李春光?謝光前

摘要：為了改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，將項(xiàng)目教學(xué)引入嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中。通過(guò)分析現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的特點(diǎn)，以注重學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件開(kāi)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，Linux操作系統(tǒng)和OMAP3530平臺(tái)作為拓展教學(xué)平臺(tái)。以“從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從模塊到系統(tǒng)”的原則設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)案例。在卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃中實(shí)踐了以上教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)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(shí)踐創(chuàng)新和RobCup機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)中檢驗(yàn)了該方法對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式；項(xiàng)目教學(xué)法；實(shí)踐教學(xué)；μCOS-II；Linux

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0183-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才的需求量非常大。但是嵌入式技術(shù)有著非常強(qiáng)的綜合性、實(shí)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(guò)程中以灌輸式和知識(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)已獲批教育部第二批卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃高校試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)。按照“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累?！绊?xiàng)目教學(xué)法”[4，5]是通過(guò)實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其目的是在課堂教學(xué)中把理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

為此，在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，將“項(xiàng)目教學(xué)法”引入到實(shí)踐課程教學(xué)中，選擇適合學(xué)生的嵌入式軟硬件平臺(tái)和項(xiàng)目案例，著力推動(dòng)基于問(wèn)題與項(xiàng)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目為導(dǎo)向在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。

一、嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的選擇

通過(guò)對(duì)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(shí)編程實(shí)現(xiàn)，能有意識(shí)的將課堂所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于具體實(shí)踐。良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以促進(jìn)學(xué)生邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)，使學(xué)生克服重理論輕實(shí)踐、理論脫離實(shí)踐的不良影響，大大提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

現(xiàn)有高校嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(tái)適應(yīng)一般本科院校學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)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(shí)時(shí)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(guò)于復(fù)雜，初學(xué)者看此類(lèi)操作系統(tǒng)源碼會(huì)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(jì)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(shí)驗(yàn)板作為主要硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了便于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)，選擇Linux操作系統(tǒng)和Cortex-A8系列的OMAP3530平臺(tái)作為拓展教學(xué)平臺(tái)。

通過(guò)選擇μC/OS-II+STM32F10X為主要教學(xué)平臺(tái)，Linux+OMAP3530為拓展教學(xué)平臺(tái)，在實(shí)踐教學(xué)設(shè)備上形成了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)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(shí)踐中養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣，逐漸培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力。

二、項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)和實(shí)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(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象。在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，一方面強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)二者都不可偏廢。另一方面對(duì)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)計(jì)劃中如何安排，采取了兩種做法：一是將其各自獨(dú)立安排，自成體系，齊頭并進(jìn)，相互促進(jìn)。擺脫實(shí)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(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，由簡(jiǎn)到繁，由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)逐步過(guò)渡到項(xiàng)目實(shí)踐，循序漸進(jìn)，互相促進(jìn)，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(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為uC/OS-II實(shí)驗(yàn)、STM32F103實(shí)驗(yàn)和綜合項(xiàng)目實(shí)踐三大部分，如表1至表3所示，其中的項(xiàng)目案例來(lái)源于具體嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。在教學(xué)過(guò)程中，從易到難引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中掌握嵌入式系統(tǒng)知識(shí)，將課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合，既豐富了實(shí)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(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

三、卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃下嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目教學(xué)法的具體實(shí)踐

在卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃下，應(yīng)注重學(xué)生實(shí)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(jiǎn)單到復(fù)雜，從模塊到系統(tǒng)”的思想引導(dǎo)學(xué)生逐步開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)。常州工學(xué)院在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向開(kāi)設(shè)了“嵌入式操作系統(tǒng)”和“嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”兩門(mén)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(shí)對(duì)Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)介。此課程通過(guò)例程和實(shí)驗(yàn)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?！扒度胧较到y(tǒng)開(kāi)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(shí)簡(jiǎn)介了基于Linux的 OMAP3530平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程與方法。

為了將“項(xiàng)目教學(xué)法”引入嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)中，在“嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”課程教學(xué)的前期就對(duì)學(xué)生講解已設(shè)計(jì)好的有實(shí)際應(yīng)用背景的項(xiàng)目課題，讓學(xué)生明確課題需求和完成此課題需要的知識(shí)點(diǎn)。然后對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組和選擇課題，通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的方式，以學(xué)生為主進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，教師在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中引導(dǎo)討論、給予建議與評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。

學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，極大地提高了對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，參加大學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)和學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)的積極性也有了很大提高。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)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(shí)踐活動(dòng)。近三年本專(zhuān)業(yè)學(xué)生在參加的RoboCup機(jī)器人競(jìng)賽和服務(wù)外方軟件設(shè)計(jì)大賽中已獲得世界亞軍一項(xiàng)、全國(guó)亞軍一項(xiàng)、全國(guó)季軍兩項(xiàng)、全國(guó)三等獎(jiǎng)三項(xiàng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”精神為指導(dǎo)，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程，將實(shí)踐項(xiàng)目課題引入到實(shí)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(xiàng)目課題的綜合實(shí)踐能力的鍛煉。通過(guò)本文的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，加深了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)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(kāi)發(fā)的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力。

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（責(zé)任編輯：孫晴）