基于項目驅動型“嵌入式系統(tǒng)”課程教學探索

薛李娜 夏漢初 姚美琴 孫蔓 許婷

摘 要 在 新工科 人才培養(yǎng)背景下 文章以嵌入式系統(tǒng)課程為切入點 建立物聯(lián)網(wǎng)工程和計算機科學與技術應用本科實踐教學課程體系 探索以項目設計為中心的教學模式 形成以技術應用為主導的項目訓練 開展以學生為主體 以項目設計引領 以自主學習和團隊協(xié)作為原則的研討式教學模式 讓教師的教學活動從以 灌輸知識 為主向 傳授學習方法 轉變 使教師和學生發(fā)生根本性角色轉變 教師從 中心 地位 走 下來 變 教 為 導 學生改變以往被動接受的狀態(tài) 在課堂上 動 起來 變被動學習為主動學習 從而掌握良好的學習方法 該文章旨在為應用型人才培養(yǎng)提供有效途徑

關鍵詞 項目驅動 嵌入式系統(tǒng) 教學改革

中圖法分類號 g642? 文獻標識碼a

１ 引言

從２０１７ 年“新工科”的提出，至今為止已過５ 年，各大院校新增了一批新工科專業(yè)，開啟了培養(yǎng)應用型人才的新進程。馬鞍山學院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)就是在這一背景下開設的，在２０１８ 年招收了第一批學生。物聯(lián)網(wǎng)工程是計算機、控制、通信等學科交叉的跨學科專業(yè)，專業(yè)目標是面向行業(yè)應用培養(yǎng)復合型創(chuàng)新工程技術人才［１］ ，著重學生綜合素質、工程實踐能力、工程設計能力以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)，使學生能夠具備計算思維能力、程序設計與實現(xiàn)能力、網(wǎng)絡系統(tǒng)設計能力以及數(shù)據(jù)智能分析能力，并在物聯(lián)網(wǎng)重點應用領域，從事科學研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的設計、開發(fā)、集成和管理等工作。

“嵌入式系統(tǒng)”課程是以嵌入式系統(tǒng)技術為主導、應用為中心的課程。嵌入式系統(tǒng)技術以計算機技術為基礎，軟件硬件功能可裁剪，而且可靠性、功耗、成本、體積均有嚴格要求［２］ 。作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，“嵌入式系統(tǒng)”課程在物聯(lián)網(wǎng)的全面感知層面起到舉足輕重的作用。該課程具有較強的綜合性、實踐性，綜合軟硬件，理論教學內(nèi)容體現(xiàn)了多個學科的融合。學生若要學好“嵌入式系統(tǒng)”課程，則要將一部分先修課程學好：編程語言從Ｃ 語言到嵌入式ＬｉｎｕｘＣ語言應用編程，硬件也要先學習單片機原理與接口技術。

在日益信息化的社會，計算機和網(wǎng)絡已滲透人們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€角落，人們需要的已不僅是放在桌上處理文檔，而是需要進行工作管理和生產(chǎn)控制的計算機“機器”。各種各樣的嵌入式系統(tǒng)在應用數(shù)量上已超過通用ＰＣ［３］ ，任何一個人都可能擁有嵌入式技術的各種電子產(chǎn)品，如ｍｐ３、ＰＤＡ、網(wǎng)絡家電、智能家電、車載電子設備等。而在工業(yè)領域中，使用嵌入式技術的數(shù)字機床、智能工具、工業(yè)機器人也在逐漸改變傳統(tǒng)的工業(yè)方式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，嵌入式控制系統(tǒng)信息技術已成為智能和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可以快速發(fā)展的推動者。廣泛、多樣且高度分散的嵌入式系統(tǒng)市場包括軟件、開發(fā)平臺和硬件。目前，越來越多的行業(yè)、產(chǎn)品和服務依賴于嵌入式系統(tǒng)，這造成了在人才市場上嵌入式系統(tǒng)技術人才的緊缺。因此，“嵌入式系統(tǒng)”課程的開設旨在為社會提供更多的嵌入式系統(tǒng)技術人才，并滿足當前應用型高校的目標。

２ 嵌入式系統(tǒng)課程教學現(xiàn)狀及改革意義

馬鞍山學院“嵌入式系統(tǒng)”課程由３２ 學時理論課、１６ 學時實驗課組成。課程上課模式主要以教師為主導的方式，整堂課的教學是在不斷地向學生灌輸抽象、晦澀難懂的理論知識中完成。學生處于被動接收的狀態(tài)，實驗課程僅僅是對原理知識進行簡單的驗證性實驗，設計性、綜合性的實驗項目嚴重匱乏，致使學生在實驗課程的全過程中幾乎從未真正地接觸到與實際工程密切相關的項目，不利于培養(yǎng)學生的實踐應用與創(chuàng)新能力。當前，社會需要的是有實際動手能力的嵌入式系統(tǒng)技術人才［４］ ，這一要求是目前教學模式下無法達到的。因此，為了解決學生對“嵌入式系統(tǒng)”動手能力弱的問題，馬鞍山學院在課程體系設置過程中，增加了“嵌入式系統(tǒng)”課程的綜合設計。雖然初步達到了學生對硬件思維的建立這一目的，但從質量上來講遠遠不夠，大部分學生仍然還停留在“紙上談兵”的階段，無法將所學知識應用到實際任務中。因此，“嵌入式系統(tǒng)”課程教學改革的首要任務就是合理調整教學內(nèi)容，將理論與實踐相結合，并適當改變教學模式。

３ 基于項目驅動型“ 嵌入式系統(tǒng)” 課程教學改革方案

當前“嵌入式系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)教學方式效果不佳，學生對該課程接受程度不高，因此結合馬鞍山學院實際，探討課程教學改革。

“項目驅動教學” 的核心是以“學生” 為課堂主體，將項目作為主線，從簡單實例著手，引導學生逐步解決項目中遇到的各種問題，并將課程知識點在項目引導中展示給學生。在整個教學過程中要求學生主動參與執(zhí)行項目的每一個環(huán)節(jié)，嘗試各項目的成功調試，讓學生對這一課程內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣，并具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題及實踐的能力。在“嵌入式系統(tǒng)”課程教學中，采用項目驅動教學模式可以提升學生對課程的興趣，調動學生的積極性，引導學生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

３．１ 課程規(guī)劃

將“項目驅動教學”方法應用到“嵌入式系統(tǒng)”課程教學中，最根本的做法是要擴充對實踐項目的設置。讓教師“走”下來，促使學生“動”起來。將目前的４８ 個課時全部投入到實驗室，讓教師從具體項目著手將學生引入。

因此，“項目”設置對整個教學過程尤為重要。課程教學項目設置的總體原則為完成教學大綱規(guī)定的教學內(nèi)容，能夠實現(xiàn)教學目標，教學項目的選擇不能太大，以防止在教學大綱規(guī)定的學時內(nèi)無法完成項目的開發(fā)。

當前，國內(nèi)高校對“嵌入式系統(tǒng)”的教學大致分為２ 類。一類是完全以完成功能為主的裸機開發(fā)，以Ｃｏｒｔｅｘ?Ｍ 系列單片機為主控芯片的應用程序、驅動程序的開發(fā)［５?６］ 。由于單片機課程在“嵌入式系統(tǒng)”課程開設前已經(jīng)開設，這一類教學目標是在８０５１ 的基礎上進行了提升，學生比較容易接受，但在實際的應用中也存在一定限制性。另一類是除裸機開發(fā)外還需要側重系統(tǒng)移植的教學。這一類是以Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ 系列單片機為主，完成對Ｌｉｎｕｘ 等系統(tǒng)的移植，以期完成更復雜的功能。這一類教學涉及的學科種類較多，因此課程總體難度較大，學生接受相對吃力。

考慮學生有面向學科競賽，以及畢業(yè)設計與就業(yè)的需求， 教學課程組選擇了第二類教學目標： 以Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 系列單片機為主，完成裸機開發(fā)與ＡＲＭ 架構下Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)的移植２ 大模塊教學。教學目標安排如表１ 所列。

上文是考慮到馬鞍山“嵌入式系統(tǒng)”課程開設在大三春學期，學生在此之前已經(jīng)修完Ｃ 語言，Ｌｉｎｕｘ 操作系統(tǒng)、嵌入式Ｃ 語言應用編程、單片機原理與技術等課程，這些課程可以支撐起“嵌入式系統(tǒng)”課程前期準備階段。

３．２ 項目設置

本課程所有項目采用的處理器為Ｓａｍｓｕｎｇ 的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 架構的四核處理器Ｅｘｙｎｏｓ４４１２。課程教學目標可以分為２ 個完整項目，這２ 個項目針對教學目標的２ 大模塊。（１）裸機開發(fā)完成功能要求，這一項目，針對功能簡單僅包括應用程序的嵌入式系統(tǒng)，一般不使用操作系統(tǒng)。（２）基于Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)移植后平臺進行嵌入式應用程序和驅動程序的開發(fā)。從應用上來看這２ 大類難易程度不同。相較而言，基于單片機做功能的裸機開發(fā)更為簡單。

結合以上分析，選擇了農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和無人安防監(jiān)控系統(tǒng)２ 個項目。

３．２．１ 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項目的分解

使用農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項目完成裸機開發(fā)的教學目標，具體包括ＧＰＩＯ，ＵＡＲＴ，ＡＤ 轉換器，ＰＷＭ定時器及中斷應用。項目以Ｅｘｙｎｏｓ４４１２ 為主控芯片，外接溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器等，實時采集大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)刷新。當參數(shù)超過或者低于所設定閾值時，實現(xiàn)風扇、水泵、照明燈的自啟動，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化調整風速等，甚至可以通過有線或者無線的方式實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)傳輸，讓用戶可以在上位機上查看到環(huán)境參數(shù)。實現(xiàn)一個自動調節(jié)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

實現(xiàn)該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要完成以下工作。（１）啟動各個傳感器采集數(shù)據(jù)，這一過程需要掌握ＧＰＩＯ 的應用，以及ＡＤ 轉換器的使用。（２）使用按鍵實現(xiàn)閾值的設置，這一過程主要完成中斷應用的學習。（３）實現(xiàn)風扇、水泵、光照強度的調節(jié)。這一過程主要實現(xiàn)ＰＷＭ 定時器學習。（４）通過有線方式實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。這一過程實現(xiàn)ＵＡＲＴ 的應用學習。（５）通過無線方式實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。這一過程實現(xiàn)短距離無線通信的介紹。通過對項目的分解，基本上可以覆蓋裸機開發(fā)的基本知識要點，課時充裕的情況下還可以繼續(xù)在系統(tǒng)中增加Ｉ２Ｃ通信的重力感應／ 陀螺儀的應用等。這些教學目標基本可以滿足學生完成簡單小型系統(tǒng)的競賽和畢業(yè)設計的要求。

３．２．２ 無人安防監(jiān)控系統(tǒng)項目的分解

使用無人安防監(jiān)控系統(tǒng)項目完成系統(tǒng)移植的教學目標，具體包括交叉開發(fā)環(huán)境搭建、Ｕ?Ｂｏｏｔ 移植、Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)移植、文件系統(tǒng)構建、網(wǎng)卡驅動的移植、攝像頭驅動程序開發(fā)。項目以Ｅｘｙｎｏｓ４４１２ 為主控芯片，基于Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)完成安防監(jiān)控，紅外傳感器實現(xiàn)對監(jiān)控地區(qū)的來客告知。通過攝像頭實現(xiàn)遠程實時現(xiàn)場監(jiān)控， 以及監(jiān)控視頻的傳輸、保存。

實現(xiàn)該監(jiān)控系統(tǒng)要分成２ 個階段片上系統(tǒng)準備階段即移植系統(tǒng)和驅動移植。

片上系統(tǒng)準備階段主要完成以下工作。（１）完成開發(fā)環(huán)境搭建。包括宿主機Ｌｉｎｕｘ 騙_D？_？&環(huán)境的安裝配置、交叉編譯工具鏈的制作。（２）Ｕ?Ｂｏｏｔ 移植。包括引導程序Ｕ?Ｂｏｏｔ 常用命令使用及Ｕ?Ｂｏｏｔ 的移植。（３）Ｌｉｎｕｘ 內(nèi)核移植。這一部分要在ＡＲＭ９ 處理器上，完成對Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)的移植和內(nèi)核裁剪。（４）由于整個系統(tǒng)需要對視頻進行存儲等，這一部分需完成文件系統(tǒng)的制作。

Ｌｉｎｕｘ 環(huán)境下驅動移植開發(fā)階段完成的工作。（１）完成基于ＵＳＢ 的攝像頭驅動的開發(fā)，將其移植到Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)中。（２）通過攝像頭實現(xiàn)遠程實時現(xiàn)場監(jiān)控與視頻傳輸，需要網(wǎng)絡通信。這部分需要對網(wǎng)卡驅動程序移植開發(fā)。（３）視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C并進行顯示。這部分完成Ｌｉｎｕｘ 操作系統(tǒng)下的應用程序開發(fā)。

將無人安防監(jiān)控系統(tǒng)項目分解后會發(fā)現(xiàn)需要完成的任務在課時要求下無法全部完成。此時，需要做一部分取舍。首先，保留片上系統(tǒng)的所有任務，這是能夠在Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)應用程序和驅動程序的前提。其次，在Ｌｉｎｕｘ 環(huán)境下驅動移植開發(fā)階段任務做取舍，保留網(wǎng)卡驅動程序移植開發(fā)，因為攝像頭屬于功能性外設，若換一個項目，則可能用不到攝像頭。相應的應用程序的開發(fā)也是同樣，因此這種情況下，可以做一個舍棄。

３．３ 項目實施

項目實施首要做的是激起學生對這門課程的好奇心和興趣。這就要求教師在第一次課上，直接演示已經(jīng)完成的實驗項目。讓學生明白“嵌入式系統(tǒng)”課程實際上是以產(chǎn)品為主的課程，而不是理論測驗課程。最后，將演示項目分解為多個任務，將任務實現(xiàn)所需要的理論知識和書本單元教學相關聯(lián)，并將整個教學過程通過理論穿插進任務點的完成過程中。通過實施實驗項目，在完成任務的同時，也達到了對相關知識點掌握的目的。

課前，教師將項目劃分好的任務制定成項目計劃。課堂上，將學生分為不同開發(fā)小組，發(fā)放任務。當劃分后的項目任務下發(fā)后，教師不再是課堂的“中心”，而是擔任“引導者”的角色，全程參與各個小組的項目實施過程，在過程中，發(fā)現(xiàn)問題，引導解決問題，基礎理論知識就在引導解決問題的過程中“滲透”給每一位學生。

在這個過程中，為保證教學效果，整個完整的教學過程全部安排在嵌入式實驗室進行，盡量將學生控制在３０ 人以內(nèi)，每組５～６ 人，保證教師能在教學時間內(nèi)有充足的精力去“引導”每一個組。

３．４ 課程考核標準

現(xiàn)有的課程考核標準為“６０％的卷面成績＋４０％的平時成績”，這種考核標準已經(jīng)不適合項目驅動型教學課程考核?，F(xiàn)根據(jù)項目驅動教學的特點，采取以下的考核標準，如表２ 所列。

該考核標準降低了試卷考核的比例，突出了項目考核角度，可以提高學生的積極主動性，有利于學生創(chuàng)新能力的提高，以及學會團隊合作與具備解決問題的思維與能力。

４ 結束語

教學方法的改革是“嵌入式系統(tǒng)”課程提高教學質量的重要保證。教育觀念的轉變（“教”與“學”并重）帶動教學方式的轉變（“教”與“學”互動）。通過改變“灌輸式”的教學方法，開展以學生為主體，以項目設計引領，以自主學習和團隊協(xié)作為原則的項目驅動型的研討式教學，使教師和學生發(fā)生根本性角色轉變，教師從“中心”地位“走下來”，變“教”為“導”。學生改變以往被動接受的狀態(tài)，變被動學習為主動學習，掌握良好的學習方法，從而真正實現(xiàn)應用型民辦本科院校的人才培養(yǎng)的目標。

參考文獻：

［１］ 鄒津婷，張啟美，李秋月，等．新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)電子技術課程教學創(chuàng)新改革實踐［Ｊ］．電腦與電信，２０２２（６）：２４?２７．

［２］ 王海波，湯東陽，趙德明．嵌入式技術發(fā)展綜述［Ｊ］．數(shù)字技術與應用，２０１４（６）：１１７?１１８．

［３］ 王樹紅．嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［Ｊ］．太原大學學報，２００７（２）：１２１?１２２＋１３９．

［４］ 李揚．ＡＩｏＴ 背景下高職嵌入式人工智能人才培養(yǎng)研究［Ｊ］．湖南郵電職業(yè)技術學院學報，２０２１，２０（４）：４２?４５．

［５］ 李薇，何先波，劉敏，等．ＩＴ 專業(yè)嵌入式課程教學模式改革研究［Ｊ］．計算機教育，２０１７（６）：１３５?１３９．

［６］ 陳海生，王峰，郭曉云．物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)嵌入式課程體系建設研究［Ｊ］．河北農(nóng)業(yè)大學學報（農(nóng)林教育版），２０１４，１６（４）：８０?８２．

作者簡介：

薛李娜（１９９４—），碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。

夏漢初（１９６４—），本科，高級工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。

姚美琴（１９９５—），碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。

孫蔓（１９９５—），碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。

許婷（１９９０—），碩士，講師，研究方向：計算機視覺。