以項目為導向的嵌入式系統實踐教學研究

李春光?謝光前

摘要：為了改進嵌入式系統課程的教學效果，將項目教學引入嵌入式系統實踐教學中。通過分析現有嵌入式系統軟硬件平臺的特點，以注重學生掌握嵌入式系統軟硬件開發的基本原理為目標，選擇μCOS-II操作系統和STM32F10X系統作為課程的主要實踐教學平臺，Linux操作系統和OMAP3530平臺作為拓展教學平臺。以“從簡單到復雜，從模塊到系統”的原則設計項目教學案例。在卓越工程師教育培養計劃中實踐了以上教學方法，引導學生在實踐中學習，使學生對嵌入式系統的學習興趣有了很大提高，教學效果良好。在大學生實踐創新和RobCup機器人競賽活動中檢驗了該方法對學生能力的培養效果。

關鍵詞：嵌入式；項目教學法；實踐教學；μCOS-II；Linux

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0183-02

隨著社會經濟的快速發展，與嵌入式系統相關的應用產品不斷推陳出新，社會對嵌入式系統設計人才的需求量非常大。但是嵌入式技術有著非常強的綜合性、實踐性和應用性，如何改善高嵌入式系統課程的教學效果，改革人才培養過程中以灌輸式和知識傳授為主的做法，已經引起眾多本課程教師的關注。[1-3]

常州工學院計算機科學與技術專業已獲批教育部第二批卓越工程師教育培養計劃高校試點專業。按照“卓越工程師教育培養計劃”的要求，計算機科學與技術專業要緊密結合學校應用型人才的辦學定位，注重學生工程實踐經驗的積累。“項目教學法”[4，5]是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論教學與實踐教學有機地結合起來，充分發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。

為此，在嵌入式系統課程教學過程中，結合卓越工程師培養計劃，將“項目教學法”引入到實踐課程教學中，選擇適合學生的嵌入式軟硬件平臺和項目案例，著力推動基于問題與項目的研究性學習方法，引導學生以嵌入式應用開發項目為導向在實踐中學習。

一、嵌入式系統軟硬件平臺的選擇

通過對嵌入式系統課程的學習，學生應能具備一定的嵌入式系統編程能力，能將課堂講授的理論知識編程實現，能有意識的將課堂所學理論知識應用于具體實踐。良好的實驗平臺可以促進學生邊實踐邊學習，使學生克服重理論輕實踐、理論脫離實踐的不良影響，大大提高學生的實踐能力。

現有高校嵌入式系統教學實驗平臺眾多。教學中采用的嵌入式操作系統有VxWorks、μC/OS-II、eCos、Linux和Wince等，實驗箱采用的CPU有Cortex-A系列、Cortex-M系列、ARM9、ARM11等等。為使軟硬件平臺適應一般本科院校學生對嵌入式系統的學習，對以上系統進行了分析比較。μC/OS-II操作系統代碼短小精悍，易讀易懂，也包含實時內核、任務管理、任務間通信同步等功能。而Linux、eCos等操作系統源碼過于復雜，初學者看此類操作系統源碼會異常困難。以使大多數學生掌握嵌入式操作系統原理、多任務程序設計方法、任務間同步與通信方法為目的，選擇μC/OS-II作為教學中主要使用的嵌入式操作系統。[6]與Cortex-A、ARM9、ARM11等CPU內核相比，屬于Cortex-M系列的STM32F10X芯片易于學習與使用，因此被廣泛應用于成本和功耗敏感的嵌入式終端產品。選擇STM32F10X實驗板作為主要硬件實驗平臺。為了便于學生進一步學習嵌入式系統知識，選擇Linux操作系統和Cortex-A8系列的OMAP3530平臺作為拓展教學平臺。

通過選擇μC/OS-II+STM32F10X為主要教學平臺，Linux+OMAP3530為拓展教學平臺，在實踐教學設備上形成了從簡單到復雜的實驗學習環境。在教學實踐過程中，很容易提高多數學生的學習積極性，讓學生逐步在具體實踐中養成獨立思考的習慣，逐漸培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，從而提高了學生的創新意識和創造能力。

二、項目案例設計

在嵌入式系統課程教學和實踐教學內容的制訂與講授中，需要改變主要偏向于理論教學而忽視了對學生實踐能力的培養，進而導致學生理論學習與實踐脫節的現象。在實踐教學內容中，一方面強調理論教學和實踐教學二者都不可偏廢。另一方面對理論教學和實踐教學在教學計劃中如何安排，采取了兩種做法：一是將其各自獨立安排，自成體系，齊頭并進，相互促進。擺脫實踐教學附屬于理論教學的局面，以確保學生的應用能力不斷提高。二是將理論教學和實踐教學有機地結合起來，由簡到繁，由基礎實驗逐步過渡到項目實踐，循序漸進，互相促進，朝著總的培養目標共同發展。根據課程內容，將實驗內容分為uC/OS-II實驗、STM32F103實驗和綜合項目實踐三大部分，如表1至表3所示，其中的項目案例來源于具體嵌入式產品開發項目。在教學過程中，從易到難引導學生在實驗實踐中掌握嵌入式系統知識，將課堂教學、實驗室等教學方法有機結合，既豐富了實習教學內容，又活躍了課堂氣氛，激發了學生的求知欲望，有效地提高了學生的實踐教學質量。

三、卓越工程師教育培養計劃下嵌入式系統項目教學法的具體實踐

在卓越工程師教育培養計劃下，應注重學生實踐能力的培養。在嵌入式系統課程的教學工程中，以“從簡單到復雜，從模塊到系統”的思想引導學生逐步開展實踐活動。常州工學院在計算機科學與技術專業嵌入式系統方向開設了“嵌入式操作系統”和“嵌入式系統開發及應用”兩門課程。“嵌入式操作系統”課程詳細講解了uC/OS-II操作系統的原理，同時對Linux操作系統進行了簡介。此課程通過例程和實驗讓學生掌握嵌入式操作系統基本原理與任務間同步與通信的方法。“嵌入式系統開發及應用”課程主要講解STM32F10X芯片結構、uC/OS-II和uCGUI在STM32F10X芯片上的應用，同時簡介了基于Linux的 OMAP3530平臺開發流程與方法。

為了將“項目教學法”引入嵌入式系統課程的實踐教學中，在“嵌入式系統開發及應用”課程教學的前期就對學生講解已設計好的有實際應用背景的項目課題，讓學生明確課題需求和完成此課題需要的知識點。然后對學生進行分組和選擇課題，通過開放實驗室的方式，以學生為主進行設計開發，教師在學生設計實踐過程中引導討論、給予建議與評價，引導學生解決實際問題。

學生通過項目教學實踐，極大地提高了對嵌入式系統的學習興趣，參加大學生實踐活動和學科競賽活動的積極性也有了很大提高。對于計算機科學與技術專業嵌入式系統方向，學生已做到每人都參加大學生實踐活動。近三年本專業學生在參加的RoboCup機器人競賽和服務外方軟件設計大賽中已獲得世界亞軍一項、全國亞軍一項、全國季軍兩項、全國三等獎三項。

四、結語

本文以“卓越工程師培養計劃”精神為指導，針對嵌入式系統課程，將實踐項目課題引入到實踐教學中，引導學生完成從uC/OS-II、STM32F10X 32位ARM微控制器的嵌入式系統軟硬件學習到基于項目課題的綜合實踐能力的鍛煉。通過本文的教學實踐活動，加深了學生對專業基礎知識的理解與掌握，提升了學生嵌入式系統方向的工程素質，培養了學生嵌入式系統軟硬件開發的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力。

參考文獻：

[1]李鳳云.計算機本科專業嵌入式系統課程體系研究與實踐[J].高教論壇，2007，（4）：71-73.

[2]張曉東，魯可，李秀娟.嵌入式系統課程教學研究[J].計算機教育，2011，（8）：76-79.

[3]曾煉成，沈岳，張林峰.嵌入式系統實踐教學研究[J].中國電力教育，2010，（27）：128-130.

[4]黨元一.嵌入式課程中項目教學法的應用研究與實踐[J].中國電力教育，2011，（2）：86-87.

[5]徐欽桂，趙維銓，譚偉，等.嵌入式操作系統課程的案例教學法[J].計算機教育，2011，（18）：57-60.

[6]任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

（責任編輯：孫晴）