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計算機工程嵌入式教育思路論文
1計算機工程專(zhuān)業(yè)方向培養目標
隨著(zhù)計算機領(lǐng)域新技術(shù)的不斷涌現，“計算機科學(xué)與技術(shù)”原有的專(zhuān)業(yè)設置框架被突破，逐漸形成計算機科學(xué)、計算機工程、軟件工程、信息技術(shù)、信息系統等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向的新格局[3]。計算機工程是計算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域最早出現的專(zhuān)業(yè)方向，它是現代計算機系統、計算機控制設備的軟/硬件設計、制造、實(shí)施和維護的科學(xué)與技術(shù)。國際技術(shù)教育協(xié)會(huì )定義工程設計為：系統和創(chuàng )造性地把科學(xué)和數學(xué)原理運用于實(shí)踐。鑒于此，在《高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰略研究報告暨專(zhuān)業(yè)規范（試行）》中指出計算機工程專(zhuān)業(yè)方向的培養目標是：系統地掌握計算機科學(xué)理論、計算機軟/硬件系統及應用知識，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計算機工程專(zhuān)業(yè)方向嵌入式系統課程特點(diǎn)
嵌入式系統涉及到IT領(lǐng)域方方面面的新技術(shù)，它融合了計算機軟、硬件技術(shù)、通訊技術(shù)和半導體微電子技術(shù)，針對實(shí)際應用系統需求，將相應的計算機直接嵌入到應用系統中。嵌入式系統設計需要設計者具有較強的綜合理論知識和動(dòng)手能力，是對設計者一個(gè)綜合能力、特別是創(chuàng )新能力的考查。因此，嵌入式系統課程應更注重培養學(xué)生工程實(shí)踐的能力、團隊合作的能力[2]。目前，在計算機專(zhuān)業(yè)之外，國內許多高校還在電子工程、自動(dòng)化、軟件等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設了“嵌入式系統”相關(guān)課程。由于各專(zhuān)業(yè)培養目標、教學(xué)體系側重點(diǎn)不同，課程內容也不盡相同。電子工程專(zhuān)業(yè)主要側重于硬件基礎平臺的設計，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)則側重于智能儀器、儀表的設計，軟件專(zhuān)業(yè)側重于嵌入式應用軟件開(kāi)發(fā)。計算機工程專(zhuān)業(yè)方向則應從“系統”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“自下而上”的專(zhuān)業(yè)課程有機地整合起來(lái)，形成一條清晰的邏輯線(xiàn)，讓學(xué)生認識到計算機組成原理、微機接口技術(shù)、操作系統、數據庫、程序設計、計算機網(wǎng)絡(luò )、計算機控制等課程不再是獨立的課程，而是一個(gè)有機的“整體”。在嵌入式系統工程設計中，會(huì )用到操作系統課程中所講述的進(jìn)程、線(xiàn)程、調度、文件系統的概念等；在通信中會(huì )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(huì )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(gè)大型應用系統中還會(huì )用到計算機組網(wǎng)技術(shù)、套接字、數據庫的概念等等。因此，計算機工程專(zhuān)業(yè)方向嵌入式系統課程內容應以實(shí)踐為主，結合前修理論課程的內容，最終完成一個(gè)實(shí)際應用系統的開(kāi)發(fā)[3]。
3嵌入式系統課程內容體系的構建及特色
我學(xué)院在2004年開(kāi)設“嵌入式系統”專(zhuān)業(yè)選修課的同時(shí)，將計算機工程專(zhuān)業(yè)方向細分成嵌入式系統和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)兩個(gè)培養方向，并制定了嵌入式系統專(zhuān)業(yè)方向培養計劃，設置了4門(mén)實(shí)踐性很強的專(zhuān)業(yè)方向課：計算機控制原理與技術(shù)（64學(xué)時(shí)）、嵌入式系統原理與技術(shù)（64學(xué)時(shí)）、嵌入式系統工程設計方法（32學(xué)時(shí)）和嵌入式系統課程設計（60學(xué)時(shí)）。IT領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展之快、之多令人應接不暇，雖然大學(xué)生在校期間需要學(xué)習的都是一些基礎知識，但他們畢業(yè)走向社會(huì )后，必然要面對這些新技術(shù)，如果我們的教學(xué)內容過(guò)于陳舊，就會(huì )加長(cháng)學(xué)生畢業(yè)后的適應周期；如果我們能夠提供給學(xué)生更多的接觸這些新知識、新技術(shù)的機會(huì )，就能夠縮短學(xué)生畢業(yè)后角色轉換的時(shí)間，盡快地投入到工作中。因此，在教學(xué)內容設置上應力求將最新的技術(shù)、最新的設計方法傳授給學(xué)生。為此，我們積極與國際知名企業(yè)建立合作關(guān)系，先后建立了“北京工業(yè)大學(xué)—Intel嵌入式系統聯(lián)合實(shí)驗室”、“微軟嵌入式系統認證培訓中心”和“北京工業(yè)大學(xué)—AlteraEDA/SOPC聯(lián)合實(shí)驗室”，為學(xué)生提供了一個(gè)接觸、學(xué)習新技術(shù)的環(huán)境，同時(shí)也能使我們的教學(xué)內容與這些企業(yè)的新技術(shù)基本保持同步[4—5]�！扒度胧较到y原理與技術(shù)”涉及目前嵌入式系統最為流行的兩項新技術(shù)—英特爾公司的XScale技術(shù)（ARM架構）和微軟公司的嵌入式操作系統WindowsCE，該課程以XScale應用處理機為硬件平臺，講述WindowsCE操作系統定制、優(yōu)化方法以及驅動(dòng)程序、應用程序的開(kāi)發(fā)手段和方法�！扒度胧较到y工程設計方法”則涉及了另一項新技術(shù)“IP（知識產(chǎn)權）復用技術(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）設計方法和流程。上述兩門(mén)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(shí)要涉及到開(kāi)發(fā)環(huán)境、開(kāi)發(fā)工具的使用，如果按照以往先在課堂講授，再到實(shí)驗室做實(shí)驗的教學(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)驗之前還要再花費時(shí)間復習。因此，我們借鑒美國卡內基梅隆大學(xué)率先提出的“Learningbydoing”的教學(xué)理念，這種教學(xué)理念旨在強化工程學(xué)科的學(xué)生全面的實(shí)踐能力和工程素養。從2005年開(kāi)始，在實(shí)驗室授課，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
為了加強學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養，在實(shí)踐教學(xué)體系中，采用了課內實(shí)驗、課程設計和綜合性課程設計3個(gè)階段的培養模式，使學(xué)生全面掌握嵌入式系統的工程設計方法和設計流程。
4。1課內實(shí)驗
以一個(gè)實(shí)際應用系統開(kāi)發(fā)流程為例，設計了如下實(shí)驗內容：（1）WindowsCE操作系統的定制：包括在硬件平臺和模擬器上定制WindowsCE操作系統、添加組件以及使用遠程調試工具進(jìn)行調試。（2）修改WindowsCE操作系統映像配置文件：包括通過(guò)修改系統映像配置文件，在操作系統映像中添加各類(lèi)文件和修改系統設置。（3）硬件定制實(shí)驗：包括添加CF存儲卡、802。11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和蜂窩注冊表等硬件相關(guān)組件。（4）WindowsCE驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)：包括流接口驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)以及在PlatformBuilder環(huán)境下開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單應用程序用以調用驅動(dòng)程序函數。（5）WindowsCE應用程序的開(kāi)發(fā)：包括導出SDK開(kāi)發(fā)包，在EVC開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)、調試應用程序，制作自定義組件、系統優(yōu)化和Shell實(shí)驗。
4。2課程設計
課程設計的任務(wù)是完成一個(gè)應用程序的開(kāi)發(fā)，課程設計題目每年不斷更新，學(xué)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(xué)生也可以自擬題目，為保證題目的難度和規模能達到教學(xué)要求須經(jīng)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(huà)圖、貪吃蛇等[4，7]。
4。3綜合性課程設計
“嵌入式系統課程設計”是綜合性課程設計，要求學(xué)生結合專(zhuān)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)項目組，自選題目，自選平臺，完全按照工程項目管理規范嚴格檢查各階段完成情況。使學(xué)生掌握嵌入式系統實(shí)際工程設計的方法和流程，鞏固理論課程內容，規范工程文檔的建立，培養學(xué)生的創(chuàng )新能力和團隊精神。通過(guò)答辯、演示給出成績(jì)，將題目新穎、完成情況較好的項目組推薦參加國內外相關(guān)競賽。今年正在進(jìn)行中的項目有：家庭視頻監控系統、食品安全追溯系統、家電語(yǔ)音控制系統等[8]。
4。4學(xué)生科技競賽
2007年1月，教育部、財政部“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(jiàn)”中，要求繼續開(kāi)展大學(xué)生競賽活動(dòng)，重點(diǎn)資助在全國具有較大影響和廣泛參與面的大學(xué)生競賽活動(dòng)，激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能，培養大學(xué)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學(xué)生科技競賽活動(dòng)，在2006年投資近60萬(wàn)元，建立了“嵌入式系統科技競賽訓練基地”。通過(guò)搭建一個(gè)學(xué)生參加科技競賽、訓練的基礎平臺，形成一個(gè)傳、幫、帶的梯隊、達到“以點(diǎn)帶面”的良性循環(huán)效果，增加了學(xué)生學(xué)習理論課程的興趣，加強學(xué)生創(chuàng )新能力的培養[4]。計算機學(xué)院在國、內外嵌入式系統相關(guān)競賽中取得了優(yōu)異的成績(jì)，在教育部、信息產(chǎn)業(yè)部舉辦的“全國大學(xué)生電子設計競賽———嵌入式系統專(zhuān)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�！�2005年微軟嵌入式系統全球大學(xué)生挑戰賽”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(huì )國際設計大賽（CSIDC）”，進(jìn)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A(yíng)ltera公司舉辦的“Nios軟核嵌入式處理器設計大賽”中，先后獲得過(guò)優(yōu)勝獎和三等獎[10]。
5結束語(yǔ)
嵌入式系統涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣，發(fā)展速度越來(lái)越快，為了加強計算機工程專(zhuān)業(yè)方向學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養，就要求我們通過(guò)不斷地探索、實(shí)踐，完善嵌入式系統實(shí)踐教學(xué)體系。
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