前言

 

    一、学习方法

    教育的目的是使学生掌握正确的学习方法、工作方法和思想方法，无论是所学的课程还是专业，无非是一种载体，通过这个载体来促使大家掌握这种方法。

    教与学本来是一对矛盾，“教”虽然有指导作用，但毕竟是外来因素，“学”才是内在因素，学生只有通过主动学习，才能把老师教的知识变为自己的知识，那就必须成为有自学能力的人，只有这样才能战胜自己，战胜“拦路虎”。有了自学能力，就可以不断获取新的知识，无须再让老师讲，这就是无师自通。

    培养自学能力首先要培养学生会找需要的资料，其次要会读这些资料，能很快从这些资料中提炼出最核心最有用的东西，能整理得有条有理，跟原先所学挂上钩，第三要有眼光，能够从中发现、提出问题，看到进一步发展的景象。有了这个能力，你就永远不会落伍。

    在大学读书时，作者的课余时间主要阅读与本阶段所学内容有关的参考书，通过整理摘要搞清楚关键的知识点，争取能够用自己的语言给别人描述，接着每个月还要整理一次，按照原理、经典范例、设计、应用、测试与维修等几个方面整理相关知识点，将所有内容综合起来删除其中的废话，重新理出一个阶段的学习成果，“由薄到厚”写成一本自己的“书”。到每学期结束后，再将笔记“由厚到薄”变成一本小册子，这就完全成了自己的东西。这种做笔记、写总结的方法，就是将老师和别人的东西，经过思考、消化变成自己的东西。

    当你在大学毕业时可能还有一系列的问题没有解决，但通过训练你已经知道如何进行调查研究，如何提出问题，如何根据自己的条件来决定怎么往下做，此时已经真正具有独立从事研究工作的能力了。

 

   二、卓越工程师教育之路

   1. 卓越计划简介

   “卓越计划”主要强调“理论与实践、教与学、学校与企业”三个紧密结合，全面贯彻和落实“构思、设计、实施、运行”在做中学的原则和基于项目驱动的教育和学习。企业由单纯的用人单位变为联合培养单位，高校和企业共同设计培养目标，制定培养方案，共同实施培养过程。在企业设立一批国家级“工程实践教育中心”，让学生在企业学习一年，“真刀真枪”做毕业设计，强化培养学生的工程能力和创新能力。         

    2. 校企联合的尝试

    在江西理工大学、成都信息工程学院与西安邮电学院等大学的大力支持下，我们开始在大四阶段进行了试点，挑选30位对专业感兴趣的“好苗子”组成一个教改班。针对学生的实际情况和结合专业发展方向，重点强化嵌入式系统的应用。在双方的共同努力下，做到了每人一台计算机，还包括大量的元器件、嵌入式模块与开发平台，并组建了经过专业实践训练的教师队伍。通过一年的训练，虽然学生深受用人单位欢迎，但这种教学模式无法惠及更多的学生，那么怎样才能做到大众教育与精英教育相结合呢？

    3.渐进式的试点

    接着将教改延伸到大三，组织对专业感兴趣的低年级学生参加业余试点班，并在大一学生中成立C语言俱乐部，组织学生利用课余时间强化动手能力。与此同时组织优秀学生成立“小教授讲师团”，重点开展第二课堂的教与学，让高年级学生辅导低年级学生，起到了良好的效果。在“教与学”的过程中，优秀学生不仅提高了组织能力、管理能力与沟通能力，而且通过“教学”发现了自己的不足之处。在连续几年“教与学”的实践过程中，自然而然地在学生中形成了良好的学习氛围，学生的积极性、凝聚力和团队精神大大地得到了提升，相当一部分学生由“要我学”向“我要学”转变，学生的质量一届比一届有很大的提高。

    由此可见，要想提高学生的质量，必须从大一开始抓起！只有这样才能从根上解决问题。

    4. 学生管理工作的探索

    从2006年以来，经过在江西理工大学等多所大学的教学试点，一个不容忽视的事实，学生的质量与辅导员的责任心和管理措施有直接的关系。比如，江西理工大学电类专业的一个辅导员所带的班，在大一阶段只有一个学生补考了一门课程。而很多的老师却常常给自己一个借口，学生不想学怎么办？

    我们不妨将参加教改班级的辅导员整合形成一个团队，由一个责任心和能力都很强的辅导员担任组长。总结教改经验制定一份详细的管理规范，其内容包括班级教学（定期让辅导员到企业学习与实践，让辅导员参与教学辅导）、班级管理（班级组织建设、作息时间、会议管理与班级制度）、创新实践、班级活动（每日：晨跑/讲坛/回顾/英语/一题）、班级文化（班歌、班徽、班旗与班级格言）、水平考试（笔试与机试，由校外机构命题）、毕业典礼、就业推荐（推荐学生到企业实习一年做毕业设计）与人才跟踪（了解毕业生职业发展，建立人才就业的渠道）等。

    比如，每日的早锻炼和周末体育锻炼，通过这些活动磨练学生的意志、培养团队协作的集体主义精神，学生是否做到了？班干部是否管理到位了？如果学生课余不来开放式实验室，作为辅导员是否知道学生在做什么？晚自习学生是否来了？这些都需要辅导员检查并做到心中有数，只有这样才能在更大程度上帮助后进学生进步。  

    三、创新教育实践新思维

    在传授基础理论的同时，应重点培养学生应用知识的能力，所以必须在大一第一学期，下功夫抓好同步开设的《C程序设计》与《新编计算机基础教程》教学与实践环节。在教法上必须强调理论与实践的紧密结合，并以培养学生的动手能力和学习兴趣为主。

    尽管针对每门课程学生都会做一些经典实验，看起来似乎做到了理论与实践相结合。由于教材之间缺乏紧密的关联，从根本上来看学生并没有完全将知识转化为能力，以至于无法做到学以致用、学以会用、学以可用，其结果就是考完就丢。            

    还有一个教学认识论方面的重大误区，只要一提到强化学生的软硬件实践动手能力，一些老师就片面地认为偏离了专业方向，不屑一顾地认为这是在培养技工。其实强调学生动手能力训练的目的就是要帮助学生消化在课堂学到的理论知识，达到相互促进的目的。

    事实上，当读大学二年级的盖茨从哈佛大学退学决定创办软件公司时候，此前他已经无间断地编写了7年的程序，几乎每个周末都在编程，很少有那个星期不是超过20或30小时，这个时间远远超过10 000小时，我想没有人怀疑盖茨的知识水平和能力吧！

    我们知道，爱德华·罗伯茨于1974年推出了第一台基于Intel微处理器的个人电脑Altair 8800，虽然Altair的生命非常短暂，却从此点燃了PC的创新之火，并激发了盖茨、艾伦、乔布斯和沃兹奈克等无数爱好者，盖茨与艾伦为此而设计了BASIC语言解释器。

    事实上电类专业开设的每一门课程都是有实用价值的，数学是为设计计算方法服务的，自动控制理论与人工智能是以数学为基础的专业基础理论课，计算机和嵌入式系统则是承载计算方法和实现人工智能的载体，而硬件知识是设计和制造计算机以及嵌入式系统的重要基石。由此可见，我们学习的所有课程都是围绕计算机和嵌入式系统而展开的，那么我们的学习不妨从设计和制作一台简易的计算机原型机开始。

    究竟大一学生是否能够自己独立设计一台简易的计算机原型机呢？我们不妨沿着罗伯茨、盖茨、艾伦、乔布斯和沃兹奈克所走过的成功之路，制作一台与Altair 8800一样的简易计算机原型机，培养学生对专业的学习兴趣，这就是我们实施创新教育改革的出发点。

    我们知道，后续的全部课程都是以计算机和嵌入式系统载体所开设的专业基础课和专业课，这是无法回避的现实，因此必须将大一与大二所学到的知识转为设计能力服务于后续的课程，这种教学模式能够保证4年数学不断线、4年C语言不断线、4年硬件不断线和4年应用不断线，整个大学4年的学习环环相扣一气呵成，这就是我们所提倡的“以计算机和嵌入式系统为基础，向周边临近的知识点扩张”的创新教育思想。

 

    四、教学内容的安排和组织

    1. 学时分配与教法

    本教材是按照56~64学时教学内容编写的，其中，前3章为12学时，以实践为主；后4章节为44学时，强调理论与实践相结合。建议前三章与后四章同步开课，即在讲授第一章时同步讲授第四章，让学生有更多的时间去实践。

    为了进一步提高学生的动手能力，除了正常的实验课之外，成功的做法：“由学校提供一个场地，让学生自带计算机，建立一个由学生自主管理的开放式创新实验室。” 这样便于从大一开始建立学生团队，营造一个良好的学习氛围。只有这样才能做到：无论是课后还是周六与周日，学生都有机会进入实验室做自己喜欢的事情。

    2. 前3章内容的教学

    第一章“计算机基础知识”与传统教材差别不大，主要分为计算机的发展与应用、数制与编码与计算机系统等知识的简介。

    Word与PPT是人们在今后的学习和工作中必不可少的工具软件，但只需要在写作文档和制作PPT时，有针对性地查阅相应的规则即可熟练掌握。因此建议教学和考试的方式以实践为主，任课教师可以书本中提供的一篇图（表）文并茂的范例作为教学内容，从选择和制作模板开始，与学生一起在课堂中将范例“写”出来，然后再与学生一起在课堂上将范例制作成PPT。考试内容可以安排学生按照文档写作规范撰写一篇详细的自我介绍，然后再制作成PPT，内容可以介绍自己的家庭、家乡、毕业学校和自己的理想等，要求图文并茂，并当众演讲。

    第二章“文档的写作规范”是作者长期以来写作开发文档和创作图书的经验积累，并上升标准的规范。当然写文档是有要求的，首先要达到“深入浅出”，这就要求用自己理解的文字记录电路原理和设计思想。其次要求达到“图文并茂”，如果能够做到将繁琐的难懂的理论知识转化为一目了然的辅助图或表，说明开发者在理论上能够做到自圆其说了。再一个要求必须做到“前后铺垫与来龙去脉”，所以不能只写表面的东西，那只能说明你没有真的搞懂如何设计。

    第三章“PowerPoint创作技巧”是作者所在公司员工在长期编写课件和演讲稿创作中的经验积累，我们深深地体会到，完美的PPT和陈述能够起到画龙点睛的作用。21世纪对人才的要求发生了翻天覆地的变化，仅有技术是不够的，还要求人才具有一定的组织能力、沟通能力、演讲能力和推销自我的能力，PPT就是很好的载体。

    3. 后4章内容的教学

    第四章为“计算机逻辑基础”，主要介绍电阻、电容、电感、二极管、三极管、直流电源电路、逻辑代数、简单的门电路、基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路、触发器、存储器等器件的使用方法，并未牵扯其中更深入的内部结构，因为这些内容后续的《数字电子技术》与《模拟电子技术》中将会详细介绍。

    第五章为“单片计算机硬件结构”，有了第四章的基础，那么设计与制作一台简易的纯硬件的计算机原型机也就非常容易了。这是一台不需要个人电脑作为辅助开发工具，可以使用自带的键盘、二进制显示器和读写控制电路输入二进制微代码，能够直接运行程序的计算机。尽管我们所制作的是一台非常简易的计算机原型机，麻雀虽少但五脏俱全，且具备计算机的所有特征，因此完全能够达到深入理解计算机原理的目标。

    第六章为汇编语言程序设计基础，有了C语言之后，汇编语言是否重要呢？回答是肯定的。虽然应用层软件的设计几乎都不需要用到汇编语言，但在深入学习和理解C语言以及嵌入式操作系统的过程中是离不开汇编语言的，本书将重点放在程序设计思路，而不是汇编语言本身。特别在学习C语言的过程中，如果结合汇编语言来理解C，将会达到事半功倍的效果。

    比如，示例“cTmp1 = setjmp();”，对于SDCC51来说，编译器将调用setjmp()函数的语句编译成：

    LCALL    _setjmp;

    当执行这条指令后，单片机将“返回地址”保存到SP指向的idata中。与此同时，编译器将“return 0”编译成：

    MOV      DPL,#0x0                                 ;SDCC用DPL保存char类型返回参数

    RET

    然后将setjmp()的返回值保存到变量cTmp1中，即“cTmp1 = setjmp();”。对于SDCC51来说，编译器将这条C语句编译成：

    ;参数赋值语句

    LCALL    _setjmp

    MOV      A,DPL                                    ;SDCC用DPL保存char类型返回参数

    “返回地址”指向“MOV   A,DPL”这条语句指向的位置。

    其实是否熟练掌握程序设计的关键不在于语法规则，而是通过实践得到的设计思想。基于此作者建议，指令系统仅需讲解几个学时即可，然后将主要精力放在软硬件设计上。

    第七章为经典范例程序设计，其实提高理论与技术水平的最佳途径就是从一个很简单的问题或示例入手，不仅要探究“如何做”，而且还要理解“为什么这样做”。

 

    五、面向对象

    虽然本书最早的出发点是为电类专业编写的，但随着嵌入式技术的高速发展，这些内容同样也是计算机相关专业必备的基础，因此本书不仅适用于电子信息工程、电气自动化、自动化、电子科学与技术、测控技术、通信、医学电子、机电一体化等所有的电类专业，而且同样适用计算机科学与技术、计算机应用与软件工程等专业。

 

    六、结束语

    本书是由周立功、王祖麟（江西理工大学）、杨明欣（成都信息工程学院）、朱旻、周东进历时3年构思与实践联合创作而成的“高等学校电类专业卓越工程师教育新概念教材.卓越工程师教育丛书”中的第一本专著。由周立功担任主编，负责本书全部内容的主创、构思、设计、修改和最终的定稿，王大星和张洁纯参与了本书的编写，周小明为本书录制视频付出了辛勤的劳动。

    面对传统的教学体制，尽管教改之路依然困难重重，但是在江西理工大学、成都信息工程学院、西安邮电学院、长沙理工大学、宁波大学、南华大学、东华理工大学、东北林业大学、广东工业大学和韶关学院的领导和教师的大力支持下，经过五年的艰苦实践和试点，终于迈出了第一步，并且取得了明显的效果，在此一并表示感谢。

 

警告与自我管理

            

    一、警告（立志成大事者之大忌）

课前不预习，课后不复习，上课不做笔记，课后不做小结，期末不做总结。
上课不用心，迟到、早退与逃课习以为常，进实验室不动手，自欺欺人抄报告。
辜负父母的期望，不珍惜父母的血汗钱，沉湎于游戏与网络自甘堕落。
平时不努力，考前突击、考试作弊、考后“挂科”不总结经验吸取教训。
自我安慰（车到山前必有路），总将希望寄托于明天。
   二、目标管理（请每天看一遍，自问是否做到了？除非你不想成功。）

你能做到在课余时间与节假日坚持学习吗？比如，周末还在实验室做设计。
你是否立志成为“小教授讲师团”的一员？（提示：在大二阶段辅导大一学生）
4.1.1小节的“成功心法：如何查资料写论文”给了我们启示，你准备本学期写几篇小论文？你是否决定大学期间在正式的期刊上发表自己的第一篇论文？
在4.1.2小节、4.2节、4.3节中，要求初学者使用EDA软件仿真相应的电子电路，但仅有少数人完成了。你是成功的少数吗？
4.4.3小节的“成功心法：制作你的第一个产品”给了我们提示，你是否立即行动？
看一看4.8.1小节的“关键知识点”，或许做不出来，但你是否尽了全力？（提示：可以通过查资料独立完成，也可以与同学合作完成，还可以在老师的指导下完成。）
根据相关的知识点，你是否打算课外独立做一些小的应用设计？
你能总结出本书所有的“关键知识点”吗？
合上书本闭上眼睛，你对所学的知识能够娓娓道来吗？
你会将本书所有的程序范例一一在实践平台上做一遍吗？
你有毅力和决心完成“选做”的课程设计吗？
你热心参与社团活动吗？你愿意帮助其他同学共同进步吗？你是否立志成为一个领导者？ 
 

                                                                          签名：_____________

                                                                                               

                                                                                 年   月   日

 

                             步步高：项目驱动——在做中学

 

    一、本学期总结

    当你学到这里的时候，大一的第一学期就要过去了。在这一学期里，我们已经学习了C程序设计方法，对计算机的原理也有了一定的了解，并小试牛刀地尝试了自己编写程序的滋味。当然还有很多的课程，比如《高等数学》、《线性代数》、《普通物理》等课程，其重要性想必其他的老师已经给你们讲了很多，在此无需深入探讨了。

    如果没有丰富的实践作为基础，则很难将所学的理论知识转为能力；如果没有扎实的理论基础而仅有实践经验，则将来势必缺乏可持续发展的创新能力，所以必须做到理论与实践相结合。未来，如果你决定继续从事与专业知识有关的、具有创造性的工作，那么必须趁热打铁深入学习，巩固和提高第一学期已经学过的知识，并刻意加强动手能力的训练，否则你很快就会将所学的知识忘得一干二净。

 

    二、下学期展望

    1. 《项目驱动——单片机应用设计基础》简介

    下学期将要学习的《项目驱动——单片机应用设计基础》专著就是与本书内容紧密衔接的进阶课程，该书包括8章，分别为项目驱动——在做中学、P89V51RB2 Flash单片机、单片机接口技术、数据结构与常用算法、实战篇：仓储空调系统（方案一）、TinyOS51嵌入式操作系统、TinyOS51程序设计基础、实战篇：仓储空调系统（方案二）。

    该书使用的器件编号和电路原理与《新编计算机基础教程》完全一样，当然也增加了不少新的器件，本学期我们分别用机器语言与汇编语言编写了相应的程序，但下学期的项目驱动与系统设计方法，则更接近工程实践，且使用C51高级语言编程，并开始学习基于TinyOS51嵌入式操作系统的应用程序设计。相信很多人都听说过“卖油翁”的故事吧！其实人没有生而知之，只要“熟练生巧”，专注力量成就梦想。

    2. 项目驱动——在做中学

    20世纪中期以来，工程教育主要以实际操作能力为主，主要考核的是工程师们的实际工作能力。随着工程科学的发展，工程教育越来越偏重工程科学和复杂的分析工具，而逐渐和实际操作能力相脱离。
    在经济全球化背景下，现代企业对毕业生专业技术知识的要求在不断提高，工程人员必须拥有良好的团队协作精神、系统分析能力及实际动手能力，以适应现代化工程团队、新产品及新技术开发的需求。

    事实上，在《新编计算机基础教程》的教学与实践环节中，学生已经初步掌握和具备了与单片机有关的应用设计知识，那么在开设本课程的过程中，必须从第一章开始为各个DIY小组确立项目驱动的内容，DIY的内容主要以数字技术为主，尽量做到不使用模拟器件。

    对于高水平的学生，还可以在几个重点的技术方向设立长期的课题学习与研究小组，比如，USB1.1协议、CAN-bus协议、LIN-bus协议、基于RS485的Mode-bus协议、GPRS无线通信、以及实现TCP/IP协议的小部分功能，以此为基础开发一些应用型项目。

    其次，拟定一些应用型的项目，比如，与红外遥控有关的项目、时间继电器、简易温控器、保险柜密码锁、IC卡读卡器、智能卡门锁……等简单的项目。

    3. 外设与接口

    以“Tiny51核心模块(MCU：P89V51RB2)+Tiny51 ICE仿真器&ISP下载编程器”为基础，精选一些典型的外围数字接口器件，DIY一系列典型的I/O接口电路板，编写相应的驱动程序，并撰写系列理论与实践相结合的应用性论文。

    在此过程中，主要培养学生独立运用技术资料的能力，辅以计算、仿真和设计应用电路的能力，强化个人独立制作、焊接和调试PCB电路板的实践动手能力，Step to Step地将应用程序调试成功。

通过DIY制作实践活动，帮助学生掌握各种常用数字接口电路的应用设计方法，再为DIY硬件接口电路编写相应驱动与应用软件的过程中，实现理论与实践互相促进和无缝连接的目标，这是将“应用设计基础”知识转化为“应用设计技术”能力的重要环节。

    从满堂灌、填鸭式的传统教学模式中跳出来，在任课老师的指导下，以学生为主体，将学生按照开发团队的模式组织起来进行管理，以DIY小组的形式开展有针对性的学习、讨论与设计。具体的成员数可以根据具体的项目需求，大约2~3人一组，而DIY的项目可能是以单片机应用为主，也可能是软硬件相结合的项目，那么也可能需要有人来承担计算机软件的开发。

    当然，不可能做到每种器件都让所有的学生DIY一遍，因此DIY必须是有针对性的，即就是基于项目驱动的DIY。在指导学生DIY的过程中，要求学生必须按照文档的写作规范和PPT创作技巧，撰写系列相关器件的原理与应用设计文档，让优秀学生来讲解各种数字器件的原理和软硬件应用设计。

    4. 数据结构与常用算法

    在复杂的项目开发过程中，数据结构与计算方法是必不可少。由于本书并非“数据结构与计算方法”的专著，因此仅仅结合本书的相关知识点做了一些最基本的介绍，希望让学生提前知道数据结构与计算方法的重要性和紧迫性，期望能够起到抛砖引玉的作用。

    5. TinyOS51开源操作系统

    要想成为一个优秀开发工程师，不仅要求对汇编语言有比较深入的了解，并熟练地掌握C语言，而且还必须真正地掌握嵌入式实时操作系统。

    基于此，作者组织编写了TinyOS51时间片轮询操作系统，其代码量不到1K字节，麻雀虽少，但肝胆俱全，主要让学生了解什么是任务？多任务是如何切换的？什么是信号量？什么是消息邮箱？为下一阶段深入学习µC/OS-II、Linux与WinCE高性能嵌入式操作系统打下坚实的基础。

    开源的TinyOS51 V1.4版本是完全使用80C51汇编语言编写的高效操作系统，适用于开发一些功能简单的商业项目，但不开放源代码。

    6. 实战篇

    在学习《新编计算机基础教程》与《项目驱动——单片机应用设计基础》的过程中，以一个虚拟的“仓储空调系统”为目标，分别用汇编语言、C51高级语言和基于TinyOS51三种不同的方式来完成。希望初学者在基于“裸机”与“操作系统”的编程过程中，能够深刻体会到各种方法的特点和优劣之所在。                                                                                                

    附录   高等学校电类专业新概念教材.卓越工程师教育丛书书目

    1. 新编计算机基础教程

    2. 项目驱动——单片机应用设计基础（含TinyOS51操作系统微小内核）

    3. ARM嵌入式系统初级教程（基于Cortex-M0）

    4. ARM嵌入式系统程序设计实验教程(含MiniOSM0操作系统微小内核)

    5. HDL与可编程逻辑器件

    6. 嵌入式系统接口技术

 

    MiniOSM0操作系统微小内核简介

    MiniOSM0是参照POSIX标准设计的，支持多线程的嵌入式实时操作系统微小内核，其大多数函数兼容POSIX同功能的函数，并且名字接近、参数顺序一致，为初学者学习高级操作系统打下坚实的基础。其特点如下：

    l         同时支持优先级调度和时间片轮询调度

    l         关中断时间为0   

    l         中断无软件延迟     

    l         内核使用独立堆栈

    l         类POSIX线程设计     

    l         支持信号（不是信号量）操作

    l         支持信号量操作

    l         支持互斥锁操作 

    l         支持读写锁操作

    l         支持子母锁

    l         ISR分上下部

    l         线程、锁、信号量的数目仅与系统具有的资源相关

       l         支持类POSIX的I/O系统

       l         通过I/O系统支持管道操作

    l         将来支持统计各个线程的CPU占有率