通過國家競賽促進“嵌入式系統”課程實驗教學的改革

摘要：本文針對英特爾杯全國大學生電子設計競賽嵌入式系統專題邀請賽的內容和特點，分析了目前我校“嵌入式系統課程”實驗教學的不足之處，提出了改進“嵌入式系統課程”實驗教學的幾點措施。

關鍵詞：電子設計競賽；嵌入式系統競賽；嵌入式系統課程；實驗教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）09-0039-03

英特爾杯大全國學生電子設計競賽嵌入式系統專題邀請賽（以下簡稱嵌入式系統競賽）是教育部大力倡導和推動的競賽，是面向大學生的群眾性科技活動，它們的宗旨是引導高校在實驗教學中注重培養大學生創新能力、協作精神和理論聯系實際的學風；加強動手能力和工程實踐能力的訓練；提高學生針對實際問題進行嵌入式系統設計開發的能力。嵌入式系統競賽自2002年開始舉辦，到2006年已經舉辦了三屆。比賽規模也從一開始國內的15所高校28支參賽隊拓展到第三屆的來自東南地區67所高校149支參賽隊。在國內，嵌入式系統競賽已為越來越多的企業和學校認可和重視，其知名度和影響力已逐漸提升，甚至超過電子設計競賽的地位。

1 國家競賽的內容和特點

嵌入式系統競賽為了能夠進一步豐富全國大學生電子設計競賽的形式和內容，同時讓一些學有余力、自學鉆研能力強的學生能夠盡顯才華，該比賽一改電子設計競賽專家組命題競賽的形式，提出了“不設命題，自主發揮，不封閉比賽場地，延長比賽周期”的新理念。此外， 由于嵌入式系統所采用的硬件平臺是由組委會統一提供的，加強了比賽的透明度和公平性，使得更多的優秀學子能夠擁有在平等條件下展示自己的自學鉆研和動手實踐能力的機會。開放性的題目設置使得學生和指導老師不再拘泥于一些基礎的內容和方向，設計開發也從8位、16位的單片機跨越到了以32位處理器為核心的嵌入式系統設計上，應用知識也突破了電子設計競賽的單一電子學科的范圍，擴展到包括計算機科學、自動化控制、數字通信在內的諸多領域。更加強大的處理器功能和更加開放的競賽形式使得參賽者可以自由發揮創意，但同時，由參賽隊伍自主命題所帶來的更大的自由度意味著沒有很多的東西可供參考或直接借鑒，更高的競賽水準也對學生提出了更高的要求。這一競賽同時也更關注參賽作品的創新性、方案的合理性、作品實現的難度和工作量、作品以及設計文檔的完整性等方面指標，任何一方面的忽略都可能影響最終成績的評定。

2 競賽暴露出的我校原有“嵌入式系統課程”實驗教學的弱點

國家競賽的內容和特點，代表著國家對大學生在嵌入式方面培養的具體要求，雖然我們多次指導學生參加國家競賽，并且多次都取得了較好成績，但我們深深感受到我校原有的“嵌入式系統課程”實驗教學已不能夠完全滿足國家的培養要求，主要存在著以下弱點。

（1）實驗教學中注重了對學生軟件編程的訓練，而輕視了對其硬件設計訓練

由于在實驗教學中對處理器核心電路的設計、接口電路的設計、產品結構的設計等方面的訓練內容較少，導致學生對硬件的基礎知識缺乏。在競賽中參賽學生對系統接口的擴展、利用可編程邏輯器件的設計電路、對處理器性能的估計等方面顯得知識和經驗不足。

（2）實驗教學中注重了學生對上層軟件的設計，缺少培養低層軟件的設計能力

在實驗教學中由于應用軟件方面的實驗項目，相對容易教學。而低層軟件的實驗項目需要功能強大的開發工具，同時設計和調試的難度大，所以實驗教學中減少了低層軟件的實驗項目。這種安排導致學生在競賽中對低層軟件的了解、設計、調試能力不足，甚至對該方面的工作無從下手。但是低層軟件是嵌入式系統的重要組成部分，競賽中該方面的任務非常大。

（3）實驗教學中驗證性和設計性實驗項目較多，綜合實驗項目少，缺少自主命題的課程設計

實驗教學中沒有注意培養學生的創新能力，學生作的實驗都是教師預先設計好的題目，學生不需要質問可行性，只要埋頭完成就達到了實驗要求。這種實驗模式導致學生在競賽中不能根據自己的知識開拓思路，提出好的設計題目，設計出新穎的產品，而是希望老師想出一個題目，自己來實現。

（4）實驗教學中采用的實驗平臺單一

實驗室只提供基于X86的嵌入硬件實驗平臺和嵌入式Linux操作系統。由于軟硬件平臺單一，導致學生的實驗項目種類少，不能按照產品的需求進行選擇系統，不能夠認識到嵌入式系統軟硬件多樣性的作用性。2006年競賽中Intel公司提供了兩種平臺，分別是eXcale PXA270 和低功耗的嵌入式X86。競賽學生不能夠根據目前提供的平臺，選擇相對應合適的題目，完全忽視了兩個平臺區別和適合的應用方向。

（5）實驗教學缺少對團隊合作的訓練

能在競賽中取得好成績的參賽隊，往往都是隊員之間配合默契，遇到難題集思廣益，共同謀求解決問題的辦法，在整個競賽過程中隊員們相互鼓勵，相互促進，努力爭取最好成績，這種團隊合作精神正是我們過去實驗教學中所忽視的。過去我們希望讓每個同學從頭到尾獨立完成整個實驗，所以安排一人一組設計實驗項目，工作量也就較小，而學生之間相互協作能力培養不夠。

（6）實驗教學中對學生的實驗報告要求不夠

有的同學實踐能力很強，但撰寫設計報告能力較差。報告中僅展示出自己最終設計方案，而對各種方案的比較和論述不夠，對系統的性能缺少分析，甚至缺乏理論的推導。

3 改進“嵌入式系統課程”實驗教學的措施

從這幾屆電子設計競賽的題目和嵌入式系統競賽及今后的發展趨勢來看，競賽的工程背景越來越濃，它既強調理論設計，更強調系統實現。它既考核了學生綜合運用基礎知識的能力，更注重考察學生的創新意識。競賽涉及的內容往往是一個課程群而非單一的一門課。這就要求我們的實驗課程必須進行改革。為此，我們采取了以下措施。

（1）增加自主命題的綜合實驗項目

增加自主命題的綜合實驗項目，學生可以根據自己的興趣和愛好以及平時在相關方面的了解，自行提出或與教師討論制定出一些命題。在這類綜合實驗項目的指導上，老師的教學方式也以啟發學生獨立分析思考問題、獨立解決問題為主，充分調動學生自主學習的積極性，發揮他們的潛能。

（2）分層次進行實驗

由于學生的能力和興趣的不同，我們安排的實驗項目分為驗證性實驗、命題性綜合實驗、自主命題性大型綜合實驗。部分學生主要以驗證性實驗教學為主，指導他們進行各種驗證性實驗，深化理論知識的理解；對該課程有興趣并且有能力的學生，可以指導他們進行命題性綜合實驗或自主命題性大型綜合實驗，使他們深入到嵌入式系統設計中，培養他們的創新能力和科研項目的設計及開發能力。這樣，既完成了教學任務，又可以發掘優秀的學生人才，使他們的能力得到更進一步的提升。

（3）實驗教學應深入系統的底層

在傳統的實驗教學實踐中，教師指導學生實驗往往僅在硬件平臺的基礎上做一些應用性的程序和實驗，很少讓學生深入系統底層去研究，如學習硬件原理和結構，編寫驅動程序，編寫bootloader代碼，移植操作系統等。這樣學生即使能夠在某嵌入式平臺上，對某些硬件編程實現特定的功能，卻往往對硬件的原理和功能一知半解。當他們遇到新的題目要求或不同的硬件平臺時，就無從下手。實驗教學不能達到舉一反三的效果。因此，我們在新的實驗教學中，改變了以往的方法，讓學生在實驗中深入系統的底層，了解系統的工作原理，不僅讓學生知其然，還要知其所以然。這樣讓學生在以后面對類似的問題時，也能從容分析問題并加以解決。

（4）實驗教學應培養學生軟硬件綜合設計的能力

從歷屆嵌入式系統競賽的比賽結果來看，名列前茅的作品往往是軟硬件綜合設計比較出色的作品，有的作品在組委會統一提供的開發板基礎上，又拓展了很復雜的硬件外圍電路，同時軟件上也做了大量的工作，具有較高的難度。這也是嵌入式系統設計的特點，系統中離不開硬件，因此我們在實驗教學上，也必須加強軟硬件綜合設計能力的培養。通過讓學生參與軟硬件綜合設計的項目，來培養他們軟硬件綜合設計的能力。

（5）實驗平臺的多樣化

嵌入式系統的設計是產品決定系統，即根據產品的功能和指標，進行處理器的選擇，存儲器的種類和大小的選擇，接口和外設的安排等。如嵌入式處理器的選擇時，移動設備由于功耗的要求，一般選擇ARM芯片；網絡設備，可以選擇以IBM 的Power為內核的高性能處理器。因此實驗室應該提供多種實驗平臺，通過建設，目前我們實驗室已擁有基于8051，80C51FXX，MSP430，PowerPC 860 ，ARM9 ，X86，EPOSN 32位嵌入式處理器，PicPlaze和MicroPlaze軟核的實驗板和實驗箱。同時對部分實驗箱系統配有 Windows CE、Linux、Vxworks、ucOS II、Delta等多種嵌入式操作系統。學生可以根據自己的設計項目進行選擇。使學生在實驗中能夠充分發揮各種實驗板和操作系統的功能，避免大材小用，殺雞用牛刀。設計時應該以既要完成項目的功能和指標，又要以減少產品成本為目標。設計完成后能夠估計該產品的硬件和軟件成本。通過這樣的訓練，不僅能夠培養出一般的程序員和硬件工程師，而且可以培養出高層次的人才。

（6）團隊合作的訓練

嵌入式系統設計的工作量一般較大，如果學生的選題項目大，應該分組進行，一個項目組安排三到五人進行設計，安排一個學生為項目組組長。小組成員共同制定編寫項目總體方案，項目計劃等文檔。將項目分解成為幾個子項目，每個人負責設計和實現其中的一部分，各個部分完成后，共同調試。通過實驗訓練學生的團隊合作能力，使他們認識到個人單兵作戰在時間、知識和能力的劣勢和團隊合作的重要性。通過進行團隊合作訓練，使學生畢業后進入公司，很快融入項目組，發揮其作用。

4 總結

實驗教學改革是一個龐大的系統工程，需要從事實驗教學的教師持之以恒的不斷努力。嵌入式系統競賽對我們的實驗教學改革起到了積極的推動作用，通過競賽，使我們不斷跟蹤國家對大學生在嵌入式方面的要求，使我們了解其他兄弟院校的現有實驗教學經驗，發現我們當前實驗教學的不足之處，并加以改進和完善；通過改革使得實驗更能引起學生的興趣，啟迪思維，培養創造精神和創新能力；通過改革使一批優秀人才在實驗中脫穎而出，同時使實驗教師得到自身業務的提高。

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收稿日期：2007-03-20

作者簡介：崔金鐘，男，副教授，研究方向：嵌入式系統；盧顯良，男，教授，博士生導師，研究方向：計算機操作系統，計算機網絡及分布式系統、嵌入式系統。