嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)改革的探索與實踐

張苗輝　張博　宋俊玉　黃啟剛

摘? ?要：本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的特點以及目前現(xiàn)有的教學(xué)問題，對嵌入式課程的教學(xué)方式進行了一些探索和改革，在原有課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了實踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)建創(chuàng)新小組，開展創(chuàng)新項目，在實踐中學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力，為學(xué)生今后從事嵌入式系統(tǒng)研究和開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)? 實踐教學(xué)? 創(chuàng)新項目

中圖分類號：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0213-02

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)作為物聯(lián)網(wǎng)的“核心”，是互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段的融合成果，在當(dāng)今社會的發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]。因此，當(dāng)今社會的發(fā)展對從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人才需求越來越強烈，培養(yǎng)更多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的創(chuàng)新型人才成為大多數(shù)高校的教學(xué)目標(biāo)。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的特點以及目前現(xiàn)有的教學(xué)問題，建設(shè)了一套以實踐為主、創(chuàng)新驅(qū)動的教學(xué)體系，該教學(xué)體系不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐能力，并且能夠更好地滿足社會發(fā)展對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的需求，響應(yīng)教育部“卓越人才”培養(yǎng)的號召。

1? 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

1.1 理論教學(xué)

以Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程為例，傳統(tǒng)教學(xué)主要介紹ARM的知識體系、Linux系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用和QT/Embedded界面的編程開發(fā)。由于大多數(shù)嵌入式教材偏理論化，沒有實驗例程與之配套[2]。此外，“Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”在理論上承接了“單片機原理與應(yīng)用”、“微型計算機原理與接口技術(shù)”等課程，重復(fù)的理論教學(xué)會浪費較多學(xué)時。在考試中，學(xué)生對于基礎(chǔ)知識部分的考察作答較為完善，而對于創(chuàng)新綜合考察題，在總體設(shè)計和代碼編寫上較為欠缺。

1.2 實踐教學(xué)

目前大多數(shù)高?；诒菊n程開設(shè)的實驗有嵌入式開發(fā)環(huán)境搭建、基于QT的嵌入式圖形界面實驗、嵌入圖形界面移植實驗和嵌入式觸摸屏實驗等。其目的是讓學(xué)生更深入地了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本概念和步驟，掌握嵌入式系統(tǒng)的特點和基本結(jié)構(gòu)。但這些實驗主要是對教材試驗范例的驗證，沒有完整的工程項目，實驗課時較少，實驗內(nèi)容枯燥，學(xué)生通常在教師的指導(dǎo)下完成實驗，無法吸引學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，在一些較為綜合性的實驗中，學(xué)生的表現(xiàn)較差。此外，由于教學(xué)設(shè)備限制，很少通過演示的方式來進行實驗教學(xué)，學(xué)生在試驗中具有盲目性，從而缺乏積極性，選擇敷衍了事，嚴(yán)重影響實驗效果[3]。

2? 嵌入式實踐教學(xué)改革

2.1 改變實踐教學(xué)的輔助地位

嵌入式課程改革的首要任務(wù)要確定實踐教學(xué)在該課程中的地位，進而改變以往的教學(xué)方式。在總學(xué)時不變的前提下，縮減理論授課的學(xué)時，增加實驗課程，甚至可以在機房、實驗室上課，方便學(xué)生進行練習(xí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在授課內(nèi)容上，適當(dāng)減少對硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的講解，增加嵌入式項目開發(fā)流程的講解和演示，從而保證學(xué)生在實踐過程中能夠更深入的理解最真實的嵌入式開發(fā)流程[4-6]。在課堂上向?qū)W生展示一些實際應(yīng)用中的嵌入式產(chǎn)品，如基于嵌入式的人臉識別、智能手表等，拓寬學(xué)生的視野，用嵌入式產(chǎn)品的科技感調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時學(xué)院應(yīng)提供實驗室現(xiàn)有的小型嵌入式實驗板或者購買一批嵌入式開發(fā)板供學(xué)生課下實踐開發(fā)。

2.2 考核形式改革

在以往考試中，理論考試和平時成績占70分，從而讓學(xué)生忽視課程實踐，不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。因此，該課程需要增加實驗的考核難度和分值，例如，每次實驗都要當(dāng)堂打分。學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識獨立完成實驗并且回答老師提出的問題后，方可獲得本節(jié)實驗課程的分?jǐn)?shù)，促使學(xué)生重視實踐，進一步提高學(xué)生的思維和動手能力，以達(dá)到實驗教學(xué)改革的目的。在完成基礎(chǔ)實驗的前提下，開展一些創(chuàng)新項目，作為檢驗課程成果的綜合性實驗，最后展示成果并提交小論文。

3? 創(chuàng)新項目實例

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的實驗中，為了吸引學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的綜合能力，應(yīng)當(dāng)挑選一些更加貼近生活的嵌入式項目使學(xué)生們自主地感受學(xué)習(xí)的樂趣，同時也能夠?qū)χR進行融會貫通。創(chuàng)新項目可由小組配合完成，既能提高學(xué)生積極性，又可以起到鍛煉學(xué)生團隊意識的作用。例如，設(shè)定3人為一組，1人負(fù)責(zé)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的制作與下載，1人負(fù)責(zé)算法和代碼編寫，另外1人負(fù)責(zé)撰寫論文。創(chuàng)新項目安排在課程實驗的后半階段，在完成基礎(chǔ)實驗并對嵌入式Linux開發(fā)平臺了解的基礎(chǔ)下開展，學(xué)生課下也可自行到實驗室開發(fā)，下面以嵌入式人臉檢測系統(tǒng)為例進行說明。

3.1 嵌入式開發(fā)板選擇

嵌入式開發(fā)板的選擇一般可遵循以下三個原則，選擇性能較強，外圍硬件和接口較為豐富且價格適合的板子;選擇軟件支持完善的開發(fā)板;選擇技術(shù)支持迅速的廠家。本創(chuàng)新項目選用的是ITOP-4412開發(fā)板。該開發(fā)板的處理器型號是ARM Cortex -A9，主頻為1.4GHZ，配有1Gb的DDR3，8Gb的FLASH。開發(fā)板的運行速度，內(nèi)存和存儲空間都能滿足圖像處理的需求。該開發(fā)板配套有許多開發(fā)實例視頻，有利于學(xué)生快速掌握開發(fā)流程。人臉檢測系統(tǒng)需外接USB攝像頭來采集圖像，利用自帶的LED顯示屏和觸摸屏進行人機交互。系統(tǒng)通過串口接受PC機指令和下載程序，通過串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340與PC機的USB口相連。

3.2 嵌入式軟件環(huán)境搭建

嵌入式系統(tǒng)環(huán)境搭建主要包括加載引導(dǎo)程序U-boot、Linux內(nèi)核，根文件系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序5個部分。嵌入式系統(tǒng)雖然發(fā)展較快，但開發(fā)板擴展資源較少，不能直接在開發(fā)板上開發(fā)，我們通常采用交叉編譯的方式進行開發(fā)。PC機使用Ubuntu系統(tǒng)，首先將U-boot源碼交叉編譯后下載到開發(fā)板中，對開發(fā)板硬件進行初始化并引導(dǎo)內(nèi)核啟動。通過U-boot將交叉編譯生成的zImage文件下載到開發(fā)板指定地址后啟動內(nèi)核。根文件系統(tǒng)是內(nèi)核啟動后掛載的第一個文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)同樣需要交叉編譯后再燒寫到開發(fā)板中。最后，將攝像頭、觸摸屏等設(shè)備的驅(qū)動程序以及QT和opencv移植到開發(fā)板中。QT為應(yīng)用編程提供圖形界面支持，opencv為應(yīng)用程序提供圖像處理函數(shù)庫。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

嵌入式人臉檢測系統(tǒng)應(yīng)用程序部分主要分為圖像采集和人臉的檢測。圖像采集部分主要通過UVC協(xié)議和V4L2接口控制USB攝像頭的分辨率和幀率。同樣地，首先在PC端進行仿真實驗，再移植到基于ARM的嵌入式板子中，運行結(jié)果如圖1所示。

4? 結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新性人才是社會的需求，同時也符合教育部培養(yǎng)卓越人才的號召。從學(xué)生自身來講，學(xué)生動手能力的增加有利于激發(fā)其對科學(xué)研究的興趣，促進理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而理論的增強，又為學(xué)生下一步實踐指明了方向。兩者相輔相成，才能培養(yǎng)創(chuàng)新思維，研發(fā)創(chuàng)新成果。總之，就嵌入式教學(xué)來說，應(yīng)當(dāng)增加實踐教學(xué)，使學(xué)生在實踐中更好地掌握這門課程同時提高了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

參考文獻

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