給學生。為此,我們積極與國際知名企業(yè)建立合作關系,先后建立了“北京工業(yè)大學—Intel嵌入式系統(tǒng)聯(lián)合實驗室”、“微軟嵌入式系統(tǒng)認證培訓中心”和“北京工業(yè)大學—AlteraEDA/SOPC聯(lián)合實驗室”,為學生提供了一個接觸、學習新技術的環(huán)境,同時也能使我們的教學內容與這些企業(yè)的新技術基本保持同步[4-5]。“嵌入式系統(tǒng)原理與技術”涉及目前嵌入式系統(tǒng)最為流行的兩項新技術—英特爾公司的XScale技術(ARM架構)和微軟公司的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE,該課程以XScale應用處理機為硬件平臺,講述WindowsCE操作系統(tǒng)定制、優(yōu)化方法以及驅動程序、應用程序的開發(fā)手段和方法?！扒度胧较到y(tǒng)工程設計方法”則涉及了另一項新技術“IP(知識產權)復用技術”,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))設計方法和流程。上述兩門課程均是以工程設計為主的課程,在講述工程設計方法和設計流程時要涉及到開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具的使用,如果按照以往先在課堂講授,再到實驗室做實驗的教學方式,不僅會使學生感覺到枯燥無味、不易掌握,而且在實驗之前還要再花費時間復習。因此,我們借鑒美國卡內基•梅隆大學率先提出的“Learningbydoing”的教學理念,這種教學理念旨在強化工程學科的學生全面的實踐能力和工程素養(yǎng)。從2005年開始,在實驗室授課,采用教師邊講學生邊做的教學方式,使學生“從做中學”,取得到了較好的教學效果[6]。

4實踐教學安排

為了加強學生工程實踐能力的培養(yǎng),在實踐教學體系中,采用了課內實驗、課程設計和綜合性課程設計3個階段的培養(yǎng)模式,使學生全面掌握嵌入式系統(tǒng)的工程設計方法和設計流程。

4.1課內實驗

以一個實際應用系統(tǒng)開發(fā)流程為例,設計了如下實驗內容:(1)WindowsCE操作系統(tǒng)的定制:包括在硬件平臺和模擬器上定制WindowsCE操作系統(tǒng)、添加組件以及使用遠程調試工具進行調試。(2)修改WindowsCE操作系統(tǒng)映像配置文件:包括通過修改系統(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)設置。(3)硬件定制實驗:包括添加CF存儲卡、802.11無線網卡和蜂窩注冊表等硬件相關組件。(4)WindowsCE驅動程序的開發(fā):包括流接口驅動程序的開發(fā)以及在PlatformBuilder環(huán)境下開發(fā)簡單應用程序用以調用驅動程序函數。(5)WindowsCE應用程序的開發(fā):包括導出SDK開發(fā)包,在EVC開發(fā)環(huán)境下開發(fā)、調試應用程序,制作自定義組件、系統(tǒng)優(yōu)化和Shell實驗。

4.2課程設計

課程設計的任務是完成一個應用程序的開發(fā),課程設計題目每年不斷更新,學生可以根據自身掌握的程度選擇不同難度的題目,分值依據題目難易程度而定。學生也可以自擬題目,為保證題目的難度和規(guī)模能達到教學要求須經任課教師認可。題目有:在WindowsCE環(huán)境下的鬧鐘提醒程序、注冊表編輯器、串口調試程序、文本編輯器、計算器、畫圖、貪吃蛇等[4,7]。

4.3綜合性課程設計

“嵌入式系統(tǒng)課程設計”是綜合性課程設計,要求學生結合專業(yè)方向的理論課程,充分發(fā)揮自身的能動性,3~4名學生組成一個項目組,自選題目,自選平臺,完全按照工程項目管理規(guī)范嚴格檢查各階段完成情況。使學生掌握嵌入式系統(tǒng)實際工程設計的方法和流程,鞏固理論課程內容,規(guī)范工程文檔的建立,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊精神。通過答辯、演示給出成績,將題目新穎、完成情況較好的項目組推薦參加國內外相關競賽。今年正在進行中的項目有:家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)、食品安全追溯系統(tǒng)、家電語音控制系統(tǒng)等[8]。

4.4學生科技競賽

2007年1月,教育部、財政部“關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見”中,要求繼續(xù)開展大學生競賽活動,重點資助在全國具有較大影響和廣泛參與面的大學生競賽活動,激發(fā)大學生的興趣和潛能,培養(yǎng)大學生的團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新精神[4,9]。我校十分重視嵌入式系統(tǒng)學生科技競賽活動,在2006年投資近60萬元,建立了“嵌入式系統(tǒng)科技競賽訓練基地”。通過搭建一個學生參加科技競賽、訓練的基礎平臺,形成一個傳、幫、帶的梯隊、達到“以點帶面”的良性循環(huán)效果,增加了學生學習理論課程的興趣,加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。計算機學院在國、內外嵌入式系統(tǒng)相關競賽中取得了優(yōu)異的成績,在教育部、信息產業(yè)部舉辦的“全國大學生電子設計競賽———嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽(英特爾杯)”中,2004年獲得了三等獎,2008年獲得了二等獎?！?005年微軟嵌入式系統(tǒng)全球大學生挑戰(zhàn)賽”入圍全球前30名,并參加了在美國西雅圖微軟總部舉行的總決賽,獲得“優(yōu)勝獎”。在IEEE舉辦的“第六屆計算機協(xié)會國際設計大賽(CSIDC)”,進入了在美國首都華盛頓舉行的全球前10名總決賽,并獲得“優(yōu)勝獎”。在Altera公司舉辦的“Nios軟核嵌入式處理器設計大賽”中,先后獲得過優(yōu)勝獎和三等獎[10]。

5結束語

嵌入式系統(tǒng)涉及的領域越來越廣,發(fā)展速度越來越快,為了加強計算機工程專業(yè)方向學生工程實踐能力的培養(yǎng),就要求我們通過不斷地探索、實踐,完善嵌入式系統(tǒng)實踐教學體系。