摘要：針對(duì)“嵌入式操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容自身特點(diǎn)，提出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置建議，探索在教學(xué)中采用案例教學(xué)法，建立一個(gè)多層次教學(xué)案例庫，探討案例選擇、學(xué)時(shí)安排和課程考核中應(yīng)注意的問題，通過強(qiáng)調(diào)綜合和創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)案例教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用開發(fā)能力和技術(shù)技能的實(shí)用性，教學(xué)效果明顯提高。
　　關(guān)鍵詞：教學(xué)案例 案例教學(xué) 嵌入式操作系統(tǒng) 實(shí)踐體系
　　文章編號(hào)：1672-5913(2011)18-0057-04 中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　基金項(xiàng)目：廣東省本科高等教育改革立項(xiàng)項(xiàng)目(BKJG200756)。
　　
　　嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展不但使傳統(tǒng)的過程控制、儀器儀表和軍事裝備獲得技術(shù)革新，還創(chuàng)造了信息家電、消費(fèi)電子和智能通信等多種新的產(chǎn)品形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的無處不在、無時(shí)不在(Pervasive Computing)[1]，改變了人們的生活、工作和娛樂方式。伴隨嵌入式系統(tǒng)市場的快速增長，嵌入式人才缺口將急劇增大，嵌入式軟硬件工程師將成為近年來最熱門的職業(yè)之一[2]。ACM/IEEE在2005計(jì)算機(jī)課程報(bào)告中將嵌入式系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)體系的重要知識(shí)點(diǎn)[3]。因此，近幾年眾多高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，并研究如何形成規(guī)范的課程系統(tǒng)[4-6]。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的資源管理、任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)控制等核心功能，是嵌入式應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。廣東省位于改革開放前沿，是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的重要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)基地，市場對(duì)嵌入式技術(shù)人才需求量大、要求高，我校為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)設(shè)置了嵌入式操作系統(tǒng)課程。該課程涉及的理論和技術(shù)復(fù)雜、廣泛，實(shí)踐性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性大，教學(xué)難度大，采用案例教學(xué)法提高教學(xué)效果的途徑逐漸得到高校教師的認(rèn)同，文獻(xiàn)[7]采用以案例教學(xué)為主的教學(xué)內(nèi)容體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提出了“興趣驅(qū)動(dòng)認(rèn)知實(shí)踐，應(yīng)用引導(dǎo)創(chuàng)新體驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，取得良好的教學(xué)效果。文獻(xiàn)[8]采用以嵌入式系統(tǒng)為核心的項(xiàng)目教學(xué)和案例教學(xué)模式，把專業(yè)課程的主要知識(shí)點(diǎn)通過項(xiàng)目教學(xué)進(jìn)行教授，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力、創(chuàng)新素質(zhì)、綜合能力，取得了比較好的教學(xué)效果。本文采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的案例教學(xué)方法，利用一個(gè)可動(dòng)態(tài)更新的多層次教學(xué)案例庫，配合合理的教學(xué)案例選擇、教學(xué)學(xué)時(shí)安排和課程考核方式，強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)案例的教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)能力和技術(shù)技能的應(yīng)用性，取得了較好的教學(xué)效果。
　　1 平臺(tái)選擇和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置
　　在先修課程“實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)”中，我們已經(jīng)講授了嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、ARM嵌入式微處理器及編程模型、典型存儲(chǔ)器和總線、基本I/O接口部件、貪吃蛇等應(yīng)用程序，介紹了?COS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)了解了該系統(tǒng)的移植過程和應(yīng)用開發(fā)方法?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”課程主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)不同嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行移植、裁剪、編譯和優(yōu)化的能力，掌握設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范和開發(fā)方法，積累實(shí)際應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。由于?COS-II的系統(tǒng)功能和任務(wù)規(guī)模相對(duì)簡單，不利于充分發(fā)揮ARM9等32位高性能嵌入式微處理器的計(jì)算能力，應(yīng)用支持軟件較少，且主要用于各種工業(yè)測量和控制，難以體現(xiàn)其他主流嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)技術(shù)。在信息家電、消費(fèi)電子和移動(dòng)通信等領(lǐng)域，嵌入式Linux和Windows CE等系統(tǒng)提供了能與桌面操作系統(tǒng)相比擬的多任務(wù)管理能力和豐富的支撐軟件，極大方便了嵌入式應(yīng)用的開發(fā)，并得到廣泛應(yīng)用。其中，嵌入式Linux具有現(xiàn)代多任務(wù)高級(jí)操作系統(tǒng)的典型特征，源碼開放，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可剪裁性好，硬件支持廣泛，開發(fā)工具免費(fèi)，其內(nèi)核代碼、支持軟件、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境都與桌面Linux系統(tǒng)相同，故以嵌入式Linux作為課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，掌握嵌入式Linux內(nèi)核和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，可為學(xué)生學(xué)習(xí)其他類型的嵌入式操作系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。
　　“嵌入式操作系統(tǒng)”的教學(xué)內(nèi)容主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：嵌入式Linux編程基礎(chǔ)、嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建和移植、嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)和嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)。模塊1是Linux環(huán)境下應(yīng)用開發(fā)的基本方法、多任務(wù)管理以及任務(wù)間通信的編程方法，多數(shù)內(nèi)容在“操作系統(tǒng)原理”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中已經(jīng)學(xué)過，通過該模塊的設(shè)置可以進(jìn)行較為系統(tǒng)的復(fù)習(xí)和提高；在此基礎(chǔ)上，模塊2包括嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的建立，Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、圖形庫、嵌入式數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器等典型系統(tǒng)功能模塊和支持軟件包的移植、裁剪、配置、編譯和下載，學(xué)習(xí)構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)基本功能的技能技術(shù)；模塊3講授Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)開發(fā)方法，包括字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、USB設(shè)備的結(jié)構(gòu)規(guī)范，通過典型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的分析和實(shí)驗(yàn)，掌握在嵌入式系統(tǒng)中加入新設(shè)備和定制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序功能的基本方法；模塊4是綜合實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)，綜合了前三個(gè)模塊中獲得的知識(shí)和技能，分析和開發(fā)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位導(dǎo)航等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用功能，它可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。
　　
　　2 實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)及實(shí)踐教學(xué)體系
　　2.1 實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)
　　“嵌入式操作系統(tǒng)”屬實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課程得到眾多教師的認(rèn)同[9]，該課程應(yīng)按教學(xué)內(nèi)容要求建設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，我校的“嵌入式系統(tǒng)”課程類實(shí)驗(yàn)設(shè)備有三類。
　　1) 基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備。包括80套博創(chuàng)2410S教學(xué)科研平臺(tái)和配套的Linux PC，采用ARM9構(gòu)架的S3c2410A處理器，具有豐富的外設(shè)資源，可開設(shè)模塊1、模塊2和模塊3所需的所有實(shí)驗(yàn)，做到一人一套設(shè)備；
　　2) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備。可用于本課程的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備由多種不同類型的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)成，包括PXA270 XScale教學(xué)科研平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、智能收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、智能手機(jī)開發(fā)平臺(tái)、Android手機(jī)開發(fā)平臺(tái)、OMAP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Zigbee無線傳感器開發(fā)平臺(tái)各若干套，以滿足模塊4綜合實(shí)訓(xùn)的需要，該類設(shè)備逐年更新，不斷補(bǔ)充代表主流和前沿技術(shù)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備；
　　3) 輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備。與本課程有關(guān)的主要輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備有協(xié)助硬件調(diào)試用的仿真器、Flash燒寫器、邏輯分析儀、示波器等。
　　2.2 實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目
　　課程實(shí)踐體系包括四個(gè)類別層次，按照課程的教學(xué)目的和實(shí)驗(yàn)條件狀況，目前可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，四個(gè)類別的項(xiàng)目分別對(duì)應(yīng)模塊1到模塊4中知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)。類別1到類別3為基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，培養(yǎng)基本的嵌入式編程開發(fā)、軟件移植、接口通信技術(shù)，類別4為綜合和創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題和開發(fā)應(yīng)用的能力，是課程教學(xué)重點(diǎn)。
　　
　　3 案例教學(xué)法
　　3.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的案例式教學(xué)
　　“嵌入式操作系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容多、實(shí)踐性強(qiáng)，涉及的理論和技術(shù)廣泛，傳統(tǒng)的理論教學(xué)方法難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的目的。由于學(xué)生通過先修課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)具備程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)原理、匯編語言、操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的基本概念、理論、算法和知識(shí)，以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目為教學(xué)案例，運(yùn)用案例教學(xué)手段進(jìn)行示范教學(xué)，實(shí)現(xiàn)邊講邊練[10]，將已有知識(shí)和概念與嵌入式Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、任務(wù)調(diào)度、支持軟件、驅(qū)動(dòng)程序和典型應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和源代碼實(shí)現(xiàn)相結(jié)合，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)和技能，可以觸類旁通，培養(yǎng)分析和解決問題的能力，并加深對(duì)理論本身的理解。
　　在嵌入式操作系統(tǒng)中實(shí)施案例教學(xué)可分為案例講解和案例分析方法。前三類案例可采用案例講解法，放棄理論原理的講授，直接以案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)，在案例講解中引用相關(guān)的理論、原理和算法，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際的結(jié)合，通過安排與案例相近的實(shí)驗(yàn)作業(yè)或練習(xí)，培養(yǎng)知識(shí)的運(yùn)用技能。第四類案例可采用案例分析法(又稱案例討論法)，主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與性，由教師根據(jù)案例提出問題，學(xué)生與教師一起討論問題解決的方法，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，在分析過程中講授用到的知識(shí)點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，一步一步完成項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，并在其后實(shí)踐課上，讓學(xué)生獨(dú)立完成與教學(xué)案例相近的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，鞏固知識(shí)和操作，培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力。
　　
　　3.2 教學(xué)案例選擇
　　案例的選擇是“嵌入式操作系統(tǒng)”課程案例教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，直接影響教學(xué)效果，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和應(yīng)用開發(fā)能力，教學(xué)案例選擇應(yīng)考慮以下因素。
　　1) 實(shí)用性。將案例引入教學(xué)的目的在于理論聯(lián)系實(shí)際，促進(jìn)教學(xué)，選擇的案例應(yīng)具有從局部到全面的特點(diǎn)，學(xué)生身臨其境，以嵌入式軟件工程師的角度考慮問題，學(xué)生把具體案例與嵌入式產(chǎn)品與應(yīng)用相聯(lián)系，彼此貫通，產(chǎn)生興趣，從而調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)熱情。
　　2) 綜合性。嵌入式Linux適合設(shè)計(jì)開發(fā)功能強(qiáng)大、界面友好的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品和應(yīng)用，小實(shí)驗(yàn)程序無法顯現(xiàn)其魅力，因此，我們可選擇具有一定難度、深度和綜合性的案例，吸引學(xué)生對(duì)案例去反復(fù)琢磨、推敲，激勵(lì)學(xué)生系統(tǒng)研究、分析，加深對(duì)難點(diǎn)、重點(diǎn)問題的認(rèn)識(shí)和掌握，從而取得較好的整體教學(xué)效果。
　　3) 時(shí)效性。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)作為當(dāng)前電子技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，新技術(shù)層出不窮，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。“嵌入式操作系統(tǒng)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)案例應(yīng)反映當(dāng)前技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，將當(dāng)前先進(jìn)和主流的系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用開發(fā)模式、應(yīng)用支持軟件、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)納入教學(xué)內(nèi)容，將有用的知識(shí)、技術(shù)、技能傳授給學(xué)生，使人才培養(yǎng)與市場需求接軌。
　　4) 典型性?！扒度胧讲僮飨到y(tǒng)”的教學(xué)內(nèi)容廣泛，難以在課內(nèi)完成所有教學(xué)內(nèi)容和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)，所選擇的教學(xué)案例應(yīng)用具有典型性，能反映課程知識(shí)的基本框架，具有觸類旁通的特性，可培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)新知識(shí)、新技能和新技術(shù)的能力。
　　3.3 教學(xué)案例庫建設(shè)
　　為了覆蓋課程教學(xué)內(nèi)容所涉及的知識(shí)和技能，我們需要構(gòu)建一個(gè)內(nèi)容豐富、多層次、動(dòng)態(tài)增長的教學(xué)案例庫，教學(xué)案例庫的構(gòu)建途徑有以下幾種。
　　1) 設(shè)備配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。設(shè)備供應(yīng)商一般都開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，免費(fèi)贈(zèng)送給高校教學(xué)使用，但這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往較為粗糙，需要教師進(jìn)行改造和優(yōu)化，方可獲得較好的教學(xué)效果。
　　2) 優(yōu)秀學(xué)生作品。學(xué)生在課程設(shè)計(jì)、科技競賽、企業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中開發(fā)的優(yōu)秀軟硬件作品和成果，可加以包裝改造，它是教學(xué)案例的重要來源。
　　3) 教學(xué)科研成果。教師可將教學(xué)和科研中設(shè)計(jì)開發(fā)的程序、算法、模塊、軟件、產(chǎn)品和成果進(jìn)行案例化改造，制作成教學(xué)案例，這類案例通常具有較好的實(shí)用性、時(shí)效性和綜合性。
　　3.3 課時(shí)安排和課程考核
　　本課程課內(nèi)安排56學(xué)時(shí)，全部在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室授課，采用講解、演示、討論、操作和實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)安排1:1的課外學(xué)時(shí)，用于復(fù)習(xí)、鞏固和拓展課內(nèi)講授的知識(shí)和技能。為方便學(xué)生課外學(xué)習(xí)，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行7×24小時(shí)全部開放制度，堅(jiān)持學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主體地位，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和自主權(quán)，提高教學(xué)效果。
　　課程考核內(nèi)容分為3部分：筆試成績、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。筆試成績占50%，主要考察學(xué)生對(duì)課程基本知識(shí)、概念、原理的理解，以及嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作編程、應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)技能；基本實(shí)驗(yàn)占20%，是教學(xué)內(nèi)容前三個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，教師檢查運(yùn)行結(jié)果后給出成績；綜合實(shí)驗(yàn)占30%，教師布置多個(gè)具有一定難度和工作量的嵌入式應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目讓學(xué)生選擇，學(xué)生利用課外時(shí)間完成，教師統(tǒng)一驗(yàn)收、檢查和答辯，并給出成績。參加嵌入式技術(shù)競賽的學(xué)生適當(dāng)加分，以引導(dǎo)學(xué)生向更高層次發(fā)展，挖掘?qū)W生潛力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。
　　4 結(jié)語
　　教學(xué)實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的案例教學(xué)法
　　有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握“嵌入式操作系統(tǒng)”課程中的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)和技能，通過案例的講解、分析、解剖和討論，我們將先修課程中獲得的理論、概念、算法與嵌入式Linux及嵌入式應(yīng)用中的程序、模塊和代碼對(duì)應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性，提高其分析問題和解決問題的能力。案例教學(xué)法開展兩年來，學(xué)生基于嵌入式Linux設(shè)計(jì)先后開發(fā)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)、可視對(duì)講機(jī)、人體健康檢測儀、校園一卡通等多種嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，并在“挑戰(zhàn)杯”和“博創(chuàng)杯”全國嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽中獲得二等獎(jiǎng)，嵌入式系統(tǒng)方向的畢業(yè)生就業(yè)率達(dá)到100%，其業(yè)務(wù)能力受到用人單位的好評(píng)。今后，我們將繼續(xù)緊跟嵌入式系統(tǒng)技術(shù)最新發(fā)展，將主流和前沿技術(shù)納入教學(xué)內(nèi)容，不斷充實(shí)教學(xué)案例庫，進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。
　　參考文獻(xiàn)：
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