嵌入式系統開發課程教學改革的探索與實踐

張苗輝　張博　宋俊玉　黃啟剛

摘? ?要：本文結合嵌入式系統開發課程的特點以及目前現有的教學問題，對嵌入式課程的教學方式進行了一些探索和改革，在原有課程教學的基礎上，增加了實踐環節，創建創新小組，開展創新項目，在實踐中學習，提高學生的學習興趣和動手能力，為學生今后從事嵌入式系統研究和開發打下堅實的基礎。

關鍵詞：嵌入式系統? 實踐教學? 創新項目

中圖分類號：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0213-02

嵌入式系統開發作為物聯網的“核心”，是互聯網和嵌入式系統發展到高級階段的融合成果，在當今社會的發展中具有舉足輕重的地位[1]。因此，當今社會的發展對從事嵌入式系統開發的人才需求越來越強烈，培養更多嵌入式系統開發的創新型人才成為大多數高校的教學目標。本文結合嵌入式系統開發課程的特點以及目前現有的教學問題，建設了一套以實踐為主、創新驅動的教學體系，該教學體系不僅能夠提升學生的學習興趣和實踐能力，并且能夠更好地滿足社會發展對于嵌入式系統開發人才的需求，響應教育部“卓越人才”培養的號召。

1? 傳統教學中存在的問題

1.1 理論教學

以Linux嵌入式系統開發課程為例，傳統教學主要介紹ARM的知識體系、Linux系統在嵌入式系統上的應用和QT/Embedded界面的編程開發。由于大多數嵌入式教材偏理論化，沒有實驗例程與之配套[2]。此外，“Linux嵌入式系統開發”在理論上承接了“單片機原理與應用”、“微型計算機原理與接口技術”等課程，重復的理論教學會浪費較多學時。在考試中，學生對于基礎知識部分的考察作答較為完善，而對于創新綜合考察題，在總體設計和代碼編寫上較為欠缺。

1.2 實踐教學

目前大多數高校基于本課程開設的實驗有嵌入式開發環境搭建、基于QT的嵌入式圖形界面實驗、嵌入圖形界面移植實驗和嵌入式觸摸屏實驗等。其目的是讓學生更深入地了解嵌入式系統開發的基本概念和步驟，掌握嵌入式系統的特點和基本結構。但這些實驗主要是對教材試驗范例的驗證，沒有完整的工程項目，實驗課時較少，實驗內容枯燥，學生通常在教師的指導下完成實驗，無法吸引學生自主學習的興趣，在一些較為綜合性的實驗中，學生的表現較差。此外，由于教學設備限制，很少通過演示的方式來進行實驗教學，學生在試驗中具有盲目性，從而缺乏積極性，選擇敷衍了事，嚴重影響實驗效果[3]。

2? 嵌入式實踐教學改革

2.1 改變實踐教學的輔助地位

嵌入式課程改革的首要任務要確定實踐教學在該課程中的地位，進而改變以往的教學方式。在總學時不變的前提下，縮減理論授課的學時，增加實驗課程，甚至可以在機房、實驗室上課，方便學生進行練習，提升學生的學習興趣。在授課內容上，適當減少對硬件結構和指令系統的講解，增加嵌入式項目開發流程的講解和演示，從而保證學生在實踐過程中能夠更深入的理解最真實的嵌入式開發流程[4-6]。在課堂上向學生展示一些實際應用中的嵌入式產品，如基于嵌入式的人臉識別、智能手表等，拓寬學生的視野，用嵌入式產品的科技感調動學生學習的興趣。同時學院應提供實驗室現有的小型嵌入式實驗板或者購買一批嵌入式開發板供學生課下實踐開發。

2.2 考核形式改革

在以往考試中，理論考試和平時成績占70分，從而讓學生忽視課程實踐，不利于學生實踐能力的培養。因此，該課程需要增加實驗的考核難度和分值，例如，每次實驗都要當堂打分。學生根據所學知識獨立完成實驗并且回答老師提出的問題后，方可獲得本節實驗課程的分數，促使學生重視實踐，進一步提高學生的思維和動手能力，以達到實驗教學改革的目的。在完成基礎實驗的前提下，開展一些創新項目，作為檢驗課程成果的綜合性實驗，最后展示成果并提交小論文。

3? 創新項目實例

在嵌入式系統開發課程的實驗中，為了吸引學生的興趣，提高學生的綜合能力，應當挑選一些更加貼近生活的嵌入式項目使學生們自主地感受學習的樂趣，同時也能夠對知識進行融會貫通。創新項目可由小組配合完成，既能提高學生積極性，又可以起到鍛煉學生團隊意識的作用。例如，設定3人為一組，1人負責內核和文件系統的制作與下載，1人負責算法和代碼編寫，另外1人負責撰寫論文。創新項目安排在課程實驗的后半階段，在完成基礎實驗并對嵌入式Linux開發平臺了解的基礎下開展，學生課下也可自行到實驗室開發，下面以嵌入式人臉檢測系統為例進行說明。

3.1 嵌入式開發板選擇

嵌入式開發板的選擇一般可遵循以下三個原則，選擇性能較強，外圍硬件和接口較為豐富且價格適合的板子;選擇軟件支持完善的開發板;選擇技術支持迅速的廠家。本創新項目選用的是ITOP-4412開發板。該開發板的處理器型號是ARM Cortex -A9，主頻為1.4GHZ，配有1Gb的DDR3，8Gb的FLASH。開發板的運行速度，內存和存儲空間都能滿足圖像處理的需求。該開發板配套有許多開發實例視頻，有利于學生快速掌握開發流程。人臉檢測系統需外接USB攝像頭來采集圖像，利用自帶的LED顯示屏和觸摸屏進行人機交互。系統通過串口接受PC機指令和下載程序，通過串口轉USB芯片CH340與PC機的USB口相連。

3.2 嵌入式軟件環境搭建

嵌入式系統環境搭建主要包括加載引導程序U-boot、Linux內核，根文件系統，設備驅動和應用程序5個部分。嵌入式系統雖然發展較快，但開發板擴展資源較少，不能直接在開發板上開發，我們通常采用交叉編譯的方式進行開發。PC機使用Ubuntu系統，首先將U-boot源碼交叉編譯后下載到開發板中，對開發板硬件進行初始化并引導內核啟動。通過U-boot將交叉編譯生成的zImage文件下載到開發板指定地址后啟動內核。根文件系統是內核啟動后掛載的第一個文件系統，根文件系統同樣需要交叉編譯后再燒寫到開發板中。最后，將攝像頭、觸摸屏等設備的驅動程序以及QT和opencv移植到開發板中。QT為應用編程提供圖形界面支持，opencv為應用程序提供圖像處理函數庫。

3.3 系統應用程序設計

嵌入式人臉檢測系統應用程序部分主要分為圖像采集和人臉的檢測。圖像采集部分主要通過UVC協議和V4L2接口控制USB攝像頭的分辨率和幀率。同樣地，首先在PC端進行仿真實驗，再移植到基于ARM的嵌入式板子中，運行結果如圖1所示。

4? 結語

培養創新性人才是社會的需求，同時也符合教育部培養卓越人才的號召。從學生自身來講，學生動手能力的增加有利于激發其對科學研究的興趣，促進理論內容的學習，而理論的增強，又為學生下一步實踐指明了方向。兩者相輔相成，才能培養創新思維，研發創新成果。總之，就嵌入式教學來說，應當增加實踐教學，使學生在實踐中更好地掌握這門課程同時提高了學生的實踐創新能力。

參考文獻

[1] 米軍利.以嵌入式人才培養為契機提高教師專業教學能力[J].科技創新導報，2018，15（25）：242-244.

[2] 崔業梅.嵌入式實訓教學設備的研制與教學改革[J].實驗室研究與探索，2017（9）：66-69，215.

[3] 鄢秋榮.面向軟硬件協同設計的嵌入式系統教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2016（6）：190-193.

[4] 陸暢.基于OpenCV視覺庫和樹莓派的人臉識別門禁系統[J].科技創新導報，2019，16（2）：158-160，162.

[5] 韓天佑.對基于嵌入式系統的視覺目標跟蹤分析[J].科技創新導報，2018，15（26）：169-170.

[6] 鄭曉霞，邢傳軍，李威.基于嵌入式平臺的自助拍照裝置的實現[J].科技創新導報，2019，16（2）：160-161.