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)

近年來(lái)，我國(guó)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展十分迅猛，中國(guó)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)估計(jì)每年將直接創(chuàng)造千億元的效益，所帶動(dòng)的相關(guān)工業(yè)產(chǎn)值超過(guò)萬(wàn)億元，成為中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)。與巨大的市場(chǎng)潛力和產(chǎn)業(yè)需求相比，我國(guó)嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)相對(duì)落后，并進(jìn)而影響到了該產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在這種背景下，許多高校的計(jì)算機(jī)、電子、軟件等專業(yè)針對(duì)市場(chǎng)需求，開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。在IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)和ACM共同制定的2004版計(jì)算機(jī)類課程體系中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被列為核心課程之一。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院于2002學(xué)年開始開設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程，下面對(duì)該課程的建設(shè)情況作簡(jiǎn)單介紹。

1 課程基本情況

該課程是面向計(jì)算機(jī)學(xué)院高年級(jí)本科生（或研究生）開設(shè)的專業(yè)課，是一門以計(jì)算機(jī)各種專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用為主要特色的課程，其指導(dǎo)思想是培養(yǎng)學(xué)生從“整體”的角度認(rèn)識(shí)、研究和解決嵌入式計(jì)算工程問(wèn)題的方法和能力，為學(xué)生在嵌入式計(jì)算工程領(lǐng)域研究和開發(fā)奠定相關(guān)基礎(chǔ)。課程采用理論知識(shí)傳輸與工程能力培養(yǎng)并重的教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容盡量反映該領(lǐng)域內(nèi)最新的理論和技術(shù)成果，使學(xué)生了解該學(xué)科最新的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)和方向，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求的專業(yè)化技術(shù)人才。

該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本概念和原理，使學(xué)生能夠掌握和使用最新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和典型開發(fā)工具。課程在教學(xué)內(nèi)容安排上遵循“面向市場(chǎng)需求、定位人才培養(yǎng)”的原則，強(qiáng)調(diào)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層次專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)性與實(shí)際工程設(shè)計(jì)思想和架構(gòu)的前沿性相結(jié)合，重視將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自底向上的各種專業(yè)課程內(nèi)容的有機(jī)整合，使得諸如操作系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)、接口與通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等孤立的課程呈現(xiàn)相互配合的應(yīng)用場(chǎng)景，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和掌握上述課程的基本概念和基本規(guī)律在實(shí)際的綜合系統(tǒng)應(yīng)用中的作用和影響。在課件設(shè)計(jì)上，采取統(tǒng)一的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，涵蓋“基礎(chǔ)知識(shí)+ 基本技能+ 技術(shù)講座+ 項(xiàng)目實(shí)踐”四大模塊，突出注重工程能力培養(yǎng)的特色。通過(guò)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)能夠熟悉一種典型的微處理器體系結(jié)構(gòu)，掌握一套主流的開發(fā)工具和一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟練使用一門開發(fā)語(yǔ)言，使學(xué)生具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)設(shè)計(jì)的基本能力。

目前該課程為48學(xué)時(shí)，其中理論授課24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)。該課程的理論教學(xué)內(nèi)容包括：（1）嵌入式系統(tǒng)概述；（2）嵌入式硬件基礎(chǔ)；（3）嵌入式操作系統(tǒng)；（4）嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模；（5）嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析；（6）專用接口和硬件加速器；（7）分布嵌入式系統(tǒng)；（8）高可靠性嵌入式系統(tǒng)等擴(kuò)展內(nèi)容。課程的實(shí)驗(yàn)包括了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是一些預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)讓學(xué)生的實(shí)際操作，能夠加深對(duì)課程所講授的基本原理、技術(shù)和方法等知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)，能夠讓學(xué)生掌握一些具體的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境，主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植和裁減、驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)及對(duì)開發(fā)工具鏈的使用。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生面向某綜合應(yīng)用（指定或者自主提出）而進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼和調(diào)試并給出完整的解決方案。

課程的考核由三部分組成：理論課作業(yè)和小測(cè)驗(yàn)20%，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)40%，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)40%。

經(jīng)過(guò)四年的建設(shè)，該課程的已整理編寫完成配套的教案、講義和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，形成了一整套課程指導(dǎo)和考核體系，建立了以相關(guān)學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人為課程負(fù)責(zé)人，以博士中青年教師為教學(xué)骨干，以博士青年教師和博士生為教輔人員的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。幾年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐表明，該課程的教學(xué)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)高度統(tǒng)一，有力地促進(jìn)了學(xué)生的工程能力提高。在學(xué)生的作品中創(chuàng)新成為主題，學(xué)生在國(guó)內(nèi)外各種嵌入式方面的競(jìng)賽中屢創(chuàng)佳績(jī)，也從另外一個(gè)側(cè)面印證了良好的教學(xué)效果。

2 精品課程創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本碩一體化設(shè)置。

課程強(qiáng)調(diào)研究生與本科生學(xué)習(xí)內(nèi)容的連貫性、層次性，從理論課到實(shí)驗(yàn)課都設(shè)置了基本、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)層次的內(nèi)容，學(xué)生可根據(jù)自己的基礎(chǔ)選聽（或選做）具有不同加權(quán)值的內(nèi)容（或?qū)嶒?yàn)）。突出體現(xiàn)了學(xué)院本、碩一體化的課程建設(shè)思路。

（2）兼顧理論，重在實(shí)踐。

作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，本課程在不斷更新最新的國(guó)內(nèi)外理論知識(shí)的同時(shí)，非常重視加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一、課程理論授課部分，每一章都有設(shè)計(jì)實(shí)例，這些設(shè)計(jì)實(shí)例大部分來(lái)自教師實(shí)際的科研或工程項(xiàng)目，并且隨著科研工作的變化而動(dòng)態(tài)更新，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。二、課程設(shè)計(jì)了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)也占到了整個(gè)課程的一半時(shí)間，實(shí)驗(yàn)課本身加強(qiáng)了指導(dǎo)力度，由骨干教師加多名具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的助教組成的指導(dǎo)隊(duì)伍，負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間從理論到具體操作的各個(gè)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)工作。

（3）緊密結(jié)合企業(yè)核心技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和前沿性。

課程內(nèi)容的設(shè)置與動(dòng)態(tài)調(diào)整，都是在充分分析當(dāng)前國(guó)際上有影響的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)最新的核心技術(shù)、充分考慮嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)技術(shù)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，課程內(nèi)容較大程度地體現(xiàn)了嵌入式領(lǐng)域的熱點(diǎn)，是企業(yè)界普遍關(guān)心的核心技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，有利于培養(yǎng)出業(yè)界需要的人才。課程前沿性則表現(xiàn)在：一、課程的主講教師是從事嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)一線的科研人員，能夠及時(shí)地根據(jù)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向調(diào)整教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，及時(shí)地將最新的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念引入到課程中。二、及時(shí)地對(duì)國(guó)際上一些著名大學(xué)（目前我們主要選擇的是卡耐基·梅隆和普林斯頓大學(xué)）的相關(guān)課程的開設(shè)情況進(jìn)行跟蹤分析，對(duì)我們的課程安排適時(shí)調(diào)整。

（4）注重創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)。

嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與產(chǎn)品和市場(chǎng)有著緊密的聯(lián)系，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性直接決定了產(chǎn)品的創(chuàng)新性，加強(qiáng)未來(lái)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，是本課程重點(diǎn)之一。具體體現(xiàn)在：一、課程只對(duì)基本原理和方法介紹，對(duì)一些具體技術(shù)和環(huán)境則通過(guò)課外參考資料和網(wǎng)上第二課堂提供給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣有選擇地對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究；二、注意培養(yǎng)學(xué)生批判性思維方式，在實(shí)例分析中，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)例所采用的技術(shù)和方案進(jìn)行不同角度的評(píng)價(jià)，變被動(dòng)灌輸為主動(dòng)思考；三、加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)性及開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極提出原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)內(nèi)容，創(chuàng)新性是綜合性實(shí)驗(yàn)的考核標(biāo)準(zhǔn)之一。

（5）形式多樣的教學(xué)模式

我們采用“責(zé)任教授＋主講教師+ 實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)教師”的教師團(tuán)隊(duì)，采用“講授+分析+案例+演示+大型作業(yè)+實(shí)驗(yàn)+查閱資料及撰寫綜述報(bào)告+小課題”的教學(xué)模式，改善了這類綜合性課程“難教”、“難學(xué)”的狀況。

講授：對(duì)于基本概念和基本原理方面的內(nèi)容，采用以傳統(tǒng)的講授法為主，力求講清概念內(nèi)含和外延、基本原理的思路，實(shí)質(zhì)意義以及適用范圍等內(nèi)容；

分析：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，對(duì)于某些書本上只提其然而不提其所以然而又比較重要會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)理解的問(wèn)題，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，逐步分析，使學(xué)生深入理解相關(guān)概念；

案例：對(duì)于應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)典型案例，通過(guò)對(duì)案例的分析和逐步實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生理解并能夠正確應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)和原理解決問(wèn)題。

（6）完整的實(shí)驗(yàn)體系

全面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程全程指導(dǎo)、嚴(yán)格的考核體系是本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的亮點(diǎn)。

課程的實(shí)驗(yàn)由精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分組成。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是一些預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)讓學(xué)生的實(shí)際操作，能夠加深對(duì)課程所講授的基本原理、技術(shù)和方法等知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)，能夠讓學(xué)生掌握一些具體的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是一組實(shí)驗(yàn)集，包括了必做的和根據(jù)個(gè)人的興趣選做的。目前針對(duì)Xscale硬件平臺(tái)基于WINCE操作系統(tǒng)和LINUX操作系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了四大類共24個(gè)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)EIA平臺(tái)設(shè)計(jì)了4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以任選平臺(tái)，除了3個(gè)必做的實(shí)驗(yàn)外，每個(gè)人按要求選做1～2個(gè)實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)是啟發(fā)式的引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。由學(xué)生結(jié)合本課程內(nèi)容以及前導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有一定演示度的嵌入式系統(tǒng)，原則上不限制硬件和軟件平臺(tái)。考慮到學(xué)生水平差異，給出了一些備選方向，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極提出原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

對(duì)于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成，實(shí)驗(yàn)前要求提交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給出實(shí)現(xiàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)后要求提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對(duì)于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以興趣小組方式組織，每個(gè)小組3～4人，要求每個(gè)小組都要提交項(xiàng)目申請(qǐng)書，經(jīng)過(guò)答辯、確認(rèn)技術(shù)路線可行后，進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)完成后，提供關(guān)于實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由課程教師和助教一起完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

3 建設(shè)的具體實(shí)施辦法

（1）完善課程網(wǎng)站

實(shí)現(xiàn)所有教案和課件全部電子化，具有較好的多媒體效果，并放在網(wǎng)站上。實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的電子化與網(wǎng)絡(luò)化，包括網(wǎng)上作業(yè)的發(fā)布與提交，網(wǎng)上小測(cè)驗(yàn)，網(wǎng)上輔導(dǎo)與答疑。

（2）建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室

從這幾年的教學(xué)實(shí)踐看，學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)這種教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的課程非常感興趣，尤其在綜合實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出很高的熱情和積極性，所投入的精力和時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出課程的要求，教學(xué)效果非常明顯。這促成我們建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室的想法，即使該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)做到實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)器材對(duì)學(xué)生的真正開放。使學(xué)生能夠理論與實(shí)踐相結(jié)合、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合。當(dāng)然在開放實(shí)驗(yàn)室下的課程輔導(dǎo)、監(jiān)管、考核方式都需要新的探索。開放實(shí)驗(yàn)室將通過(guò)學(xué)校的教改項(xiàng)目支持來(lái)完成。

（3）逐步構(gòu)建第二課堂—電子教室

軟硬件平臺(tái)的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一。由于課時(shí)等條件限制，課堂上不可能有覆蓋很多內(nèi)容，為了保證課程的廣度和深度，往往需要學(xué)生課外學(xué)習(xí)和掌握一定的知識(shí)。因此，我們計(jì)劃逐步建立第二課堂—電子教室。該教室包括多個(gè)專題（如ARM教室、X86教室、 Linux教室、 WinCE教室、 低功耗設(shè)計(jì)教室等），學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間和興趣選擇，并在網(wǎng)上交互學(xué)習(xí)。電子教室的建設(shè)將依托學(xué)院教改項(xiàng)目。

4 相關(guān)教材介紹

經(jīng)過(guò)近四年的建設(shè)，本課程形成了自己的教案、講義和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教材也即將編寫成稿。課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和指導(dǎo)書已被“國(guó)家發(fā)改委-微軟嵌入式系統(tǒng)教學(xué)包”收錄。

主講教師個(gè)人簡(jiǎn)歷

尚利宏博士，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、嵌入式軟件測(cè)試、容錯(cuò)計(jì)算，主講《計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)》、《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等課程。作為技術(shù)負(fù)責(zé)人完成國(guó)家自然基金項(xiàng)目一項(xiàng)，國(guó)防預(yù)研基金項(xiàng)目二項(xiàng)，以及國(guó)防重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)多項(xiàng)。獲陜西省國(guó)防科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。2005和2006年連續(xù)兩年指導(dǎo)的本科生隊(duì)伍獲得微軟公司組織的全球大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)。北航大學(xué)生課外活動(dòng)優(yōu)秀指導(dǎo)教師。