基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)教學(xué)改革實(shí)踐

王曉強(qiáng) 劉志強(qiáng) 莊旭菲

摘 要：以?xún)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，結(jié)合“卓越工程師”培養(yǎng)目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能力為目標(biāo)，課程組分析了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)課程之間的關(guān)系，建立了嵌入式方向的課程體系；通過(guò)項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)，將知識(shí)點(diǎn)貫穿于項(xiàng)目中，突出教學(xué)重點(diǎn)，注重實(shí)踐教學(xué)，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了相應(yīng)的改革和探索。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；教學(xué)改革

隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、智能儀表、汽車(chē)制造等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)前最熱門(mén)、最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有較好的市場(chǎng)前景。但嵌入式是軟硬件結(jié)合的技術(shù)，且該領(lǐng)域發(fā)展太快，學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識(shí)和技術(shù)的難度較大。采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法教學(xué)，學(xué)生難以全面掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。

2014年，我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向獲批開(kāi)設(shè)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型人才，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，落實(shí)到本專(zhuān)業(yè)就是培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)的高素質(zhì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人才。教師必須對(duì)以前的教學(xué)方法進(jìn)行改革，嘗試引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法具有針對(duì)性（針對(duì)具體工程項(xiàng)目），教學(xué)中將“項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式引入嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程，將過(guò)去以傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問(wèn)題、完成任務(wù)為主的多維互動(dòng)式教學(xué)，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

一、嵌入式方向課程體系建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)課程體系的建設(shè)目標(biāo)是構(gòu)建完整的嵌入式開(kāi)發(fā)知識(shí)體系，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力。知識(shí)體系建設(shè)基于目前流行的ARM架構(gòu)展開(kāi)，開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、單片機(jī)、移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等相關(guān)課程。

1.嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)相關(guān)課程設(shè)置。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)不是一門(mén)單獨(dú)的課程，而是一個(gè)課程體系。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程體系由三部分內(nèi)容組成：一是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，包括ARM架構(gòu)、ARM匯編、基于C的ARM裸機(jī)編程；二是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，包括Linux操作系統(tǒng)原理、基于ARM的Linux系統(tǒng)移植、驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)；三是基于嵌入式Linux的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括進(jìn)程控制、進(jìn)程間通信、多線(xiàn)程、網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)相應(yīng)技術(shù)內(nèi)容時(shí)，要配合學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具，目的是培養(yǎng)學(xué)生的適應(yīng)能力。這樣學(xué)生在畢業(yè)時(shí)能夠?qū)⑺鶎W(xué)內(nèi)容直接應(yīng)用到工作中，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程體系設(shè)置如表1所示。

2.相關(guān)實(shí)踐類(lèi)課程設(shè)置。實(shí)踐類(lèi)課程的開(kāi)設(shè)是對(duì)上述課程的綜合利用，是對(duì)每一個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)的綜合性實(shí)踐訓(xùn)練，包括計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、嵌入式項(xiàng)目基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)、嵌入式項(xiàng)目綜合實(shí)訓(xùn)、軟件項(xiàng)目綜合實(shí)訓(xùn)、移動(dòng)終端項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置。對(duì)應(yīng)的實(shí)踐課程設(shè)置如表2所示。

表2 嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)踐類(lèi)課程設(shè)置

二、課程教學(xué)模式改革

為了更好地完成嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)相關(guān)課程的教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)工程型、實(shí)用型和復(fù)合型高級(jí)技術(shù)人才，筆者提出了基于項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革措施。

1.明確教學(xué)目標(biāo)，突出教學(xué)重點(diǎn)。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程在嵌入式課程體系中起到了承上啟下的作用，是系統(tǒng)軟硬件結(jié)合的關(guān)鍵。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，軟件開(kāi)發(fā)占比70%以上，既包括驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，也包括終端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，還有與上層服務(wù)端軟件的通信，起到上傳下達(dá)的核心作用。因此嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在基于Linux操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)上，要求學(xué)生明確理解每部分教學(xué)的重點(diǎn)以及其在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用點(diǎn)。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的教學(xué)重點(diǎn)：（1）嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建。理解嵌入式交叉編譯環(huán)境，能夠熟練使用GCC、GDB進(jìn)行程序的編譯和調(diào)試，能夠使用Makefile對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行管理。（2）系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)技術(shù)。圍繞進(jìn)程控制、進(jìn)程間通信、多線(xiàn)程展開(kāi)。進(jìn)程是應(yīng)用程序的入口，進(jìn)程間通信可實(shí)現(xiàn)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸，多線(xiàn)程主要用于處理同時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。（3）應(yīng)用級(jí)開(kāi)發(fā)技術(shù)。主要是網(wǎng)絡(luò)通信程序、基于QT的GUI圖形界面程序設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)通信是終端數(shù)據(jù)采集上傳的通道，GUI圖形程序設(shè)計(jì)解決終端人機(jī)交互問(wèn)題。

2.引入項(xiàng)目案例，貫穿于每個(gè)知識(shí)點(diǎn)。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程引入項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)，將課程教學(xué)重點(diǎn)與具體的項(xiàng)目結(jié)合，突出每個(gè)知識(shí)點(diǎn)在項(xiàng)目中的具體應(yīng)用。項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)基于農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)展開(kāi)，以農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程為主線(xiàn)，對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中不同階段所需要的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)講解，然后對(duì)該技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法進(jìn)行回歸。學(xué)生可在理解教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，掌握該知識(shí)點(diǎn)在項(xiàng)目中的應(yīng)用方法，并在課程結(jié)束后的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)獨(dú)立完成一套類(lèi)似于課程項(xiàng)目的應(yīng)用系統(tǒng)，以此提高其實(shí)踐動(dòng)手能力。在教學(xué)中，教師在每一章節(jié)都會(huì)介紹本章知識(shí)點(diǎn)，以及知識(shí)點(diǎn)在項(xiàng)目中的具體應(yīng)用。例如：文件編程的知識(shí)點(diǎn)為掌握文件描述符和系統(tǒng)調(diào)用的概念，掌握基于文件描述符的文件I/O操作，嵌入式Linux中的串口應(yīng)用編程方法；項(xiàng)目應(yīng)用點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)如溫濕度、大氣壓強(qiáng)設(shè)備、GPS等采集設(shè)備的訪問(wèn)，從而獲取采集到的信息。最后通過(guò)實(shí)例給出實(shí)際項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與程序?qū)崿F(xiàn)，突出知識(shí)點(diǎn)的具體應(yīng)用。

3.課程與綜合實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，提高學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐能力。為了提高學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐能力，在開(kāi)展項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革的同時(shí)，引入相關(guān)的嵌入式項(xiàng)目綜合實(shí)訓(xùn)課程，以嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程為基礎(chǔ)，進(jìn)行為期2周的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與課程中講授的農(nóng)業(yè)信息采集控制系統(tǒng)類(lèi)似，但又有不同的側(cè)重點(diǎn)。如2014級(jí)學(xué)生嵌入式項(xiàng)目綜合實(shí)訓(xùn)題目設(shè)置為環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、安防應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。通過(guò)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生對(duì)所學(xué)的嵌入式開(kāi)發(fā)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，實(shí)踐能力得到了提高。

4.考核體系建設(shè)。嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程考核體系的改革也必須同時(shí)進(jìn)行。嵌入式開(kāi)發(fā)課程對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的要求較高。如何合理評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，一直是教改研究的重要內(nèi)容之一。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)一般以答辯形式進(jìn)行，答辯結(jié)合報(bào)告給出成績(jī)。在改革中，我校引入設(shè)計(jì)方案考核機(jī)制，將考核分為：出勤（10%）、需求分析及設(shè)計(jì)方案（20%）、答辯（40%）和報(bào)告（30%）4個(gè)環(huán)節(jié)，新增需求分析及方案設(shè)計(jì)考核，讓學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容有全面的分析理解過(guò)程。而且設(shè)計(jì)方案考核引入答辯機(jī)制，如果方案設(shè)計(jì)不合理，則不能進(jìn)入設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，有效提高了學(xué)生設(shè)計(jì)的效率。

三、結(jié)論

我院2014年開(kāi)始進(jìn)行基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程教學(xué)改革，經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)踐，項(xiàng)目案例不斷完善，2016年出版了教材《基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式Linux應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)》，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生對(duì)嵌入式相關(guān)課程有了更加明確的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)興趣明顯提高，動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)。在相關(guān)的課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的作品，師生積極參加嵌入式和機(jī)器人競(jìng)賽，并取得了優(yōu)異的成績(jī)。基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革對(duì)任課教師來(lái)講有較大的教學(xué)難度，需要我們不斷收集素材，改革和完善項(xiàng)目案例，滿(mǎn)足知識(shí)點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目案例的需求，不斷增強(qiáng)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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注：“嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革研究（項(xiàng)目編號(hào)：2014206）；計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)卓越計(jì)劃人才培養(yǎng)的研究與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：2014205）。

作者簡(jiǎn)介：王曉強(qiáng)（1978— ），內(nèi)蒙古涼城人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、圖形圖像處理、軟件工程、項(xiàng)目管理。

（責(zé)任編輯：黃天駿 莊 源）