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通過校企聯(lián)合辦學(xué)促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新與改革

2013-04-10 09:45賈德良
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2013年8期
關(guān)鍵詞:課程設(shè)計(jì)嵌入式校企

冼 進(jìn), 賈德良, 畢 盛

(華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510006)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性強(qiáng)、技術(shù)發(fā)展十分迅速的前沿性、交叉性學(xué)科,其理論和實(shí)踐性都很強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛,包括制造工業(yè)、過程控制、網(wǎng)絡(luò)、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面,“嵌入式系統(tǒng)”課程已成為計(jì)算機(jī)專業(yè)中一門十分重要的硬件技術(shù)基礎(chǔ)課[1-2]。

然而,目前許多高校的“嵌入式系統(tǒng)”課程由于種種原因,仍舊是定位為“匯編語言”和單片機(jī)開發(fā)的層面上,因而國內(nèi)教材內(nèi)容普遍存在著“理論脫離實(shí)際”的狀況,微處理器領(lǐng)域的很多最新技術(shù)不能及時(shí)引入大學(xué)的課堂教學(xué)中;在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面仍然停留在一些早期8051單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺上,用分離元件和插線方式進(jìn)行拼裝搭接,只能完成簡單單片機(jī)的開發(fā)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),與工業(yè)界的實(shí)際情況尚有較大的差距,使學(xué)生無法從這樣的“設(shè)計(jì)”過程中了解現(xiàn)代實(shí)用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù),進(jìn)而對于硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究望而生畏,提不起興趣。為此,本文提出以校企合作,制定以嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域最新的AVR XMEGA和AVR32體系結(jié)構(gòu)微處理器產(chǎn)品來改革“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué),以適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)外業(yè)界研究開發(fā)趨勢[3-4]。

1 校企聯(lián)合辦學(xué)基礎(chǔ)

1.1 師資力量宏厚

(1)教學(xué)方面。學(xué)院擁有多位具有豐富計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)教師,執(zhí)教過不同層次的學(xué)生,對學(xué)生各部分知識的學(xué)習(xí)情況有全面的了解,對該課程的教學(xué)特點(diǎn)和多種教學(xué)方法均有深刻的體會,在多年的科研過程中積累了豐富的硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn),不僅能為本課程的課程改革和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的支持,而且能在教學(xué)活動中如何理論緊密聯(lián)系實(shí)際,形成一套有針對性、實(shí)用性強(qiáng)的教學(xué)體系。

(2)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面。主要骨干教師和部分實(shí)驗(yàn)人員都具有多年的數(shù)字邏輯、嵌入式系統(tǒng)和智能機(jī)器人等計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)經(jīng)歷,輔導(dǎo)過多屆學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì),積累了豐富的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn),是一支開展嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)改革與創(chuàng)新不可或缺的管理與技術(shù)兼顧的隊(duì)伍[5-6]。

1.2 具有豐富的聯(lián)合辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)與較充分的條件

學(xué)院計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的硬件實(shí)驗(yàn)室擁有多套單片機(jī)、微處理器及FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備和多種測試儀器,可以為嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考和測試環(huán)境。學(xué)院已與Intel、Google公司、騰訊公司、神州數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)等國內(nèi)外大型IT企業(yè)共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,在校企產(chǎn)學(xué)研合作方面有一定的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒[7]。

愛特梅爾(Atmel)公司已經(jīng)在國內(nèi)26所大學(xué)簽約共建校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,包括清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)等等“985”高等學(xué)校,在大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。

1.3 合作教育實(shí)施方案

1.3.1 校企聯(lián)合教學(xué)的實(shí)施途徑

校企產(chǎn)學(xué)研合作教育的核心主要以計(jì)算機(jī)學(xué)院與合作單位Atmel公司共同承擔(dān)校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ),在這一基礎(chǔ)上展開全方位的合作:學(xué)校和合作單位Atmel公司都指派具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師和高級工程師作為教員,共同制定教學(xué)、科研和實(shí)習(xí)計(jì)劃,編寫有關(guān)教學(xué)方案,共同實(shí)施教學(xué)實(shí)踐[8]。具體實(shí)施方案如下:

(1)改大綱、編講義。首先,學(xué)校教師和合作單位Atmel公司的高級工程師組成的課題組對“嵌入式系統(tǒng)”課程的大綱進(jìn)行修改,突出知識的應(yīng)用性,對在實(shí)踐中應(yīng)用范圍廣的知識點(diǎn)加以強(qiáng)化,并安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié);其次,將學(xué)生在工作中可能會遇到的各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例作為生動的個(gè)案,使授課內(nèi)容更豐富多彩,理論教材更完善;最后,將原來呆板的書面考核改為由學(xué)生自己創(chuàng)建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行演示與答辯。死記硬背的學(xué)生再也拿不到高分,而實(shí)踐和創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生則可一展身手[9]。

(2)引進(jìn)研究生培養(yǎng)方式,實(shí)行聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室“導(dǎo)師制”。計(jì)算機(jī)學(xué)院與合作方Atmel公司共同選派優(yōu)秀的專業(yè)教師和具有豐富實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的高級工程師擔(dān)任導(dǎo)師工作。導(dǎo)師在聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中不僅具有管理職能,而且還將給予學(xué)生積極的、畫龍點(diǎn)睛的專業(yè)指導(dǎo),加深學(xué)生所學(xué)知識,提高學(xué)生分析與解決實(shí)際問題能力。

(3)聯(lián)系實(shí)際,提高學(xué)生就業(yè)競爭力。將聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與畢業(yè)設(shè)計(jì)、就業(yè)單位需求緊密結(jié)合,使學(xué)生通過參加聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)理論與應(yīng)用能力和市場競爭力。

1.3.2 校企聯(lián)合辦學(xué)組織管理措施

學(xué)院的主要職責(zé)是提供校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的場地和負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的日常維護(hù)工作,并派出具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師完成實(shí)驗(yàn)室配套的“嵌入式系統(tǒng)”課程理論資源和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施。

Atmel公司提供校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)硬件設(shè)備(主要是微處理器開發(fā)板),配套的開發(fā)軟件及相關(guān)文檔資料,并派出有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的工程師協(xié)助教師撰寫教學(xué)講義、多媒體課件,結(jié)合工業(yè)界的實(shí)際需求設(shè)計(jì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

由學(xué)院主管教學(xué)領(lǐng)導(dǎo)牽頭;由學(xué)校相關(guān)教師和企業(yè)工程師混編組成團(tuán)隊(duì),主要負(fù)責(zé)對學(xué)生在聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行日常指導(dǎo)工作。對聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在人才培養(yǎng)和工程技術(shù)開發(fā)方面的產(chǎn)學(xué)研合作進(jìn)行組織研討和策劃[10]。

2 教學(xué)方法的革新

2.1 借鑒先進(jìn)科技成果,探討“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)改革

積極參考國際主流廠商的微處理器體系結(jié)構(gòu),將課程設(shè)計(jì)與國際接軌。經(jīng)過長時(shí)期的考察分析,選擇美國 Atmel公司(Atmel Corp)的 AVR XMEGA和AVR32微處理器體系結(jié)構(gòu)作為主要分析對象;同時(shí),將國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)的一流大學(xué),如北京航空航天大學(xué)、華東師范大學(xué)等的課程設(shè)計(jì)方案作為課程設(shè)計(jì)的參考。擬以經(jīng)典的AVR(8位)和AVR32(32位)架構(gòu)為主要學(xué)習(xí)案例,由淺入深地對微處理器構(gòu)造以及工作原理進(jìn)行深入分析和講述,撰寫實(shí)驗(yàn)室配套講義教材,并結(jié)合多媒體技術(shù)開發(fā)新的教學(xué)課件,作為教學(xué)輔助手段[11-12]。

2.2 探索“課堂教學(xué)+自我調(diào)研”教學(xué)方法的運(yùn)用

在課堂教學(xué)中,主要解決基本的概念和理論。比如:通過學(xué)習(xí)了解精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和區(qū)別;掌握AVR處理器的設(shè)計(jì)原則和指令寄存器組的設(shè)置等等內(nèi)容[13]。在自我調(diào)研的階段,則要求在老師的引導(dǎo)下,學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)自行搜集和整理當(dāng)前微處理器在某個(gè)子領(lǐng)域最新的發(fā)展動向和最新產(chǎn)品的性能情況,并根據(jù)所學(xué)理論,進(jìn)行橫向和縱向比較,最后形成調(diào)研論文,并且以平時(shí)成績的形式進(jìn)行考核。

2.3 探索校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

以Atmel公司的AVR開發(fā)板及配套輔助設(shè)計(jì)軟件工具為基礎(chǔ),擬將“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系分成一組相互關(guān)聯(lián)和相互作用的實(shí)驗(yàn)活動,設(shè)計(jì)一批實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:

(1)硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。要求學(xué)生能夠運(yùn)用Protel電路圖工具自行焊接和設(shè)計(jì)AVR最小系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成的硬件系統(tǒng)可以直接為后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用。

(2)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。要求學(xué)生能夠運(yùn)用C語言,實(shí)現(xiàn)具有多任務(wù)/多進(jìn)程管理的簡單嵌入式操作系統(tǒng)(OS)。同時(shí),在嵌入式OS上設(shè)計(jì)一些入門和測試程序,并且將嵌入式OS和測試程序代碼寫入AVR開發(fā)板,進(jìn)行實(shí)際測試和驗(yàn)證。入門程序選擇看似乎簡單,其實(shí)是“麻雀雖小、五臟俱全”。入門程序選擇的精簡直觀,對于激發(fā)學(xué)生興趣十分重要。

(3)利用AVR開發(fā)板。學(xué)習(xí)一些常用的輸入輸出設(shè)備接口和網(wǎng)絡(luò)通信接口驅(qū)動程序設(shè)計(jì)方法。如:總線、鍵盤、鼠標(biāo)、USB口,以太網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等等,擴(kuò)展前面設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)人機(jī)和通訊接口。

強(qiáng)調(diào)各門實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容前后相繼,每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是一個(gè)過程,一個(gè)過程的輸出會直接成為下一個(gè)過程的輸入,各門實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合并前后相連貫。在學(xué)生完成課程體系學(xué)習(xí)并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)后,能掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法,具有熟練應(yīng)用相關(guān)軟硬件工具的技能。

2.4 面向理論,兼顧應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實(shí)際的AVR、AVR32等架構(gòu)知識相輔相成,理論與實(shí)際相結(jié)合。通過AVR、AVR32等架構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng)的具體案例學(xué)習(xí),使學(xué)生更好地理解和掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理;與此同時(shí),嵌入式系統(tǒng)原理性知識的學(xué)習(xí)反過來又能促進(jìn)學(xué)生對AVR、AVR32等架構(gòu)以及嵌入式操作系統(tǒng)的掌握,兩者相輔相成。進(jìn)而將嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)綜合到一起,強(qiáng)化學(xué)生從系統(tǒng)角度分析問題和綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng),形成對嵌入式系統(tǒng)的整體性把握,符合計(jì)算機(jī)學(xué)科本科生“面向理論,兼顧應(yīng)用”的培養(yǎng)目標(biāo)[14]。

2.5 提出新的教學(xué)實(shí)踐模式

提出“從理論到實(shí)踐,從科研到教學(xué),從課內(nèi)到課外”三個(gè)層面的教學(xué)實(shí)踐模式。

(1)從理論到實(shí)踐。在嵌入式課程設(shè)計(jì)中既包含一定學(xué)時(shí)的理論知識教學(xué)與討論,也有配套的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動。提倡理論與實(shí)踐并重,讓學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)踐活動建立在可行的理論基礎(chǔ)之上。

(2)從科研到教學(xué)。把國內(nèi)、外優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)教材和當(dāng)前工業(yè)界先進(jìn)的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)融入到嵌入式課程實(shí)踐中。比如不斷引導(dǎo)學(xué)生從一個(gè)簡單的測試程序,漸漸發(fā)展為多任務(wù)、多進(jìn)程的程序設(shè)計(jì),讓學(xué)生學(xué)會將嵌入式操作系統(tǒng)用到自己的設(shè)計(jì)中;又比如將USB總線、以太網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)的驅(qū)動協(xié)議堆棧開發(fā)引入到本課程的課程設(shè)計(jì)中,引導(dǎo)學(xué)生去思考如何做好微處理器之間的接口及通信;再比如將人機(jī)界面、接近傳感觸摸等人機(jī)界面互動的科研成果也引入到課程設(shè)計(jì)中,引導(dǎo)學(xué)生去探索更貼近實(shí)際應(yīng)用的人機(jī)接口技術(shù)。

(3)從課內(nèi)到課外結(jié)合。主動將課堂引申到課外,通過“課堂教學(xué)+自我調(diào)研”的拓展,一方面鍛煉學(xué)生自己動手查找最新科技資料的能力;另一方面老師也通過將自己的調(diào)研所得與學(xué)生進(jìn)行分享,彌補(bǔ)了課堂教學(xué)在內(nèi)容上的不足;同時(shí)還能增強(qiáng)學(xué)生對知識點(diǎn)的深入理解,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,可謂一舉多得。學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅僅局限于課堂,知識的獲取途徑增加了,知識的寬度和深度也增加了,學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果也就相應(yīng)提高了。

2.6 以工程項(xiàng)目為核心進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)

借鑒IT行業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)模式,利用項(xiàng)目開發(fā)的方法進(jìn)行課程設(shè)計(jì)管理,充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,培養(yǎng)他們自主創(chuàng)新的思想,大膽動手實(shí)踐,綜合運(yùn)用知識的駕馭能力,注重團(tuán)隊(duì)合作精神,對嵌入式新技術(shù)的敏銳洞察和探索興趣[15]。

3 要達(dá)到的效果

3.1 充分利用校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室

在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中針對不同層次學(xué)生提出一套行之有效的教學(xué)方法,設(shè)計(jì)一批實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,針對目前學(xué)生動手實(shí)踐機(jī)會不足,對課程知識理解不夠充分的問題,充分利用校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行AVR嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)課程知識的綜合應(yīng)用與動手實(shí)踐能力,使學(xué)習(xí)與工程實(shí)際相結(jié)合,與國內(nèi)外工業(yè)界的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)踐接軌。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技能是一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生本應(yīng)具備的基本知識。從自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的角度看,軟件設(shè)計(jì)人員只須擁有邏輯上的單向思維能力就能保證軟件設(shè)計(jì)的成功,即過量單純的軟件設(shè)計(jì),不斷強(qiáng)化設(shè)計(jì)者純邏輯性思維和收斂性思維。這顯然與培養(yǎng)植基于多維多向的發(fā)散性思維方式和非邏輯思維方式的創(chuàng)造能力是相違背的[16]。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)則不同:首先,嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身包含了軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容;其次,嵌入式系統(tǒng)可以有許多相關(guān)或互為獨(dú)立的模塊組成,相關(guān)模塊的關(guān)系可以是同步,也可以是異步。設(shè)計(jì)和掌握嵌入式系統(tǒng)必須擁有并發(fā)和多維的思想方法[17]。因此,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練十分有利于啟蒙學(xué)生的發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

4 結(jié)語

充分利用學(xué)校與企業(yè)等多種不同的教育環(huán)境和教育資源以及在人才培養(yǎng)方面的各自優(yōu)勢,把以課堂傳授間接知識為主的學(xué)校教育與直接獲取實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、提高能力為主的生產(chǎn)、科研實(shí)踐有機(jī)結(jié)合于學(xué)生的培養(yǎng)過程之中。探索出一套針對不同層次學(xué)生的“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)方法,設(shè)計(jì)一批具有實(shí)用性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并撰寫一本《基于AVR/AVR32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)講義。在此基礎(chǔ)上,有望提高該課程乃至其它計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)效果,培養(yǎng)出更多具有較強(qiáng)動手能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生。

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