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(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用本科實踐教學(xué)課程體系 探索以項目設(shè)計為中心的教學(xué)模式 形成以技術(shù)應(yīng)用為主導(dǎo)的項目訓(xùn)練 開展以學(xué)生為主體 以項目設(shè)計引領(lǐng) 以自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊協(xié)作為原則的研討式教學(xué)模式 讓教師的教學(xué)活動從以 灌輸知識 為主向 傳授學(xué)習(xí)方法 轉(zhuǎn)變 使教師和學(xué)生發(fā)生根本性角色轉(zhuǎn)變 教師從 中心 地位 走 下來 變 教 為 導(dǎo) 學(xué)生改變以往被動接受的狀態(tài) 在課堂上 動 起來 變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí) 從而掌握良好的學(xué)習(xí)方法 該文章旨在為應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供有效途徑

關(guān)鍵詞 項目驅(qū)動 嵌入式系統(tǒng) 教學(xué)改革

中圖法分類號 g642? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用型人才的新進(jìn)程。馬鞍山學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)就是在這一背景下開設(shè)的，在２０１８ 年招收了第一批學(xué)生。物聯(lián)網(wǎng)工程是計算機(jī)、控制、通信等學(xué)科交叉的跨學(xué)科專業(yè)，專業(yè)目標(biāo)是面向行業(yè)應(yīng)用培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新工程技術(shù)人才［１］ ，著重學(xué)生綜合素質(zhì)、工程實踐能力、工程設(shè)計能力以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)，使學(xué)生能夠具備計算思維能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域，從事科學(xué)研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的設(shè)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(shù)為主導(dǎo)、應(yīng)用為中心的課程。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件功能可裁剪，而且可靠性、功耗、成本、體積均有嚴(yán)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(qiáng)的綜合性、實踐性，綜合軟硬件，理論教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了多個學(xué)科的融合。學(xué)生若要學(xué)好“嵌入式系統(tǒng)”課程，則要將一部分先修課程學(xué)好：編程語言從Ｃ 語言到嵌入式ＬｉｎｕｘＣ語言應(yīng)用編程，硬件也要先學(xué)習(xí)單片機(jī)原理與接口技術(shù)。

在日益信息化的社會，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行工作管理和生產(chǎn)控制的計算機(jī)“機(jī)器”。各種各樣的嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)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(shù)的各種電子產(chǎn)品，如ｍｐ３、ＰＤＡ、網(wǎng)絡(luò)家電、智能家電、車載電子設(shè)備等。而在工業(yè)領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機(jī)床、智能工具、工業(yè)機(jī)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(shù)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(wù)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(shù)人才的緊缺。因此，“嵌入式系統(tǒng)”課程的開設(shè)旨在為社會提供更多的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才，并滿足當(dāng)前應(yīng)用型高校的目標(biāo)。

２ 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀及改革意義

馬鞍山學(xué)院“嵌入式系統(tǒng)”課程由３２ 學(xué)時理論課、１６ 學(xué)時實驗課組成。課程上課模式主要以教師為主導(dǎo)的方式，整堂課的教學(xué)是在不斷地向?qū)W生灌輸抽象、晦澀難懂的理論知識中完成。學(xué)生處于被動接收的狀態(tài)，實驗課程僅僅是對原理知識進(jìn)行簡單的驗證性實驗，設(shè)計性、綜合性的實驗項目嚴(yán)重匱乏，致使學(xué)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(guān)的項目，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用與創(chuàng)新能力。當(dāng)前，社會需要的是有實際動手能力的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才［４］ ，這一要求是目前教學(xué)模式下無法達(dá)到的。因此，為了解決學(xué)生對“嵌入式系統(tǒng)”動手能力弱的問題，馬鞍山學(xué)院在課程體系設(shè)置過程中，增加了“嵌入式系統(tǒng)”課程的綜合設(shè)計。雖然初步達(dá)到了學(xué)生對硬件思維的建立這一目的，但從質(zhì)量上來講遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大部分學(xué)生仍然還停留在“紙上談兵”的階段，無法將所學(xué)知識應(yīng)用到實際任務(wù)中。因此，“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的首要任務(wù)就是合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，將理論與實踐相結(jié)合，并適當(dāng)改變教學(xué)模式。

３ 基于項目驅(qū)動型“ 嵌入式系統(tǒng)” 課程教學(xué)改革方案

當(dāng)前“嵌入式系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)教學(xué)方式效果不佳，學(xué)生對該課程接受程度不高，因此結(jié)合馬鞍山學(xué)院實際，探討課程教學(xué)改革。

“項目驅(qū)動教學(xué)” 的核心是以“學(xué)生” 為課堂主體，將項目作為主線，從簡單實例著手，引導(dǎo)學(xué)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(dǎo)中展示給學(xué)生。在整個教學(xué)過程中要求學(xué)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(diào)試，讓學(xué)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(xué)中，采用項目驅(qū)動教學(xué)模式可以提升學(xué)生對課程的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

３．１ 課程規(guī)劃

將“項目驅(qū)動教學(xué)”方法應(yīng)用到“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)中，最根本的做法是要擴(kuò)充對實踐項目的設(shè)置。讓教師“走”下來，促使學(xué)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(xué)生引入。

因此，“項目”設(shè)置對整個教學(xué)過程尤為重要。課程教學(xué)項目設(shè)置的總體原則為完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)項目的選擇不能太大，以防止在教學(xué)大綱規(guī)定的學(xué)時內(nèi)無法完成項目的開發(fā)。

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

考慮學(xué)生有面向?qū)W科競賽，以及畢業(yè)設(shè)計與就業(yè)的需求， 教學(xué)課程組選擇了第二類教學(xué)目標(biāo)： 以Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 系列單片機(jī)為主，完成裸機(jī)開發(fā)與ＡＲＭ 架構(gòu)下Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)的移植２ 大模塊教學(xué)。教學(xué)目標(biāo)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(shè)在大三春學(xué)期，學(xué)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(yīng)用編程、單片機(jī)原理與技術(shù)等課程，這些課程可以支撐起“嵌入式系統(tǒng)”課程前期準(zhǔn)備階段。

３．２ 項目設(shè)置

本課程所有項目采用的處理器為Ｓａｍｓｕｎｇ 的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 架構(gòu)的四核處理器Ｅｘｙｎｏｓ４４１２。課程教學(xué)目標(biāo)可以分為２ 個完整項目，這２ 個項目針對教學(xué)目標(biāo)的２ 大模塊。（１）裸機(jī)開發(fā)完成功能要求，這一項目，針對功能簡單僅包括應(yīng)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(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的開發(fā)。從應(yīng)用上來看這２ 大類難易程度不同。相較而言，基于單片機(jī)做功能的裸機(jī)開發(fā)更為簡單。

結(jié)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(jī)開發(fā)的教學(xué)目標(biāo)，具體包括ＧＰＩＯ，ＵＡＲＴ，ＡＤ 轉(zhuǎn)換器，ＰＷＭ定時器及中斷應(yīng)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(dāng)參數(shù)超過或者低于所設(shè)定閾值時，實現(xiàn)風(fēng)扇、水泵、照明燈的自啟動，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化調(diào)整風(fēng)速等，甚至可以通過有線或者無線的方式實現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，讓用戶可以在上位機(jī)上查看到環(huán)境參數(shù)。實現(xiàn)一個自動調(diào)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(yīng)用，以及ＡＤ 轉(zhuǎn)換器的使用。（２）使用按鍵實現(xiàn)閾值的設(shè)置，這一過程主要完成中斷應(yīng)用的學(xué)習(xí)。（３）實現(xiàn)風(fēng)扇、水泵、光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。這一過程主要實現(xiàn)ＰＷＭ 定時器學(xué)習(xí)。（４）通過有線方式實現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這一過程實現(xiàn)ＵＡＲＴ 的應(yīng)用學(xué)習(xí)。（５）通過無線方式實現(xiàn)與上位機(jī)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(jī)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(yīng)／ 陀螺儀的應(yīng)用等。這些教學(xué)目標(biāo)基本可以滿足學(xué)生完成簡單小型系統(tǒng)的競賽和畢業(yè)設(shè)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(xué)目標(biāo)，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(gòu)建、網(wǎng)卡驅(qū)動的移植、攝像頭驅(qū)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(yuǎn)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(zhǔn)備階段即移植系統(tǒng)和驅(qū)動移植。

片上系統(tǒng)準(zhǔn)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(jī)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(dǎo)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(jìn)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(qū)動移植開發(fā)階段完成的工作。（１）完成基于ＵＳＢ 的攝像頭驅(qū)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(yuǎn)程實時現(xiàn)場監(jiān)控與視頻傳輸，需要網(wǎng)絡(luò)通信。這部分需要對網(wǎng)卡驅(qū)動程序移植開發(fā)。（３）視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并進(jìn)行顯示。這部分完成Ｌｉｎｕｘ 操作系統(tǒng)下的應(yīng)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(wù)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(wù)，這是能夠在Ｌｉｎｕｘ 系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的前提。其次，在Ｌｉｎｕｘ 環(huán)境下驅(qū)動移植開發(fā)階段任務(wù)做取舍，保留網(wǎng)卡驅(qū)動程序移植開發(fā)，因為攝像頭屬于功能性外設(shè)，若換一個項目，則可能用不到攝像頭。相應(yīng)的應(yīng)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(xué)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(xué)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(wù)，將任務(wù)實現(xiàn)所需要的理論知識和書本單元教學(xué)相關(guān)聯(lián)，并將整個教學(xué)過程通過理論穿插進(jìn)任務(wù)點的完成過程中。通過實施實驗項目，在完成任務(wù)的同時，也達(dá)到了對相關(guān)知識點掌握的目的。

課前，教師將項目劃分好的任務(wù)制定成項目計劃。課堂上，將學(xué)生分為不同開發(fā)小組，發(fā)放任務(wù)。當(dāng)劃分后的項目任務(wù)下發(fā)后，教師不再是課堂的“中心”，而是擔(dān)任“引導(dǎo)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(dǎo)解決問題，基礎(chǔ)理論知識就在引導(dǎo)解決問題的過程中“滲透”給每一位學(xué)生。

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

３．４ 課程考核標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有的課程考核標(biāo)準(zhǔn)為“６０％的卷面成績＋４０％的平時成績”，這種考核標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適合項目驅(qū)動型教學(xué)課程考核。現(xiàn)根據(jù)項目驅(qū)動教學(xué)的特點，采取以下的考核標(biāo)準(zhǔn)，如表２ 所列。

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

４ 結(jié)束語

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

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作者簡介：

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

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

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

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

許婷（１９９０—），碩士，講師，研究方向：計算機(jī)視覺。