計算機工程嵌入式教育思路論文

1計算機工程專業方向培養目標

隨着計算機領域新技術的不斷湧現，“計算機科學與技術”原有的專業設置框架被突破，逐漸形成計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息技術、信息系統等多個專業方向的新格局[3]。計算機工程是計算機科學與技術領域最早出現的專業方向，它是現代計算機系統、計算機控制設備的軟/硬件設計、製造、實施和維護的科學與技術。國際技術教育協會定義工程設計為：系統和創造性地把科學和數學原理運用於實踐。鑑於此，在《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規範（試行）》中指出計算機工程專業方向的培養目標是：系統地掌握計算機科學理論、計算機軟/硬件系統及應用知識，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計算機工程專業方向嵌入式系統課程特點

嵌入式系統涉及到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手能力，是對設計者一個綜合能力、特別是創新能力的考查。因此，嵌入式系統課程應更注重培養學生工程實踐的能力、團隊合作的能力[2]。目前，在計算機專業之外，國內許多高校還在電子工程、自動化、軟件等專業開設了“嵌入式系統”相關課程。由於各專業培養目標、教學體系側重點不同，課程內容也不盡相同。電子工程專業主要側重於硬件基礎平台的設計，自動化專業則側重於智能儀器、儀表的設計，軟件專業側重於嵌入式應用軟件開發。計算機工程專業方向則應從“系統”的角度出發，更側重於軟/硬件的協同工作，將計算機系統“自下而上”的專業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、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”。在嵌入式系統工程設計中，會用到操作系統課程中所講述的進程、線程、調度、文件系統的概念等；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；在數據採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，計算機工程專業方向嵌入式系統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的開發[3]。

3嵌入式系統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”專業選修課的同時，將計算機工程專業方向細分成嵌入式系統和網絡技術兩個培養方向，並制定了嵌入式系統專業方向培養計劃，設置了4門實踐性很強的專業方向課：計算機控制原理與技術（64學時）、嵌入式系統原理與技術（64學時）、嵌入式系統工程設計方法（32學時）和嵌入式系統課程設計（60學時）。IT領域的新技術發展之快、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，但他們畢業走向社會後，必然要面對這些新技術，如果我們的教學內容過於陳舊，就會加長學生畢業後的適應週期；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后角色轉換的時間，儘快地投入到工作中。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建立合作關係，先後建立了“北京工業大學—Intel嵌入式系統聯合實驗室”、“微軟嵌入式系統認證培訓中心”和“北京工業大學—AlteraEDA/SOPC聯合實驗室”，為學生提供了一個接觸、學習新技術的環境，同時也能使我們的教學內容與這些企業的新技術基本保持同步[4—5]。“嵌入式系統原理與技術”涉及目前嵌入式系統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WindowsCE，該課程以XScale應用處理機為硬件平台，講述WindowsCE操作系統定製、優化方法以及驅動程序、應用程序的開發手段和方法。“嵌入式系統工程設計方法”則涉及了另一項新技術“IP（知識產權）複用技術”，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）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環境、開發工具的使用，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複習。因此，我們借鑑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。從2005年開始，在實驗室授課，採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，在實踐教學體系中，採用了課內實驗、課程設計和綜合性課程設計3個階段的培養模式，使學生全面掌握嵌入式系統的工程設計方法和設計流程。

4。1課內實驗

以一個實際應用系統開發流程為例，設計瞭如下實驗內容：（1）WindowsCE操作系統的定製：包括在硬件平台和模擬器上定製WindowsCE操作系統、添加組件以及使用遠程調試工具進行調試。（2）修改WindowsCE操作系統映像配置文件：包括通過修改系統映像配置文件，在操作系統映像中添加各類文件和修改系統設置。（3）硬件定製實驗：包括添加CF存儲卡、802。11無線網卡和蜂窩註冊表等硬件相關組件。（4）WindowsCE驅動程序的開發：包括流接口驅動程序的開發以及在PlatformBuilder環境下開發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：包括導出SDK開發包，在EVC開發環境下開發、調試應用程序，製作自定義組件、系統優化和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，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模能達到教學要求須經任課教師認可。題目有：在WindowsCE環境下的鬧鐘提醒程序、註冊表編輯器、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

“嵌入式系統課程設計”是綜合性課程設計，要求學生結合專業方向的理論課程，充分發揮自身的能動性，3~4名學生組成一個項目組，自選題目，自選平台，完全按照工程項目管理規範嚴格檢查各階段完成情況。使學生掌握嵌入式系統實際工程設計的方法和流程，鞏固理論課程內容，規範工程文檔的建立，培養學生的創新能力和團隊精神。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：家庭視頻監控系統、食品安全追溯系統、家電語音控制系統等[8]。

4。4學生科技競賽

2007年1月，教育部、財政部“關於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，激發大學生的興趣和潛能，培養大學生的團隊協作意識和創新精神[4，9]。我校十分重視嵌入式系統學生科技競賽活動，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、訓練的基礎平台，形成一個傳、幫、帶的梯隊、達到“以點帶面”的良性循環效果，增加了學生學習理論課程的興趣，加強學生創新能力的培養[4]。計算機學院在國、內外嵌入式系統相關競賽中取得了優異的成績，在教育部、信息產業部舉辦的“全國大學生電子設計競賽———嵌入式系統專題邀請賽（英特爾杯）”中，2004年獲得了三等獎，2008年獲得了二等獎。“2005年微軟嵌入式系統全球大學生挑戰賽”入圍全球前30名，並參加了在美國西雅圖微軟總部舉行的總決賽，獲得“優勝獎”。在IEEE舉辦的“第六屆計算機協會國際設計大賽（CSIDC）”，進入了在美國首都華盛頓舉行的全球前10名總決賽，並獲得“優勝獎”。在Altera公司舉辦的“Nios軟核嵌入式處理器設計大賽”中，先後獲得過優勝獎和三等獎[10]。

5結束語

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