項目引導在嵌入式系統教學中的應用

[摘 要]國內高校嵌入式系統基礎教學中存在一些問題。解決這些問題需采用以項目為引導、以實際需求指導理論學習、以實踐促進學習的項目化教學。通過對使用SMTP協議通信的嵌入式遠程工業控制項目的具體實施，完成教學和項目組織。提高了學生的學習積極性和團隊合作能力，有效地提高教育教學質量，能達到預期教學效果。

[關鍵詞]嵌入式系統 項目引導 實踐教學 SMTP

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）15-0119-02

一、前言

嵌入式系統作為實踐性很強的課程，涉及到計算機、電子技術、自動化等多領域的知識。從計算機專業來看，該課程涵蓋了網絡、操作系統、微機原理、C語言等多門課程，涉及面廣，學習難度大。然而，相當多的學校只給予該課36～54個學時。作為教師，卻需要根據教學大綱的安排，全面介紹處理器、接口、操作系統、驅動、應用程序開發等基礎知識。顯然，采用傳統教學方法，既要完成理論的講解，又完成相關實驗，就如走馬觀花，很難深入理解嵌入式系統的基礎知識，更不可能進行嵌入式技術的開發。為了提高學生學習積極性，并使學生有具體的學習目標，作者在嵌入式系統的課程教學中以項目為引導，通過對一簡化的遠程工業控制項目的實施來驗證項目引導在嵌入式系統基礎教學中是正確可行的。[1]

二、項目引導

（一）項目引導理論及特點

“項目引導教學”是一種新的教學模式，來源于建構主義學習理論。作為“行動導向”教學法之一，通過“項目需求”為指引，在有限的課時計劃內，師生一起為實施一個完整的項目進行教學活動。項目需要的專業技術作為規定的教學內容和學生的專業能力培養要求，并且在教學結束后會產生一個較完整的項目作品。其特點是：項目引導，任務（技術）驅動，學生主體，素質滲透，學工結合。

在教學過程中以項目作為主線來展開，將所需的知識點融入到教學的各個環節中，從而推進項目的實施與開發。在此過程中，激發起學生積極的學習態度和求知欲，引導學生去探索專業技術，從而達到學習知識和學習能力培養的目的。[2]項目引導法最大的特點在于，改變了傳統的教學方法，即“教—學”的這種“灌—填”的模式，引導學生由被動的學習，轉化為自主學習，而教師在此過程中根據項目的需求進行引導。[3]

（二）項目引入及知識點分解

通過引入一個簡化的遠程工業控制項目實例來描述項目引導的教學實施過程。在教學實施過程中，教師作為項目的引導者，學生是項目實施的主體。通過給學生詳細分析項目需求、項目技術要點、項目設計和實施方法、項目調試技術等基礎，逐步引導學生完成嵌入式系統各個知識點的學習，讓學生有目的、有計劃的學習，學以致用從而激發了學生的學習興趣。

在項目的引導及教學過程中，根據嵌入式人才需求及計算機專業自身的特點，對項目中涉及的眾多知識點進行刪減，偏重軟件開發的技術講解和接口的開發，做到條理清晰。

該項目通過郵件的方式，由遠程客戶端通過郵件工具（如：Outlook）在主題字中發送控制命令，設備的嵌入式中央控制板上實現一個簡化版的SMTP Server和POP3 Server，在接收遠程客戶端郵件后，解析出郵件主題字中的命令，然后通過RS-232通信將控制傳遞到各子設備，從而實現控制。控制完成后，POP3 Server將結果以郵件形式反饋給遠程用戶，如圖2所示。

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圖2：SMTP/POP3嵌入式遠程控制結構

首先，對該遠程控制系統進行需求分析，可以完成以下功能：

1）遠程控制：在郵件主題字中傳遞控制命令；

2）遠程更新：可以實現設備上的本地控制程序的遠程更新；

3）安全認證：傳遞郵件過程中，實現用戶名、密碼的安全認證；

4）控制反饋：無論成功與失敗，將控制結果以郵件形式反饋給遠程控制用戶。

在完成需求分析的時候，逐層分解，指出項目開發所涵蓋的各項技術，學生需要掌握的知識點，對各個知識點分別以了解、理解、掌握的層次區別對待。各知識點如下：

1）實現遠程控制的中央控制板所需的核心板硬件電路，以了解為主；

2）中央控制板與子設備通信的RS-232接口電路，理解為主；

3）中央控制板功能的實現：Bootloader燒寫、內核/文件系統移植，已掌握操作為主；

4）項目實施，程序的引導。主要是嵌入式Linux啟動引導過程，理解并掌握基本配置；

5）遠程通信，項目中通過SMTP及POP3協議完成通信，要求在設備端的中央控制板上實現SMTP Server和POP3 Server。在該技術實現上，主要涵蓋兩方面知識。其一，必須掌握基本的Linux socket編程技巧，由C語言實現，對于計算機專業的學生完全能達到較好的學習效果；其二，對于SMTP協議和POP3協議，需要提高學生在項目中自主學習、閱讀文獻資料的能力，該部分知識可通過公開的RFC文檔獲取。在教學過程中，教師對協議進行精簡，并帶領學生一起完成協議通信部分的流程模塊劃分，提升學生在陌生領域解決問題的能力。

6）遠程更新，該技術主要包括三方面的知識。其一，網絡字符流的處理，由C語言字符串處理的基礎知識即可完成；其二，必須掌握Linux底層文件處理；其三，涉及到SMTP協議對于附件的Base64的編解碼技術，同樣可由教師對Base64編碼進行講解，提升學生程序編寫的素養。

7） 串口通信，設備的中央控制板收到遠程命令后，通過串口將命令傳遞給各子設備。在有限的課時內，可以將最常用的串口作為接口的重點案例講解。包括：ARM針對串口的內部寄存器設置；在Linux內核中串口驅動的編寫分析；重點掌握嵌入式Linux中串口設置及通信應用程序的編寫。

8）進程及進程通信，在項目的實現中需要進程及進程間的通信技術完善整個程序結構，該部分也是嵌入式Linux學習中必須掌握的重點部分。

通過該嵌入式遠程工業控制項目，基本涵蓋了嵌入式系統學習的ARM硬件環境、嵌入式linux、內核移植、嵌入式編程環境、I/O讀寫、進程及進程通信、接口及編程等內容，是嵌入式系統學習和提升的一個典型項目。通過項目引導的教學實施，讓學生對嵌入式系統的學習有了感性與直觀認識，極大的激發了學生的學習熱情。

（三）項目實施及教學

確定項目并初步分析后，按項目進度的需求逐步講解，同時鼓勵學生主動探索，并搜索相關資料學習對應知識，自主挖掘所需的理論知識。

在此過程中，根據學生的學習基礎和相應的學習能力，采用分組的形式完成整個階段的學習和項目實施。分組以4人為一組，指定能力較強的1人為組長，由組長安排組內的討論，分配組內成員的任務。根據項目相關的工作情況，按照項目設計的需要完成設計書并完成相應階段的實驗，給出調試結果。為保證所有學生學習的同步進行，在每個項目階段，教師都對每組的進展和實驗進行抽查，了解各組進展，并做好記錄。在項目的中期階段開始，所有組都要進行項目的進展匯報，隨機抽取組員進行PPT演示和答辯，并將其成績計入考評成績。在項目的最后階段，進行項目和課程學習的總體答辯。

（四）實施效果

在項目引導教學的過程中，教師在教學的同時，幫助學生建立團隊并形成討論溝通機制，給出一些方向性的建議。不同的團隊形式了各具特色的分工機制，有同學適合從整體把握項目，有學生更擅長代碼軟件的開發，有學生能給出合理的測試調試建議，使學生能合理的自我定位。對于學生個體而言，提高了學生的學習熱情，由被動學習轉變為主動學習，并激發了學生的求知欲和創新能力。特別在主動搜索整理資料、制訂項目設計方案方面，培養了自我學習的能力。對于嵌入式系統相關知識點，能夠按要求深入了解與熟練掌握，達到了預期的教學效果。

四、結束語

項目引導嵌入式系統的教學方法目前已取得初步成效，通過項目引導來給學生確立明確目標，激發學習熱情，提高學生的學習積極性、主動性與創造性，并在教學中通過項目實踐提高了學生的動手能力，團隊協作能力，同時也加強了師生之間的情感交流與互動。如何在教學過程中建立階段性的考核及衡量機制，是后續教學過程中需要繼續探討的重要課題。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 郭中華，伍馮潔，李寧智. 項目驅動法在嵌入式教學中的應用[J]. 電腦知識與技術， 2012，8（13）：3107-3108.

[2] 謝四蓮，劉峰.“項目驅動法”在單片機原理及應用教學中的應用研究[J].湖南人文科技學院學報.2010，（2）：34-36.

[3] 黎孟雄.項目驅動法在“管理信息系統”教學中的應用研究[J].計算機教育，2007，（3）：64-66.

[責任編輯：戴禎杰]