基于項目驅(qū)動的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革與實踐

［摘 要］ 為了加快“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革，加強(qiáng)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了基于項目驅(qū)動的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)設(shè)計原則，嚴(yán)格遵循項目內(nèi)容完整、重視學(xué)習(xí)過程、涵蓋重點知識等要求。立足項目驅(qū)動教學(xué)法提出“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革的策略，通過明確教學(xué)目標(biāo)、重視項目創(chuàng)新、理論融合實踐及改革考核方法等措施，充分發(fā)揮項目驅(qū)動教學(xué)的價值，促使學(xué)生的綜合能力不斷提高。

［關(guān)鍵詞］ 項目驅(qū)動；嵌入式操作系統(tǒng)；課程改革

［基金項目］ 2021年山西省教育廳高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目“新工科背景下應(yīng)用型電子信息專業(yè)實踐教學(xué)體系建設(shè)研究”（J20211572）；2022年忻州師范學(xué)院院級教學(xué)改革研究項目“培養(yǎng)工程能力的嵌入式Linux操作系統(tǒng)教學(xué)模式研究”（JGYB17）

［作者簡介］ 王若凡（1985—），女，山西繁峙人，碩士，忻州師范學(xué)院電子系實驗師，主要從事電子與通信工程研究；任國鳳（1979—），女，山西忻州人，博士，忻州師范學(xué)院電子系教授，主要從事多模態(tài)信號處理研究；付建梅（1987—），女，山西呂梁人，碩士，忻州師范學(xué)院電子系講師，主要從事語音信號處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）13-0149-04 ［收稿日期］ 2023-02-28

“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)十分復(fù)雜，其中涉及的內(nèi)容廣泛，如軟件編程、系統(tǒng)操作等，所以對教學(xué)方法的使用要求非常高［1］。以往教師大多采用“灌輸式”教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生無法深入理解本來就晦澀難懂的知識［2］，且傳統(tǒng)教學(xué)方法理論與實踐分割，未能充分融合，導(dǎo)致學(xué)生的實踐能力較差［3］，無法滿足現(xiàn)代社會對于嵌入式操作系統(tǒng)人才的培養(yǎng)需求［4］。除此之外，在課程安排、教學(xué)實驗平臺及考核體系等方面都略有不足，這也意味著“嵌入式操作系統(tǒng)”課程必須重視教學(xué)改革，根據(jù)課程特點與人才培養(yǎng)需求進(jìn)行優(yōu)化完善。

一、混合式教學(xué)培養(yǎng)促學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提高

項目驅(qū)動教學(xué)以“嵌入式操作系統(tǒng)”課程中的核心知識為載體，要求學(xué)生對項目進(jìn)行分析討論，在順利解決項目任務(wù)的條件下，獲取相關(guān)知識，提高自身各項能力。從實踐教學(xué)來看，項目驅(qū)動教學(xué)非常適合“嵌入式操作系統(tǒng)”課程，能夠滿足教學(xué)改革的基本需求，真正做到調(diào)動學(xué)生的積極主動性，啟發(fā)學(xué)生探究思維。但是項目驅(qū)動教學(xué)對于內(nèi)容的設(shè)計要求較高，教師必須選擇具有真實性、貼近現(xiàn)實生活的素材，保障項目任務(wù)設(shè)計水平，增強(qiáng)項目任務(wù)的實施效果，讓學(xué)生在實踐中獲得全方位培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與工程素養(yǎng)。

二、基于項目驅(qū)動的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)設(shè)計原則

（一）項目內(nèi)容完整

項目驅(qū)動教學(xué)法需要學(xué)生根據(jù)要求完成整個實踐操作流程，以此來強(qiáng)化自身的綜合能力［5］。教師在設(shè)計項目任務(wù)過程中，必須保證項目中每個階段的銜接合理、內(nèi)容完整，比如明確項目任務(wù)、收集相關(guān)信息、組織實施計劃、獨立完成設(shè)計以及最終的應(yīng)用實踐［6］。學(xué)生完成項目任務(wù)后，教師應(yīng)給予有效的總結(jié)評價，明確其項目任務(wù)實施過程中存在的不足，促使學(xué)生能夠持續(xù)改進(jìn)，充分運用掌握的知識與技能解決實際問題，在執(zhí)行過程中每個階段都要完整獨立地顯現(xiàn)［7］。

（二）重視學(xué)習(xí)過程

對于項目驅(qū)動教學(xué)來說，除了內(nèi)容上的設(shè)計與安排，學(xué)習(xí)過程無疑是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，要保證學(xué)生能夠積極參與，全身心地投入創(chuàng)造實踐活動中，結(jié)果與成績不是最終目標(biāo)，而是能夠獨立完成項目任務(wù)［8］。因此教師要嚴(yán)格監(jiān)督、引導(dǎo)學(xué)生，發(fā)揮學(xué)生的主體性，使學(xué)生充分體驗項目實施過程中的艱難與樂趣，鍛煉自身綜合能力［9］。

（三）涵蓋重點知識

根據(jù)行業(yè)、企業(yè)發(fā)展實際選取案例作為項目內(nèi)容，需要注意與“嵌入式操作系統(tǒng)”課程知識點相對應(yīng)［10］，涵蓋所有重點知識內(nèi)容，幫助學(xué)生實現(xiàn)深入掌握的目標(biāo)［11］。另外通過項目任務(wù)與知識點的融合，有利于學(xué)生進(jìn)行知識遷移，在共同探究過程中強(qiáng)化自身實踐能力，因此要嚴(yán)格考量，保證項目任務(wù)設(shè)計的科學(xué)性。

三、基于項目驅(qū)動的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)改革策略

（一）明確教學(xué)目標(biāo)，突出能力本位

當(dāng)下“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革應(yīng)充分融入項目教學(xué)法，在設(shè)計中明確教學(xué)目標(biāo)，突出學(xué)生能力本位，結(jié)合課程特點要注重培養(yǎng)學(xué)生嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用實踐能力，包括設(shè)計方法、從事各類產(chǎn)品的研發(fā)等，使其畢業(yè)后能夠順利進(jìn)入工作崗位，參與到產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)等多個環(huán)節(jié)。因此，在教學(xué)目標(biāo)上必須以學(xué)生的實踐操作能力為主，同時將各類理論知識融入項目教學(xué)中，通過理論融合實踐的方式，促使學(xué)生的綜合能力得到提升，使其可以獨自完成設(shè)計、系統(tǒng)定制修改以及解決問題等［12］。目前來看，應(yīng)將教學(xué)重心放在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)上，讓學(xué)生能夠充分理解該部分知識內(nèi)容，比如Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，充分理解嵌入式交叉編輯環(huán)境，熟練使用GCC、GDB等關(guān)鍵程序，同時掌握系統(tǒng)及開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用及開發(fā)技術(shù)［13］。總而言之，應(yīng)全面推廣項目驅(qū)動教學(xué)法，提前明確教學(xué)目標(biāo)和方向，可以后續(xù)進(jìn)行深化調(diào)整，推動項目驅(qū)動教學(xué)逐漸走向成熟，另外教學(xué)目標(biāo)必須突出學(xué)生能力本位，包括實踐過程中需要掌握哪些技術(shù)和技能等，通過貼近實際提高教學(xué)成果。

（二）重視項目創(chuàng)新，抓好實施過程

1.項目設(shè)計。相比以往的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)而言，項目驅(qū)動教學(xué)法無疑更有利于調(diào)動學(xué)生的積極主動性，促使學(xué)生全身心地投入自主發(fā)現(xiàn)、解決問題過程中。但是項目驅(qū)動教學(xué)法對于內(nèi)容設(shè)計要求非常高，這也需要教師能夠充分把握項目設(shè)計質(zhì)量，為后續(xù)的教學(xué)奠定扎實的基礎(chǔ)。想要達(dá)到事半功倍的教學(xué)成果，必須保障項目驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容設(shè)計科學(xué)合理，因此項目任務(wù)應(yīng)具備以下幾點特征：（1）項目內(nèi)容難度、工作量要符合學(xué)生實際，不能超出學(xué)生能力范圍，否則很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成教學(xué)，無法嚴(yán)格按照規(guī)定時間完成項目開發(fā)。（2）項目任務(wù)設(shè)計要具有實際意義，能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行有效培養(yǎng)，內(nèi)容方面必須貼近現(xiàn)實生活，可以借助某些真實發(fā)生過的案例進(jìn)行項目任務(wù)設(shè)計。（3）項目任務(wù)必須涵蓋“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的所有知識內(nèi)容，緊扣教學(xué)大綱。項目驅(qū)動教學(xué)確實具有諸多優(yōu)勢，尤其在“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革中，教師要保障項目任務(wù)內(nèi)容的完整性、可操作性，涵蓋GCC、Makefile及Linux等基本操作，形成完整的項目驅(qū)動教學(xué)體系［14］。

2.項目實施?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”課程項目驅(qū)動教學(xué)的實施地點主要安排在實驗室，方便教師講解相關(guān)知識點后及時開展實踐操作，通過編寫代碼的方式進(jìn)行驗證，切實掌握知識要點與操作原理。另外項目任務(wù)需要實時借助Linux虛擬機(jī)，學(xué)生也可以在自己的計算機(jī)上安裝，以便課后能夠深入了解項目任務(wù)，解決課堂時間不夠充足的問題。首先，由教師提出項目任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，并將項目的功能分解為對應(yīng)的教學(xué)知識點，強(qiáng)調(diào)完成項目任務(wù)即可掌握相關(guān)知識與技能，比如Linux基本命令、Ⅵ操作、Linux的C語言編程等。其次，教師應(yīng)給予適當(dāng)指導(dǎo)，并根據(jù)學(xué)生的實際情況制定項目進(jìn)度表，為后續(xù)的考核評價提供依據(jù)。隨后將學(xué)生分為3～4人一組，鼓勵小組內(nèi)部討論，合力完成項目任務(wù)?？梢远嘟梃b國外的項目驅(qū)動教學(xué)經(jīng)驗、市場上嵌入式專業(yè)培訓(xùn)經(jīng)驗等，打造更適合學(xué)情的項目驅(qū)動教學(xué)模式。依據(jù)“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的特點，合理融入相關(guān)概念與知識點。

3.優(yōu)化項目結(jié)構(gòu)，明確教學(xué)主線?？茖W(xué)合理地設(shè)計項目驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容至關(guān)重要，這也是教師優(yōu)先考慮的問題，應(yīng)基于“嵌入式操作系統(tǒng)”課程特點、學(xué)生能力培養(yǎng)需求，設(shè)置不同類型的項目，從而滿足教學(xué)實踐。除此之外，教師必須保證項目驅(qū)動教學(xué)結(jié)構(gòu)分明，緊緊抓住教學(xué)主線，可以將項目驅(qū)動教學(xué)劃分為三個階段，每個階段完成不同的知識學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練。第一，驗證階段，由教師對基礎(chǔ)理論進(jìn)行講解、示范，同時引導(dǎo)學(xué)生掌握嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計方法與注意事項，依據(jù)教師講解的理論內(nèi)容，對相關(guān)知識點進(jìn)行驗證。第二，設(shè)計階段，作為項目任務(wù)的實施階段會對學(xué)生的基本應(yīng)用能力與實踐操作進(jìn)行鍛煉，需要學(xué)生按照教師的要求完成相關(guān)內(nèi)容設(shè)計，如小組合作完成原理圖設(shè)計、電路板圖設(shè)計，包括電路板與功能單元的測試代碼都由學(xué)生獨立完成，通過實踐操作完成簡單的項目設(shè)計，可幫助學(xué)生扎實地掌握知識點，強(qiáng)化實踐能力。第三，最終應(yīng)用階段，可以選擇學(xué)生較為感興趣的項目，如“智能小車控制模塊的開發(fā)”作為實踐應(yīng)用任務(wù)，依據(jù)掌握的Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸單元知識、控制單元及超聲波測距單元知識等，合作完成PCB圖、原理圖與軟硬件功能調(diào)試。

4.引入真實案例，啟發(fā)學(xué)生思維?？梢远嘟梃b國外的項目驅(qū)動教學(xué)經(jīng)驗、市場上嵌入式專業(yè)培訓(xùn)經(jīng)驗等，打造更適合學(xué)情的項目驅(qū)動教學(xué)模式。目前案例資料最多的就是基于單片機(jī)的智能小車、智能機(jī)器人制作項目，這也是比較適合學(xué)生練手的項目內(nèi)容。除此之外可以提高難度，比如基于Arduino的3D打印機(jī)制作項目，需求：使用單片機(jī)，通過限位開關(guān)和溫度等傳感器控制步進(jìn)電機(jī)移動、加熱頭，將打印材料加熱擠出后凝固成型。硬件：Arduino mega2560開發(fā)板、3D打印機(jī)套件、打印材料、安裝工具等軟件，如Marlini開源程序、上位機(jī)軟件Print3D、切片軟件（推薦Cura）、三維制圖軟件（推薦犀牛）等。再比如基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，面向安防等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有多個攝像頭同時進(jìn)行視頻傳輸，為減少帶寬、提高視頻分辨率和幀率，就需要使用編碼標(biāo)準(zhǔn)對視頻編碼后再傳輸，可以先做一個軟編碼器，如基于H.265的編碼，主要涉及攝像頭驅(qū)動和編碼庫，Linux網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用開源的mjpg-streamer。圖1是基于單片機(jī)的智能小車的制作圖。

5.改革考核方法，突出教學(xué)特點。考核評價是項驅(qū)動教學(xué)中不可或缺的部分，能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)成果、項目實踐成果進(jìn)行考核，明確其中的不足，便于后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。考核評價體系應(yīng)突出學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力，而非以往的最終結(jié)果，且“嵌入式操作系統(tǒng)”課程特點決定了考核評價體系的綜合性與實踐性，無法通過傳統(tǒng)閉卷考試的方式對學(xué)生進(jìn)行客觀衡量。因此在項目驅(qū)動教學(xué)中，要擺脫傳統(tǒng)試卷考核的方式，采取平時成績與實驗成績相結(jié)合的模式。同時重視學(xué)生在項目實踐過程中的表現(xiàn)，從而保障評價考核體系的公平客觀性。另外實踐考核可以采取過關(guān)制。根據(jù)項目任務(wù)的實踐執(zhí)行及格，如未完成項目任務(wù)，總成績達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求也為不合格。這樣才能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思，切實改善項目實踐中流于形式、應(yīng)付了事的問題。

結(jié)語

本文以忻州師范學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，以能力培養(yǎng)為主線，分層次地探討“嵌入式操作”系統(tǒng)課程體系及其之間的關(guān)系，提出了嵌入式系統(tǒng)課群新體系、理論實踐教學(xué)相結(jié)合、以項目驅(qū)動為主線的模式組織教學(xué)，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與綜合實踐能力展開培養(yǎng)，同時形成良好的合作意識，攻克較難或操作要求較高的知識點。通過實踐不難看出，項目驅(qū)動教學(xué)法的作用、價值得到驗證，學(xué)生普遍能夠充分參與，并在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中取得了優(yōu)異的成績。通過兩年的實踐，“嵌入式操作系統(tǒng)”課程建設(shè)與改革取得顯著的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］羅西.嵌入式操作系統(tǒng)課程在線教學(xué)方式探究［J］.軟件工程，2021（1）：54-56.

［2］趙貞貞，袁澤明，王穎鋒，等.嵌入式操作系統(tǒng)課程線上教學(xué)模式探究［J］.科技視界，2020（34）：21-22.

［3］岳雪亭，王瑞堯，周瑞敏.嵌入式操作系統(tǒng)課程教學(xué)模式研究［J］.信息與電腦（理論版），2020（20）：221-222.

［4］陳永強(qiáng)，趙斌，譚毅，等.基于達(dá)成度評價的“嵌入式操作系統(tǒng)”課程改革探析［J］.江蘇科技信息，2018（27）：75-77.

［5］李月潔.關(guān)于高校嵌入式操作系統(tǒng)課程教學(xué)的探索與思考［J］.電腦知識與技術(shù)，2016（16）：154-155.

［6］劉留，周濤，陶成.通信學(xué)科類研究生以科研為驅(qū)動的“理論實踐一體化”教學(xué)研究［J］.教育教學(xué)論壇，2019，14（4）：239-240.

［7］石增敏，戴雷，劉文俊，等.以工程應(yīng)用能力為導(dǎo)向的專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)法實踐［J］.中國電力教育，2018（12）：64-66.

［8］ 魏瑋.高校研究生課程混合式教學(xué)模式構(gòu)建路徑研究［J］.大學(xué)，2021（31）：79-81.

［9］李佳，吳同金，龐志華.應(yīng)用型本科電子信息工程專業(yè)嵌入式課程教改研究［J］.北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2021（4）：54-56.

［10］張凱龍，吳曉，苗克堅.面向新工科的嵌入式系統(tǒng)知識體系創(chuàng)新研究［J］.無線互聯(lián)科技，2019，16（9）：110-114.

［11］李霞.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下基于MOOC的翻轉(zhuǎn)課堂在大學(xué)教學(xué)模式中的應(yīng)用研究［J］.高教學(xué)刊，2018（23）：103-105.

［12］謝勇.CPS視角下嵌入式系統(tǒng)課程改革思考［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2021（23）：135-137.

［13］劉威，常瑞，謝耀濱.面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式改革與實踐［J］.計算機(jī)教育，2019（1）：39-43+47.

［14］俞躍，趙玉閣.移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下“混合式學(xué)習(xí)”方式研究：以智能手機(jī)和QQ群為例［J］.高等工程教育研究，2017（4）：187-191.

Project Driven Embedded Operating System Curriculum Reform and Practice

WANG Ruo-fan， REN Guo-feng， FU Jian-mei

（Department of Electronics， Xinzhou Normal University， Xinzhou， Shanxi 034000， China）

Abstract： In order to speed up the reform of embedded operating system course and strengthen the cultivation of students’ independent learning and innovation ability， this paper analyzes the current teaching situation of embedded operating system course， elaborates the teaching design principles of embedded operating system course based on project driven， and strictly follows the requirements of complete project content， paying attention to the learning process， and covering key knowledge. Based on the project driven teaching method， this paper puts forward the strategy of embedded operating system curriculum reform， and gives full play to the value of project driven teaching and promotes the continuous improvement of students’ comprehensive ability through such measures as clarifying teaching objectives， emphasizing project innovation， integrating theory with practice， and reforming assessment methods.

Key words： project driven; embedded operating system; curriculum reform