通过校企联合办学促进教学创新与改革

冼 进， 贾德良， 毕 盛

（华南理工大学计算机科学与工程学院，广东广州 510006）

0 引言

嵌入式系统是一门综合性强、技术发展十分迅速的前沿性、交叉性学科，其理论和实践性都很强。嵌入式系统的应用十分广泛，包括制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面，“嵌入式系统”课程已成为计算机专业中一门十分重要的硬件技术基础课［1-2］。

然而，目前许多高校的“嵌入式系统”课程由于种种原因，仍旧是定位为“汇编语言”和单片机开发的层面上，因而国内教材内容普遍存在着“理论脱离实际”的状况，微处理器领域的很多最新技术不能及时引入大学的课堂教学中;在实验教学方面仍然停留在一些早期8051单片机实验平台上，用分离元件和插线方式进行拼装搭接，只能完成简单单片机的开发验证性实验，与工业界的实际情况尚有较大的差距，使学生无法从这样的“设计”过程中了解现代实用嵌入式系统设计技术，进而对于硬件技术的学习和应用研究望而生畏，提不起兴趣。为此，本文提出以校企合作，制定以嵌入式系统实验为基础，应用嵌入式系统领域最新的AVR XMEGA和AVR32体系结构微处理器产品来改革“嵌入式系统设计”课程教学，以适应当前国内外业界研究开发趋势［3-4］。

1 校企联合办学基础

1.1 师资力量宏厚

（1）教学方面。学院拥有多位具有丰富计算机硬件课程教学和实践经验教师，执教过不同层次的学生，对学生各部分知识的学习情况有全面的了解，对该课程的教学特点和多种教学方法均有深刻的体会，在多年的科研过程中积累了丰富的硬件开发经验，不仅能为本课程的课程改革和实验项目设计提供强有力的支持，而且能在教学活动中如何理论紧密联系实际，形成一套有针对性、实用性强的教学体系。

（2）实验实践方面。主要骨干教师和部分实验人员都具有多年的数字逻辑、嵌入式系统和智能机器人等计算机硬件课程教学经历，辅导过多届学生的计算机硬件实验和课程设计，积累了丰富的实验和课程设计指导经验，是一支开展嵌入式系统实验环节教学改革与创新不可或缺的管理与技术兼顾的队伍［5-6］。

1.2 具有丰富的联合办学经验与较充分的条件

学院计算机教学实验中心的硬件实验室拥有多套单片机、微处理器及FPGA实验设备和多种测试仪器，可以为嵌入式系统的实验项目设计提供参考和测试环境。学院已与Intel、Google公司、腾讯公司、神州数码网络等国内外大型IT企业共建联合实验室，在校企产学研合作方面有一定的经验可供借鉴［7］。

爱特梅尔（Atmel）公司已经在国内26所大学签约共建校企联合实验室，包括清华大学、上海交通大学、中山大学等等“985”高等学校，在大学产学研合作方面有成功的经验。

1.3 合作教育实施方案

1.3.1 校企联合教学的实施途径

校企产学研合作教育的核心主要以计算机学院与合作单位Atmel公司共同承担校企联合实验室为基础，在这一基础上展开全方位的合作：学校和合作单位Atmel公司都指派具有丰富经验的教师和高级工程师作为教员，共同制定教学、科研和实习计划，编写有关教学方案，共同实施教学实践［8］。具体实施方案如下：

（1）改大纲、编讲义。首先，学校教师和合作单位Atmel公司的高级工程师组成的课题组对“嵌入式系统”课程的大纲进行修改，突出知识的应用性，对在实践中应用范围广的知识点加以强化，并安排相应的实验教学环节;其次，将学生在工作中可能会遇到的各种嵌入式系统设计实例作为生动的个案，使授课内容更丰富多彩，理论教材更完善;最后，将原来呆板的书面考核改为由学生自己创建实际系统进行演示与答辩。死记硬背的学生再也拿不到高分，而实践和创新能力强的学生则可一展身手［9］。

（2）引进研究生培养方式，实行联合实验室“导师制”。计算机学院与合作方Atmel公司共同选派优秀的专业教师和具有丰富实际工作经验的高级工程师担任导师工作。导师在联合实验室中不仅具有管理职能，而且还将给予学生积极的、画龙点睛的专业指导，加深学生所学知识，提高学生分析与解决实际问题能力。

（3）联系实际，提高学生就业竞争力。将联合实验室建设与毕业设计、就业单位需求紧密结合，使学生通过参加联合实验室的课程教学和实验实践，提高学生嵌入式系统理论与应用能力和市场竞争力。

1.3.2 校企联合办学组织管理措施

学院的主要职责是提供校企联合实验室的场地和负责实验室的日常维护工作，并派出具有丰富教学经验的教师完成实验室配套的“嵌入式系统”课程理论资源和实验教学改革措施。

Atmel公司提供校企联合实验室的基础硬件设备（主要是微处理器开发板），配套的开发软件及相关文档资料，并派出有丰富工作经验的工程师协助教师撰写教学讲义、多媒体课件，结合工业界的实际需求设计联合实验室的实践环节。

由学院主管教学领导牵头;由学校相关教师和企业工程师混编组成团队，主要负责对学生在联合实验室内的教学和实验环节进行日常指导工作。对联合实验室在人才培养和工程技术开发方面的产学研合作进行组织研讨和策划［10］。

2 教学方法的革新

2.1 借鉴先进科技成果，探讨“嵌入式系统”课程教学改革

积极参考国际主流厂商的微处理器体系结构，将课程设计与国际接轨。经过长时期的考察分析，选择美国 Atmel公司（Atmel Corp）的 AVR XMEGA和AVR32微处理器体系结构作为主要分析对象;同时，将国内嵌入式系统专业的一流大学，如北京航空航天大学、华东师范大学等的课程设计方案作为课程设计的参考。拟以经典的AVR（8位）和AVR32（32位）架构为主要学习案例，由浅入深地对微处理器构造以及工作原理进行深入分析和讲述，撰写实验室配套讲义教材，并结合多媒体技术开发新的教学课件，作为教学辅助手段［11-12］。

2.2 探索“课堂教学+自我调研”教学方法的运用

在课堂教学中，主要解决基本的概念和理论。比如：通过学习了解精简指令系统计算机（RISC）和复杂指令系统计算机（CISC）的体系结构特点和区别;掌握AVR处理器的设计原则和指令寄存器组的设置等等内容［13］。在自我调研的阶段，则要求在老师的引导下，学生通过互联网自行搜集和整理当前微处理器在某个子领域最新的发展动向和最新产品的性能情况，并根据所学理论，进行横向和纵向比较，最后形成调研论文，并且以平时成绩的形式进行考核。

2.3 探索校企联合实验配套的实验教学改革

以Atmel公司的AVR开发板及配套辅助设计软件工具为基础，拟将“嵌入式系统”课程的实验教学体系分成一组相互关联和相互作用的实验活动，设计一批实用性强的实验项目：

（1）硬件设计实验项目。要求学生能够运用Protel电路图工具自行焊接和设计AVR最小系统，实验设计完成的硬件系统可以直接为后续实验所用。

（2）软件设计实验项目。要求学生能够运用C语言，实现具有多任务/多进程管理的简单嵌入式操作系统（OS）。同时，在嵌入式OS上设计一些入门和测试程序，并且将嵌入式OS和测试程序代码写入AVR开发板，进行实际测试和验证。入门程序选择看似乎简单，其实是“麻雀虽小、五脏俱全”。入门程序选择的精简直观，对于激发学生兴趣十分重要。

（3）利用AVR开发板。学习一些常用的输入输出设备接口和网络通信接口驱动程序设计方法。如：总线、键盘、鼠标、USB口，以太网、无线传感网等等，扩展前面设计的计算机人机和通讯接口。

强调各门实验项目内容前后相继，每一个实验项目就是一个过程，一个过程的输出会直接成为下一个过程的输入，各门实验项目与课堂教学内容紧密结合并前后相连贯。在学生完成课程体系学习并完成相应实验后，能掌握嵌入式系统设计的原理和方法，具有熟练应用相关软硬件工具的技能。

2.4 面向理论，兼顾应用

嵌入式系统学习与实际的AVR、AVR32等架构知识相辅相成，理论与实际相结合。通过AVR、AVR32等架构和嵌入式操作系统的具体案例学习，使学生更好地理解和掌握嵌入式系统设计原理;与此同时，嵌入式系统原理性知识的学习反过来又能促进学生对AVR、AVR32等架构以及嵌入式操作系统的掌握，两者相辅相成。进而将嵌入式系统硬件设计与软件设计综合到一起，强化学生从系统角度分析问题和综合运用能力的培养，形成对嵌入式系统的整体性把握，符合计算机学科本科生“面向理论，兼顾应用”的培养目标［14］。

2.5 提出新的教学实践模式

提出“从理论到实践，从科研到教学，从课内到课外”三个层面的教学实践模式。

（1）从理论到实践。在嵌入式课程设计中既包含一定学时的理论知识教学与讨论，也有配套的创新性实验实践活动。提倡理论与实践并重，让学生的创新性实践活动建立在可行的理论基础之上。

（2）从科研到教学。把国内、外优秀的嵌入式系统教材和当前工业界先进的嵌入式设计技术融入到嵌入式课程实践中。比如不断引导学生从一个简单的测试程序，渐渐发展为多任务、多进程的程序设计，让学生学会将嵌入式操作系统用到自己的设计中;又比如将USB总线、以太网和无线传感网的驱动协议堆栈开发引入到本课程的课程设计中，引导学生去思考如何做好微处理器之间的接口及通信;再比如将人机界面、接近传感触摸等人机界面互动的科研成果也引入到课程设计中，引导学生去探索更贴近实际应用的人机接口技术。

（3）从课内到课外结合。主动将课堂引申到课外，通过“课堂教学+自我调研”的拓展，一方面锻炼学生自己动手查找最新科技资料的能力;另一方面老师也通过将自己的调研所得与学生进行分享，弥补了课堂教学在内容上的不足;同时还能增强学生对知识点的深入理解，提高学生的学习兴趣，可谓一举多得。学生的学习不仅仅局限于课堂，知识的获取途径增加了，知识的宽度和深度也增加了，学习质量和效果也就相应提高了。

2.6 以工程项目为核心进行实践教学

借鉴IT行业的项目开发设计模式，利用项目开发的方法进行课程设计管理，充分调动学生的积极性和主动性，培养他们自主创新的思想，大胆动手实践，综合运用知识的驾驭能力，注重团队合作精神，对嵌入式新技术的敏锐洞察和探索兴趣［15］。

3 要达到的效果

3.1 充分利用校企联合实验室

在嵌入式系统课程教学中针对不同层次学生提出一套行之有效的教学方法，设计一批实用性强的实验项目，针对目前学生动手实践机会不足，对课程知识理解不够充分的问题，充分利用校企联合实验室的基础设施资源进行AVR嵌入式系统设计，促进学生进一步加强课程知识的综合应用与动手实践能力，使学习与工程实际相结合，与国内外工业界的嵌入式系统设计开发实践接轨。

3.2 培养学生自主创新能力

嵌入式系统设计技能是一个合格的计算机专业学生本应具备的基本知识。从自主创新能力培养的角度看，软件设计人员只须拥有逻辑上的单向思维能力就能保证软件设计的成功，即过量单纯的软件设计，不断强化设计者纯逻辑性思维和收敛性思维。这显然与培养植基于多维多向的发散性思维方式和非逻辑思维方式的创造能力是相违背的［16］。

嵌入式系统设计则不同：首先，嵌入式系统的构建是一个软硬综合的并发系统，嵌入式系统设计本身包含了软件设计内容;其次，嵌入式系统可以有许多相关或互为独立的模块组成，相关模块的关系可以是同步，也可以是异步。设计和掌握嵌入式系统必须拥有并发和多维的思想方法［17］。因此，嵌入式系统设计训练十分有利于启蒙学生的发散性思维和自主创新能力培养。

4 结语

充分利用学校与企业等多种不同的教育环境和教育资源以及在人才培养方面的各自优势，把以课堂传授间接知识为主的学校教育与直接获取实际经验、提高能力为主的生产、科研实践有机结合于学生的培养过程之中。探索出一套针对不同层次学生的“嵌入式系统”课程的教学方法，设计一批具有实用性和创新性的实验项目，并撰写一本《基于AVR/AVR32的嵌入式系统设计》教学讲义。在此基础上，有望提高该课程乃至其它计算机硬件课程的教学效果，培养出更多具有较强动手能力和创新能力的学生。

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