基于CDIO模式的嵌入式系统教学研究与探讨
摘要:嵌入式系统课程是一门理论与实践相结合的课程,该课程特别注重学生实践能力的培养,文章首先阐述嵌入式系统教学的特点,结合CDIO(做中学)的新型教学模式,通过设计多个实践课程,探讨实践的过程中学习理论知识、理论知识指导实践的教学模式。
2000年,美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究组合,获得了Knut and Alice Wallenberg基金会近1600万美元的巨额资助,经过四年的探索研究,创立了CDIO工程教育模式并成立了CDIO国际合作组织。CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)四个英文单词的缩写,它是“做中学”和“基于项目教育和学习”(Project based education and learning)的集中概括和抽象表达[1]。嵌入式系统课程是一门理论与实践相结合的课程,特别注重学生实践能力的培养,因而本课程教学将结合CDIO的教学理念,将学生动手能力的培养作为课程培养的重点之一。
嵌入式系统是相对于通用计算机系统提出的“嵌入式计算机系统”,随着嵌入式系统在通信设备、自动化控制、信息家电和军事等领域应用的迅猛发展,采用32位RISC处理器、采用多任务操作系统的嵌入式系统正成为当今嵌入式系统设计的主流,嵌入式系统处理能力的增强,也使得其在通信、自动化控制、信息家电和军事等领域应用得到迅猛发展。社会对嵌入式开发人员的需求日渐增长,但是毕业生缺乏实践能力,结果导致出现许多单位招聘不到合适的开发人员的尴尬局面[2—3]。
“嵌入式系统设计”需要设计者具有较强的综合理论知识和动手能力,是对设计者综合能力与创新能力的考查。本文将从“应用型”人才培养为目标,结合本校计算机专业学生的特点,对学生“嵌入式系统”能力培养的相关课程内容、实践教学方案和实践教学环节等进行探索,结合做中学(CDIO)教学模式,对嵌入式系统教学模型进行了探讨,探讨如何培养出适应社会需要的创新型人才。
嵌入式系统主要涉及基本概念的介绍、系统硬件结构、嵌入式操作系统、应用程序的开发等多个方面。嵌入式系统知识是一门综合性知识的教学,既涉及计算机结构、微机原理等硬件知识,又涉及了操作系统、应用程序开发等软件知识。该课程的教学覆盖面大,对于计算机专业的学生来说,在学习完微机原理等课程后,学习该课程的目的是培养其知识的综合应用的能力。对于该课程,如果完全依靠课堂讲解和课程内实验教学,那是远远不够的。因而,本文将从课程讲授开始,就激发学生自主学习、理论结合实践的CDIO教学模式。
对于计算机专业来说,嵌入式系统课程的教学计划安排一般为2.5或者3个学分,且一般安排在大三下学期或者大四上学期进行教学。在该阶段,学生一般具备了一定的专业知识,能够较好进行自主学习和应用设计。因而本课程教学将从几个方面采用对学生进行实践教学、做中学的教学模式。
2.1非标准教材的探索性教学。
当今关于嵌入式系统方面的教材有不少,结构都差不多,一般为先介绍嵌入式系统的基本知识,接着介绍其体系结构,最后基于某系统平台作应用程序的开发设计。本课程采用的是基于XScale 270的实验箱。因为实验部分有对应的文档。因而在本课程的教材选定中,没有固定某本教材,而是推荐了几本相关教材[4—5],让学生自由选择,同时鼓励学生自主上网络查资料,通过鼓励学生探索性的选择教材,让学生开始建立自主寻找相关资料的实践方法。
嵌入式系统涉及内容范围广,如何通过本课程学习,让学生既掌握嵌入式系统的基本知识,又能让学生对嵌入式系统下的开发设计有较好的认识,同时具备一定的开发能力,本课程通过结合实践的理论教学,启发式的实践教学,使得学生在掌握理论知识的同时,实践能力又得到了锻炼。在本课程的教学中,主要通过以下几个方面来实现。
(1) 实验设备基础教学与基本理论。嵌入式系统基本理论涉及多方面的内容,如何使得学生能够清楚的了解什么是嵌入式系统,嵌入式系统有什么特点,其对应的硬件有什么不同,在本课程教学中,主要采用了结合已有实验设备的感性教学法:在课堂讲解基本知识时通过向学生讲解当今嵌入式系统具体应用,让学生有初步的理解,同时向学生展示具体的嵌入式实验设备基于XScale 270的实验箱,通过ADS集成开发环境让学生完成不带操作系统的基础实验,让学生对本课程有初步的了解,并对硬件结构有良好的认识。
(2) 嵌入式操作系统构建环节设计。嵌入式操作系统是当今嵌入式系统教学一大部分,而嵌入式操作系统现今应该来说有多种,Linux、Windows CE、VxWorks操作系统,每种操作系统有各自的特点和适用的场合。因而在该部分的教学中,在总体介绍了各种操作系统知识后,主要选择Linux和WinCE作为具体实现的操作系统,通过Toolchain或Platform Builder等工具裁减对应的嵌入式操作系统,让学生深入嵌入式操作系统的裁减过程。从学习一到两种嵌入式操作系统,到能开发项目,做到一通百通,再学习其他的操作系统也就不困难了。
(3) 嵌入式系统应用软件设计。本课程的一个主要目的就是让学生懂得如何进行嵌入式系统开发,通过嵌入式系统平台,实现一些具体的应用。因而本课程将大作业作为学生的考核内容,通过设计如多媒体播放器、机器人平台等实验,让学生掌握相关信息的查找、获取,操作系统的选择,具体硬件的选取,应用程序的开发等过程,真正做到学生在实践的过程中获取经验,获得知识。
本课程应该来说是一门平台课,通过学习本课程,让学生了解如何在嵌入式系统平台进行开发。因此本课程可与其他课程相结合,通过嵌入式系统平台实现其他课程的原理、方法等。在本课程的教学中,主要与人工智能、编译原理、多媒体技术、操作系统课程设计等课程相结合,在大作业、毕业设计等环节完成相应的作品,使得学生既熟悉平台的具体应用,又加深对相关课程的了解。下面主要介绍与人工智能等三门课程的结合应用。
(1) 与人工智能相结合。人工智能的一个具体实现就是智能机器人,而智能机器人的运算控制平台一般为嵌入式系统平台,这在家居机器人、足球机器人、工业机器人中多有体现。本课程教学就是鼓励学生在嵌入式系统平台上实现基本机器人平台的搭建,实现视觉获取与识别、电机步伐的控制等,从而既让学生增强了学习本课程的兴趣,又了解智能机器人的具体实现,并增强了他们完成作品时成就感。
(2) 与编译原理相结合。编译原理是本科学生普遍反应较难学习的课程,而与嵌入式系统相结合,将会更加深难度,但是如果能设计好一个对应的设计,将会大大促进这两门课程的学习。因而本课程安排了一个逻辑编译器的设计让学生作为大作业或毕业设计的选择,通过对逻辑编译器的设计、移植等,加深学生对这两门课程的理解。
(3) 与多媒体技术相结合。多媒体技术在嵌入式系统上应该来说一个非常广泛的应用,本课程安排多媒体播放器等作为学生应用程序开发的大作业或毕业设计,并鼓励学生自选相关设计题目,鼓励学生创作新作品。
毕业设计是学生对大学四年的学业总结,也是知识的综合应用,在学习完本课程后,鼓励学生在嵌入式系统平台上,与其他课程相结合,完成相应的毕业。就最近两年的情况来看,学生在嵌入式系统平台完成了拾球智能机器人、多媒体播放器、可编程逻辑控制器等优秀的作品。
3结语。
课程研究主要通过鼓励、引导学生多参与实践,通过在实践中学,通过实践加深理论知识等方法,达到学生对基本理论和开发方法的掌握,培养适应社会需要的人才。实践证明,本课程的教学富有成效,取得较好的效果。
参考文献:。
[1] 佚名. CDIO简介. [2010—02—03]. 李岩,王小玉,孙永春. 嵌入式系统教学研究[J]. 电气电子教学学报,2006,28(3):45—47.
[3] 伍宗富,陈日新,王建君. 基于Web的开放实验教学管理系统[J]. 高校实验室工作研究,2007(2):78—80.
[4] 田泽. 嵌入式系统开发与应用实验教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[5] 郑灵翔. 嵌入式Linux系统设计[M]. 北京:北京航天航空大学出版社,2008.
Research of Embedded System Teaching Based on CDIO Mode。
LI Jian—qiang, WANG Zhi—qiang, XUE Li—ping。
(College of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)。
Abstract: As embedded system course is combination with theory and practice, the ability of practice is developed is in this course. The characteristic of embedded system with the novel teaching mode CDIO is introduced first in this paper, then the mode with learning theory knowledge by practice and practice is conducted by theory is proposed by several practices design.
Key words: embedded system; CDIO; teaching studying。
(编辑:白杰)。