基于項目驅動型“嵌入式系統”課程教學探索

薛李娜 夏漢初 姚美琴 孫蔓 許婷

摘 要 在 新工科 人才培養背景下 文章以嵌入式系統課程為切入點 建立物聯網工程和計算機科學與技術應用本科實踐教學課程體系 探索以項目設計為中心的教學模式 形成以技術應用為主導的項目訓練 開展以學生為主體 以項目設計引領 以自主學習和團隊協作為原則的研討式教學模式 讓教師的教學活動從以 灌輸知識 為主向 傳授學習方法 轉變 使教師和學生發生根本性角色轉變 教師從 中心 地位 走 下來 變 教 為 導 學生改變以往被動接受的狀態 在課堂上 動 起來 變被動學習為主動學習 從而掌握良好的學習方法 該文章旨在為應用型人才培養提供有效途徑

關鍵詞 項目驅動 嵌入式系統 教學改革

中圖法分類號 g642? 文獻標識碼a

１ 引言

從２０１７ 年“新工科”的提出，至今為止已過５ 年，各大院校新增了一批新工科專業，開啟了培養應用型人才的新進程。馬鞍山學院物聯網工程專業就是在這一背景下開設的，在２０１８ 年招收了第一批學生。物聯網工程是計算機、控制、通信等學科交叉的跨學科專業，專業目標是面向行業應用培養復合型創新工程技術人才［１］ ，著重學生綜合素質、工程實踐能力、工程設計能力以及工程創新能力培養，使學生能夠具備計算思維能力、程序設計與實現能力、網絡系統設計能力以及數據智能分析能力，并在物聯網重點應用領域，從事科學研究物聯網系統工程的設計、開發、集成和管理等工作。

“嵌入式系統”課程是以嵌入式系統技術為主導、應用為中心的課程。嵌入式系統技術以計算機技術為基礎，軟件硬件功能可裁剪，而且可靠性、功耗、成本、體積均有嚴格要求［２］ 。作為物聯網工程專業的核心課程，“嵌入式系統”課程在物聯網的全面感知層面起到舉足輕重的作用。該課程具有較強的綜合性、實踐性，綜合軟硬件，理論教學內容體現了多個學科的融合。學生若要學好“嵌入式系統”課程，則要將一部分先修課程學好：編程語言從Ｃ 語言到嵌入式ＬｉｎｕｘＣ語言應用編程，硬件也要先學習單片機原理與接口技術。

在日益信息化的社會，計算機和網絡已滲透人們日常生活的每一個角落，人們需要的已不僅是放在桌上處理文檔，而是需要進行工作管理和生產控制的計算機“機器”。各種各樣的嵌入式系統在應用數量上已超過通用ＰＣ［３］ ，任何一個人都可能擁有嵌入式技術的各種電子產品，如ｍｐ３、ＰＤＡ、網絡家電、智能家電、車載電子設備等。而在工業領域中，使用嵌入式技術的數字機床、智能工具、工業機器人也在逐漸改變傳統的工業方式。

隨著物聯網和工業物聯網的出現，嵌入式控制系統信息技術已成為智能和物聯網生態環境系統可以快速發展的推動者。廣泛、多樣且高度分散的嵌入式系統市場包括軟件、開發平臺和硬件。目前，越來越多的行業、產品和服務依賴于嵌入式系統，這造成了在人才市場上嵌入式系統技術人才的緊缺。因此，“嵌入式系統”課程的開設旨在為社會提供更多的嵌入式系統技術人才，并滿足當前應用型高校的目標。

２ 嵌入式系統課程教學現狀及改革意義

馬鞍山學院“嵌入式系統”課程由３２ 學時理論課、１６ 學時實驗課組成。課程上課模式主要以教師為主導的方式，整堂課的教學是在不斷地向學生灌輸抽象、晦澀難懂的理論知識中完成。學生處于被動接收的狀態，實驗課程僅僅是對原理知識進行簡單的驗證性實驗，設計性、綜合性的實驗項目嚴重匱乏，致使學生在實驗課程的全過程中幾乎從未真正地接觸到與實際工程密切相關的項目，不利于培養學生的實踐應用與創新能力。當前，社會需要的是有實際動手能力的嵌入式系統技術人才［４］ ，這一要求是目前教學模式下無法達到的。因此，為了解決學生對“嵌入式系統”動手能力弱的問題，馬鞍山學院在課程體系設置過程中，增加了“嵌入式系統”課程的綜合設計。雖然初步達到了學生對硬件思維的建立這一目的，但從質量上來講遠遠不夠，大部分學生仍然還停留在“紙上談兵”的階段，無法將所學知識應用到實際任務中。因此，“嵌入式系統”課程教學改革的首要任務就是合理調整教學內容，將理論與實踐相結合，并適當改變教學模式。

３ 基于項目驅動型“ 嵌入式系統” 課程教學改革方案

當前“嵌入式系統”課程傳統教學方式效果不佳，學生對該課程接受程度不高，因此結合馬鞍山學院實際，探討課程教學改革。

“項目驅動教學” 的核心是以“學生” 為課堂主體，將項目作為主線，從簡單實例著手，引導學生逐步解決項目中遇到的各種問題，并將課程知識點在項目引導中展示給學生。在整個教學過程中要求學生主動參與執行項目的每一個環節，嘗試各項目的成功調試，讓學生對這一課程內容產生濃厚的興趣，并具備發現問題、分析問題、解決問題及實踐的能力。在“嵌入式系統”課程教學中，采用項目驅動教學模式可以提升學生對課程的興趣，調動學生的積極性，引導學生自主發現問題、解決問題。

３．１ 課程規劃

將“項目驅動教學”方法應用到“嵌入式系統”課程教學中，最根本的做法是要擴充對實踐項目的設置。讓教師“走”下來，促使學生“動”起來。將目前的４８ 個課時全部投入到實驗室，讓教師從具體項目著手將學生引入。

因此，“項目”設置對整個教學過程尤為重要。課程教學項目設置的總體原則為完成教學大綱規定的教學內容，能夠實現教學目標，教學項目的選擇不能太大，以防止在教學大綱規定的學時內無法完成項目的開發。

當前，國內高校對“嵌入式系統”的教學大致分為２ 類。一類是完全以完成功能為主的裸機開發，以Ｃｏｒｔｅｘ?Ｍ 系列單片機為主控芯片的應用程序、驅動程序的開發［５?６］ 。由于單片機課程在“嵌入式系統”課程開設前已經開設，這一類教學目標是在８０５１ 的基礎上進行了提升，學生比較容易接受，但在實際的應用中也存在一定限制性。另一類是除裸機開發外還需要側重系統移植的教學。這一類是以Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ 系列單片機為主，完成對Ｌｉｎｕｘ 等系統的移植，以期完成更復雜的功能。這一類教學涉及的學科種類較多，因此課程總體難度較大，學生接受相對吃力。

考慮學生有面向學科競賽，以及畢業設計與就業的需求， 教學課程組選擇了第二類教學目標： 以Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 系列單片機為主，完成裸機開發與ＡＲＭ 架構下Ｌｉｎｕｘ 系統的移植２ 大模塊教學。教學目標安排如表１ 所列。

上文是考慮到馬鞍山“嵌入式系統”課程開設在大三春學期，學生在此之前已經修完Ｃ 語言，Ｌｉｎｕｘ 操作系統、嵌入式Ｃ 語言應用編程、單片機原理與技術等課程，這些課程可以支撐起“嵌入式系統”課程前期準備階段。

３．２ 項目設置

本課程所有項目采用的處理器為Ｓａｍｓｕｎｇ 的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ?Ａ９ 架構的四核處理器Ｅｘｙｎｏｓ４４１２。課程教學目標可以分為２ 個完整項目，這２ 個項目針對教學目標的２ 大模塊。（１）裸機開發完成功能要求，這一項目，針對功能簡單僅包括應用程序的嵌入式系統，一般不使用操作系統。（２）基于Ｌｉｎｕｘ 系統移植后平臺進行嵌入式應用程序和驅動程序的開發。從應用上來看這２ 大類難易程度不同。相較而言，基于單片機做功能的裸機開發更為簡單。

結合以上分析，選擇了農業大棚環境監測系統和無人安防監控系統２ 個項目。

３．２．１ 農業大棚環境監測系統項目的分解

使用農業大棚環境監測系統項目完成裸機開發的教學目標，具體包括ＧＰＩＯ，ＵＡＲＴ，ＡＤ 轉換器，ＰＷＭ定時器及中斷應用。項目以Ｅｘｙｎｏｓ４４１２ 為主控芯片，外接溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器等，實時采集大棚內環境參數，實現定時數據刷新。當參數超過或者低于所設定閾值時，實現風扇、水泵、照明燈的自啟動，并根據數據變化調整風速等，甚至可以通過有線或者無線的方式實現上位機數據傳輸，讓用戶可以在上位機上查看到環境參數。實現一個自動調節的環境監測系統。

實現該環境監測系統需要完成以下工作。（１）啟動各個傳感器采集數據，這一過程需要掌握ＧＰＩＯ 的應用，以及ＡＤ 轉換器的使用。（２）使用按鍵實現閾值的設置，這一過程主要完成中斷應用的學習。（３）實現風扇、水泵、光照強度的調節。這一過程主要實現ＰＷＭ 定時器學習。（４）通過有線方式實現與上位機之間的數據傳輸。這一過程實現ＵＡＲＴ 的應用學習。（５）通過無線方式實現與上位機之間的數據傳輸。這一過程實現短距離無線通信的介紹。通過對項目的分解，基本上可以覆蓋裸機開發的基本知識要點，課時充裕的情況下還可以繼續在系統中增加Ｉ２Ｃ通信的重力感應／ 陀螺儀的應用等。這些教學目標基本可以滿足學生完成簡單小型系統的競賽和畢業設計的要求。

３．２．２ 無人安防監控系統項目的分解

使用無人安防監控系統項目完成系統移植的教學目標，具體包括交叉開發環境搭建、Ｕ?Ｂｏｏｔ 移植、Ｌｉｎｕｘ 系統移植、文件系統構建、網卡驅動的移植、攝像頭驅動程序開發。項目以Ｅｘｙｎｏｓ４４１２ 為主控芯片，基于Ｌｉｎｕｘ 系統完成安防監控，紅外傳感器實現對監控地區的來客告知。通過攝像頭實現遠程實時現場監控， 以及監控視頻的傳輸、保存。

實現該監控系統要分成２ 個階段片上系統準備階段即移植系統和驅動移植。

片上系統準備階段主要完成以下工作。（１）完成開發環境搭建。包括宿主機Ｌｉｎｕｘ 騙_D？_？&環境的安裝配置、交叉編譯工具鏈的制作。（２）Ｕ?Ｂｏｏｔ 移植。包括引導程序Ｕ?Ｂｏｏｔ 常用命令使用及Ｕ?Ｂｏｏｔ 的移植。（３）Ｌｉｎｕｘ 內核移植。這一部分要在ＡＲＭ９ 處理器上，完成對Ｌｉｎｕｘ 系統的移植和內核裁剪。（４）由于整個系統需要對視頻進行存儲等，這一部分需完成文件系統的制作。

Ｌｉｎｕｘ 環境下驅動移植開發階段完成的工作。（１）完成基于ＵＳＢ 的攝像頭驅動的開發，將其移植到Ｌｉｎｕｘ 系統中。（２）通過攝像頭實現遠程實時現場監控與視頻傳輸，需要網絡通信。這部分需要對網卡驅動程序移植開發。（３）視頻數據傳輸到上位機并進行顯示。這部分完成Ｌｉｎｕｘ 操作系統下的應用程序開發。

將無人安防監控系統項目分解后會發現需要完成的任務在課時要求下無法全部完成。此時，需要做一部分取舍。首先，保留片上系統的所有任務，這是能夠在Ｌｉｎｕｘ 系統環境下開發應用程序和驅動程序的前提。其次，在Ｌｉｎｕｘ 環境下驅動移植開發階段任務做取舍，保留網卡驅動程序移植開發，因為攝像頭屬于功能性外設，若換一個項目，則可能用不到攝像頭。相應的應用程序的開發也是同樣，因此這種情況下，可以做一個舍棄。

３．３ 項目實施

項目實施首要做的是激起學生對這門課程的好奇心和興趣。這就要求教師在第一次課上，直接演示已經完成的實驗項目。讓學生明白“嵌入式系統”課程實際上是以產品為主的課程，而不是理論測驗課程。最后，將演示項目分解為多個任務，將任務實現所需要的理論知識和書本單元教學相關聯，并將整個教學過程通過理論穿插進任務點的完成過程中。通過實施實驗項目，在完成任務的同時，也達到了對相關知識點掌握的目的。

課前，教師將項目劃分好的任務制定成項目計劃。課堂上，將學生分為不同開發小組，發放任務。當劃分后的項目任務下發后，教師不再是課堂的“中心”，而是擔任“引導者”的角色，全程參與各個小組的項目實施過程，在過程中，發現問題，引導解決問題，基礎理論知識就在引導解決問題的過程中“滲透”給每一位學生。

在這個過程中，為保證教學效果，整個完整的教學過程全部安排在嵌入式實驗室進行，盡量將學生控制在３０ 人以內，每組５～６ 人，保證教師能在教學時間內有充足的精力去“引導”每一個組。

３．４ 課程考核標準

現有的課程考核標準為“６０％的卷面成績＋４０％的平時成績”，這種考核標準已經不適合項目驅動型教學課程考核?，F根據項目驅動教學的特點，采取以下的考核標準，如表２ 所列。

該考核標準降低了試卷考核的比例，突出了項目考核角度，可以提高學生的積極主動性，有利于學生創新能力的提高，以及學會團隊合作與具備解決問題的思維與能力。

４ 結束語

教學方法的改革是“嵌入式系統”課程提高教學質量的重要保證。教育觀念的轉變（“教”與“學”并重）帶動教學方式的轉變（“教”與“學”互動）。通過改變“灌輸式”的教學方法，開展以學生為主體，以項目設計引領，以自主學習和團隊協作為原則的項目驅動型的研討式教學，使教師和學生發生根本性角色轉變，教師從“中心”地位“走下來”，變“教”為“導”。學生改變以往被動接受的狀態，變被動學習為主動學習，掌握良好的學習方法，從而真正實現應用型民辦本科院校的人才培養的目標。

參考文獻：

［１］ 鄒津婷，張啟美，李秋月，等．新工科背景下物聯網專業電子技術課程教學創新改革實踐［Ｊ］．電腦與電信，２０２２（６）：２４?２７．

［２］ 王海波，湯東陽，趙德明．嵌入式技術發展綜述［Ｊ］．數字技術與應用，２０１４（６）：１１７?１１８．

［３］ 王樹紅．嵌入式系統的現狀及發展趨勢［Ｊ］．太原大學學報，２００７（２）：１２１?１２２＋１３９．

［４］ 李揚．ＡＩｏＴ 背景下高職嵌入式人工智能人才培養研究［Ｊ］．湖南郵電職業技術學院學報，２０２１，２０（４）：４２?４５．

［５］ 李薇，何先波，劉敏，等．ＩＴ 專業嵌入式課程教學模式改革研究［Ｊ］．計算機教育，２０１７（６）：１３５?１３９．

［６］ 陳海生，王峰，郭曉云．物聯網專業嵌入式課程體系建設研究［Ｊ］．河北農業大學學報（農林教育版），２０１４，１６（４）：８０?８２．

作者簡介：

薛李娜（１９９４—），碩士，助教，研究方向：物聯網技術。

夏漢初（１９６４—），本科，高級工程師，研究方向：物聯網技術。

姚美琴（１９９５—），碩士，助教，研究方向：物聯網技術。

孫蔓（１９９５—），碩士，助教，研究方向：物聯網技術。

許婷（１９９０—），碩士，講師，研究方向：計算機視覺。