以項目為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)研究

李春光?謝光前

摘要：為了改進嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，將項目教學(xué)引入嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)中。通過分析現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺的特點，以注重學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的基本原理為目標(biāo)，選擇μCOS-II操作系統(tǒng)和STM32F10X系統(tǒng)作為課程的主要實踐教學(xué)平臺，Linux操作系統(tǒng)和OMAP3530平臺作為拓展教學(xué)平臺。以“從簡單到復(fù)雜，從模塊到系統(tǒng)”的原則設(shè)計項目教學(xué)案例。在卓越工程師教育培養(yǎng)計劃中實踐了以上教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)，使學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣有了很大提高，教學(xué)效果良好。在大學(xué)生實踐創(chuàng)新和RobCup機器人競賽活動中檢驗了該方法對學(xué)生能力的培養(yǎng)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式；項目教學(xué)法；實踐教學(xué)；μCOS-II；Linux

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0183-02

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品不斷推陳出新，社會對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才的需求量非常大。但是嵌入式技術(shù)有著非常強的綜合性、實踐性和應(yīng)用性，如何改善高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，改革人才培養(yǎng)過程中以灌輸式和知識傳授為主的做法，已經(jīng)引起眾多本課程教師的關(guān)注。[1-3]

常州工學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)已獲批教育部第二批卓越工程師教育培養(yǎng)計劃高校試點專業(yè)。按照“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)要緊密結(jié)合學(xué)校應(yīng)用型人才的辦學(xué)定位，注重學(xué)生工程實踐經(jīng)驗的積累?！绊椖拷虒W(xué)法”[4，5]是通過實施一個完整的項目而進行的教學(xué)活動，其目的是在課堂教學(xué)中把理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力。

為此，在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計劃，將“項目教學(xué)法”引入到實踐課程教學(xué)中，選擇適合學(xué)生的嵌入式軟硬件平臺和項目案例，著力推動基于問題與項目的研究性學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生以嵌入式應(yīng)用開發(fā)項目為導(dǎo)向在實踐中學(xué)習(xí)。

一、嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺的選擇

通過對嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能具備一定的嵌入式系統(tǒng)編程能力，能將課堂講授的理論知識編程實現(xiàn)，能有意識的將課堂所學(xué)理論知識應(yīng)用于具體實踐。良好的實驗平臺可以促進學(xué)生邊實踐邊學(xué)習(xí)，使學(xué)生克服重理論輕實踐、理論脫離實踐的不良影響，大大提高學(xué)生的實踐能力。

現(xiàn)有高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺眾多。教學(xué)中采用的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、μC/OS-II、eCos、Linux和Wince等，實驗箱采用的CPU有Cortex-A系列、Cortex-M系列、ARM9、ARM11等等。為使軟硬件平臺適應(yīng)一般本科院校學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對以上系統(tǒng)進行了分析比較。μC/OS-II操作系統(tǒng)代碼短小精悍，易讀易懂，也包含實時內(nèi)核、任務(wù)管理、任務(wù)間通信同步等功能。而Linux、eCos等操作系統(tǒng)源碼過于復(fù)雜，初學(xué)者看此類操作系統(tǒng)源碼會異常困難。以使大多數(shù)學(xué)生掌握嵌入式操作系統(tǒng)原理、多任務(wù)程序設(shè)計方法、任務(wù)間同步與通信方法為目的，選擇μC/OS-II作為教學(xué)中主要使用的嵌入式操作系統(tǒng)。[6]與Cortex-A、ARM9、ARM11等CPU內(nèi)核相比，屬于Cortex-M系列的STM32F10X芯片易于學(xué)習(xí)與使用，因此被廣泛應(yīng)用于成本和功耗敏感的嵌入式終端產(chǎn)品。選擇STM32F10X實驗板作為主要硬件實驗平臺。為了便于學(xué)生進一步學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)知識，選擇Linux操作系統(tǒng)和Cortex-A8系列的OMAP3530平臺作為拓展教學(xué)平臺。

通過選擇μC/OS-II+STM32F10X為主要教學(xué)平臺，Linux+OMAP3530為拓展教學(xué)平臺，在實踐教學(xué)設(shè)備上形成了從簡單到復(fù)雜的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。在教學(xué)實踐過程中，很容易提高多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生逐步在具體實踐中養(yǎng)成獨立思考的習(xí)慣，逐漸培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。

二、項目案例設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)和實踐教學(xué)內(nèi)容的制訂與講授中，需要改變主要偏向于理論教學(xué)而忽視了對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，進而導(dǎo)致學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象。在實踐教學(xué)內(nèi)容中，一方面強調(diào)理論教學(xué)和實踐教學(xué)二者都不可偏廢。另一方面對理論教學(xué)和實踐教學(xué)在教學(xué)計劃中如何安排，采取了兩種做法：一是將其各自獨立安排，自成體系，齊頭并進，相互促進。擺脫實踐教學(xué)附屬于理論教學(xué)的局面，以確保學(xué)生的應(yīng)用能力不斷提高。二是將理論教學(xué)和實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來，由簡到繁，由基礎(chǔ)實驗逐步過渡到項目實踐，循序漸進，互相促進，朝著總的培養(yǎng)目標(biāo)共同發(fā)展。根據(jù)課程內(nèi)容，將實驗內(nèi)容分為uC/OS-II實驗、STM32F103實驗和綜合項目實踐三大部分，如表1至表3所示，其中的項目案例來源于具體嵌入式產(chǎn)品開發(fā)項目。在教學(xué)過程中，從易到難引導(dǎo)學(xué)生在實驗實踐中掌握嵌入式系統(tǒng)知識，將課堂教學(xué)、實驗室等教學(xué)方法有機結(jié)合，既豐富了實習(xí)教學(xué)內(nèi)容，又活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，有效地提高了學(xué)生的實踐教學(xué)質(zhì)量。

三、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃下嵌入式系統(tǒng)項目教學(xué)法的具體實踐

在卓越工程師教育培養(yǎng)計劃下，應(yīng)注重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。在嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)工程中，以“從簡單到復(fù)雜，從模塊到系統(tǒng)”的思想引導(dǎo)學(xué)生逐步開展實踐活動。常州工學(xué)院在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向開設(shè)了“嵌入式操作系統(tǒng)”和“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用”兩門課程。“嵌入式操作系統(tǒng)”課程詳細(xì)講解了uC/OS-II操作系統(tǒng)的原理，同時對Linux操作系統(tǒng)進行了簡介。此課程通過例程和實驗讓學(xué)生掌握嵌入式操作系統(tǒng)基本原理與任務(wù)間同步與通信的方法。“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用”課程主要講解STM32F10X芯片結(jié)構(gòu)、uC/OS-II和uCGUI在STM32F10X芯片上的應(yīng)用，同時簡介了基于Linux的 OMAP3530平臺開發(fā)流程與方法。

為了將“項目教學(xué)法”引入嵌入式系統(tǒng)課程的實踐教學(xué)中，在“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用”課程教學(xué)的前期就對學(xué)生講解已設(shè)計好的有實際應(yīng)用背景的項目課題，讓學(xué)生明確課題需求和完成此課題需要的知識點。然后對學(xué)生進行分組和選擇課題，通過開放實驗室的方式，以學(xué)生為主進行設(shè)計開發(fā)，教師在學(xué)生設(shè)計實踐過程中引導(dǎo)討論、給予建議與評價，引導(dǎo)學(xué)生解決實際問題。

學(xué)生通過項目教學(xué)實踐，極大地提高了對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，參加大學(xué)生實踐活動和學(xué)科競賽活動的積極性也有了很大提高。對于計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向，學(xué)生已做到每人都參加大學(xué)生實踐活動。近三年本專業(yè)學(xué)生在參加的RoboCup機器人競賽和服務(wù)外方軟件設(shè)計大賽中已獲得世界亞軍一項、全國亞軍一項、全國季軍兩項、全國三等獎三項。

四、結(jié)語

本文以“卓越工程師培養(yǎng)計劃”精神為指導(dǎo)，針對嵌入式系統(tǒng)課程，將實踐項目課題引入到實踐教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生完成從uC/OS-II、STM32F10X 32位ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)軟硬件學(xué)習(xí)到基于項目課題的綜合實踐能力的鍛煉。通過本文的教學(xué)實踐活動，加深了學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解與掌握，提升了學(xué)生嵌入式系統(tǒng)方向的工程素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]李鳳云.計算機本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程體系研究與實踐[J].高教論壇，2007，（4）：71-73.

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[5]徐欽桂，趙維銓，譚偉，等.嵌入式操作系統(tǒng)課程的案例教學(xué)法[J].計算機教育，2011，（18）：57-60.

[6]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：孫晴）