嵌入式操作系統課程的案例教學法

　　摘要：針對“嵌入式操作系統”課程內容自身特點，提出實驗平臺選擇、課程教學內容設置建議，探索在教學中采用案例教學法，建立一個多層次教學案例庫，探討案例選擇、學時安排和課程考核中應注意的問題，通過強調綜合和創新實訓案例教學和創新實驗環境建設，增強學生應用開發能力和技術技能的實用性，教學效果明顯提高。
　　關鍵詞：教學案例 案例教學 嵌入式操作系統 實踐體系
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0057-04 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　基金項目：廣東省本科高等教育改革立項項目(BKJG200756)。
　　
　　嵌入式系統技術的發展不但使傳統的過程控制、儀器儀表和軍事裝備獲得技術革新，還創造了信息家電、消費電子和智能通信等多種新的產品形態，實現了計算的無處不在、無時不在(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之一[2]。ACM/IEEE在2005計算機課程報告中將嵌入式系統作為計算機學科知識體系的重要知識點[3]。因此，近幾年眾多高校開設了嵌入式系統相關課程，并研究如何形成規范的課程系統[4-6]。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的資源管理、任務調度、系統控制等核心功能，是嵌入式應用開發的關鍵技術。廣東省位于改革開放前沿，是嵌入式系統產品的重要設計和生產基地，市場對嵌入式技術人才需求量大、要求高，我校為計算機相關專業設置了嵌入式操作系統課程。該課程涉及的理論和技術復雜、廣泛，實踐性強，知識點間的關聯性大，教學難度大，采用案例教學法提高教學效果的途徑逐漸得到高校教師的認同，文獻[7]采用以案例教學為主的教學內容體系和實驗教學方法，提出了“興趣驅動認知實踐，應用引導創新體驗”的實驗教學思路，取得良好的教學效果。文獻[8]采用以嵌入式系統為核心的項目教學和案例教學模式，把專業課程的主要知識點通過項目教學進行教授，以培養學生的實際應用能力、創新素質、綜合能力，取得了比較好的教學效果。本文采用項目驅動的案例教學方法，利用一個可動態更新的多層次教學案例庫，配合合理的教學案例選擇、教學學時安排和課程考核方式，強調綜合創新實訓案例的教學，增強了學生的應用開發能力和技術技能的應用性，取得了較好的教學效果。
　　1 平臺選擇和教學內容設置
　　在先修課程“實時嵌入式系統”中，我們已經講授了嵌入式系統的基本概念、嵌入式系統設計方法、ARM嵌入式微處理器及編程模型、典型存儲器和總線、基本I/O接口部件、貪吃蛇等應用程序，介紹了?COS-II實時多任務操作系統的結構，并通過實驗了解了該系統的移植過程和應用開發方法。“嵌入式操作系統”課程主要培養學生對不同嵌入式操作系統進行移植、裁剪、編譯和優化的能力，掌握設備驅動程序規范和開發方法，積累實際應用開發經驗。由于?COS-II的系統功能和任務規模相對簡單，不利于充分發揮ARM9等32位高性能嵌入式微處理器的計算能力，應用支持軟件較少，且主要用于各種工業測量和控制，難以體現其他主流嵌入式操作系統的系統結構、設計技術。在信息家電、消費電子和移動通信等領域，嵌入式Linux和Windows CE等系統提供了能與桌面操作系統相比擬的多任務管理能力和豐富的支撐軟件，極大方便了嵌入式應用的開發，并得到廣泛應用。其中，嵌入式Linux具有現代多任務高級操作系統的典型特征，源碼開放，系統功能強大，內嵌TCP/IP協議，可剪裁性好，硬件支持廣泛，開發工具免費，其內核代碼、支持軟件、應用開發環境都與桌面Linux系統相同，故以嵌入式Linux作為課程實驗平臺，掌握嵌入式Linux內核和應用開發技術，可為學生學習其他類型的嵌入式操作系統打下良好的基礎。
　　“嵌入式操作系統”的教學內容主要由四個模塊構成：嵌入式Linux編程基礎、嵌入式Linux系統構建和移植、嵌入式Linux驅動開發和嵌入式Linux應用開發。模塊1是Linux環境下應用開發的基本方法、多任務管理以及任務間通信的編程方法，多數內容在“操作系統原理”課程的實驗環節中已經學過，通過該模塊的設置可以進行較為系統的復習和提高；在此基礎上，模塊2包括嵌入式Linux開發環境的建立，Linux內核、文件系統、圖形庫、嵌入式數據庫、Web服務器等典型系統功能模塊和支持軟件包的移植、裁剪、配置、編譯和下載，學習構建嵌入式Linux系統基本功能的技能技術；模塊3講授Linux設備驅動程序設計開發方法，包括字符設備、塊設備、網絡設備、USB設備的結構規范，通過典型設備驅動程序的分析和實驗，掌握在嵌入式系統中加入新設備和定制設備驅動程序功能的基本方法；模塊4是綜合實訓和創新應用開發，綜合了前三個模塊中獲得的知識和技能，分析和開發數據采集、遠程監控、定位導航等嵌入式系統應用功能，它可以培養學生的工程實踐能力。
　　
　　2 實驗條件建設及實踐教學體系
　　2.1 實驗條件建設
　　“嵌入式操作系統”屬實驗和實訓課程得到眾多教師的認同[9]，該課程應按教學內容要求建設相應的實驗條件，我校的“嵌入式系統”課程類實驗設備有三類。
　　1) 基本實驗設備。包括80套博創2410S教學科研平臺和配套的Linux PC，采用ARM9構架的S3c2410A處理器，具有豐富的外設資源，可開設模塊1、模塊2和模塊3所需的所有實驗，做到一人一套設備；
　　2) 創新實驗設備。可用于本課程的創新實驗設備由多種不同類型的實訓平臺構成，包括PXA270 XScale教學科研平臺、網絡視頻監控實訓平臺、智能收費系統實訓平臺、智能手機開發平臺、Android手機開發平臺、OMAP實驗平臺、Zigbee無線傳感器開發平臺各若干套，以滿足模塊4綜合實訓的需要，該類設備逐年更新，不斷補充代表主流和前沿技術的實訓設備；
　　3) 輔助實驗設備。與本課程有關的主要輔助實驗設備有協助硬件調試用的仿真器、Flash燒寫器、邏輯分析儀、示波器等。
　　2.2 實踐教學項目
　　課程實踐體系包括四個類別層次，按照課程的教學目的和實驗條件狀況，目前可開設的實驗實踐項目，四個類別的項目分別對應模塊1到模塊4中知識點的教學。類別1到類別3為基礎實訓項目，培養基本的嵌入式編程開發、軟件移植、接口通信技術，類別4為綜合和創新實訓項目，培養學生綜合運用知識解決問題和開發應用的能力，是課程教學重點。
　　
　　3 案例教學法
　　3.1 實驗實踐項目驅動的案例式教學
　　“嵌入式操作系統”課程教學內容多、實踐性強，涉及的理論和技術廣泛，傳統的理論教學方法難以達到培養學生技術技能的目的。由于學生通過先修課程的學習已經具備程序設計、數據結構、計算機原理、匯編語言、操作系統和嵌入式系統的基本概念、理論、算法和知識，以實驗實踐項目為教學案例，運用案例教學手段進行示范教學，實現邊講邊練[10]，將已有知識和概念與嵌入式Linux內核、文件系統、任務調度、支持軟件、驅動程序和典型應用系統的結構、原理和源代碼實現相結合，循序漸進地引導學生掌握相應的知識和技能，可以觸類旁通，培養分析和解決問題的能力，并加深對理論本身的理解。
　　在嵌入式操作系統中實施案例教學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，直接以案例驅動教學，在案例講解中引用相關的理論、原理和算法，實現理論與實際的結合，通過安排與案例相近的實驗作業或練習，培養知識的運用技能。第四類案例可采用案例分析法(又稱案例討論法)，主要強調學生的參與性，由教師根據案例提出問題，學生與教師一起討論問題解決的方法，引導學生分析問題，在分析過程中講授用到的知識點和系統設計方法，一步一步完成項目的開發和實現，并在其后實踐課上，讓學生獨立完成與教學案例相近的實訓項目，鞏固知識和操作，培養獨立解決問題的能力。
　　
　　3.2 教學案例選擇
　　案例的選擇是“嵌入式操作系統”課程案例教學的重要環節，直接影響教學效果，為提高學生的學習興趣、綜合運用知識的能力和應用開發能力，教學案例選擇應考慮以下因素。
　　1) 實用性。將案例引入教學的目的在于理論聯系實際，促進教學，選擇的案例應具有從局部到全面的特點，學生身臨其境，以嵌入式軟件工程師的角度考慮問題，學生把具體案例與嵌入式產品與應用相聯系，彼此貫通，產生興趣，從而調動學習熱情。
　　2) 綜合性。嵌入式Linux適合設計開發功能強大、界面友好的嵌入式系統產品和應用，小實驗程序無法顯現其魅力，因此，我們可選擇具有一定難度、深度和綜合性的案例，吸引學生對案例去反復琢磨、推敲，激勵學生系統研究、分析，加深對難點、重點問題的認識和掌握，從而取得較好的整體教學效果。
　　3) 時效性。嵌入式系統技術作為當前電子技術發展最快的領域之一，新技術層出不窮，新產品不斷涌現。“嵌入式操作系統”是一門實踐性很強的課程，其教學案例應反映當前技術發展狀況，將當前先進和主流的系統平臺、應用開發模式、應用支持軟件、網絡通信技術納入教學內容，將有用的知識、技術、技能傳授給學生，使人才培養與市場需求接軌。
　　4) 典型性。“嵌入式操作系統”的教學內容廣泛，難以在課內完成所有教學內容和實訓項目的教學，所選擇的教學案例應用具有典型性，能反映課程知識的基本框架，具有觸類旁通的特性，可培養學生學習本嵌入式系統設計開發新知識、新技能和新技術的能力。
　　3.3 教學案例庫建設
　　為了覆蓋課程教學內容所涉及的知識和技能，我們需要構建一個內容豐富、多層次、動態增長的教學案例庫，教學案例庫的構建途徑有以下幾種。
　　1) 設備配套實驗指導。設備供應商一般都開發實驗項目和實驗指導，免費贈送給高校教學使用，但這些實驗項目往往較為粗糙，需要教師進行改造和優化，方可獲得較好的教學效果。
　　2) 優秀學生作品。學生在課程設計、科技競賽、企業實習和畢業設計中開發的優秀軟硬件作品和成果，可加以包裝改造，它是教學案例的重要來源。
　　3) 教學科研成果。教師可將教學和科研中設計開發的程序、算法、模塊、軟件、產品和成果進行案例化改造，制作成教學案例，這類案例通常具有較好的實用性、時效性和綜合性。
　　3.3 課時安排和課程考核
　　本課程課內安排56學時，全部在嵌入式系統實驗室授課，采用講解、演示、討論、操作和實驗的方式進行教學，同時安排1:1的課外學時，用于復習、鞏固和拓展課內講授的知識和技能。為方便學生課外學習，嵌入式系統實驗室實行7×24小時全部開放制度，堅持學生在實驗中的主體地位，調動學生的積極性和自主權，提高教學效果。
　　課程考核內容分為3部分：筆試成績、基礎實驗和綜合實驗。筆試成績占50%，主要考察學生對課程基本知識、概念、原理的理解，以及嵌入式操作系統設計、操作編程、應用開發的技術技能；基本實驗占20%，是教學內容前三個模塊對應的實驗和實訓項目，每個實驗完成時，教師檢查運行結果后給出成績；綜合實驗占30%，教師布置多個具有一定難度和工作量的嵌入式應用開發項目讓學生選擇，學生利用課外時間完成，教師統一驗收、檢查和答辯，并給出成績。參加嵌入式技術競賽的學生適當加分，以引導學生向更高層次發展，挖掘學生潛力，培養學生創新意識。
　　4 結語
　　教學實踐表明，實驗實踐項目驅動的案例教學法
　　有利于學生學習和掌握“嵌入式操作系統”課程中的嵌入式系統設計和應用開發技術和技能，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及嵌入式應用中的程序、模塊和代碼對應起來，實現理論和實踐的結合，激發學生創造性思維，調動其學習的積極性，提高其分析問題和解決問題的能力。案例教學法開展兩年來，學生基于嵌入式Linux設計先后開發了智能家居監控系統、可視對講機、人體健康檢測儀、校園一卡通等多種嵌入式系統產品，并在“挑戰杯”和“博創杯”全國嵌入式系統設計競賽中獲得二等獎，嵌入式系統方向的畢業生就業率達到100%，其業務能力受到用人單位的好評。今后，我們將繼續緊跟嵌入式系統技術最新發展，將主流和前沿技術納入教學內容，不斷充實教學案例庫，進一步提高學生的綜合實踐能力。
　　參考文獻：
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