基于RTOS平臺的嵌入式系統(tǒng)課程群教學(xué)研究

吳光文，　朱兆優(yōu)，　胡文龍，　李宏俊

(東華理工大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

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基于RTOS平臺的嵌入式系統(tǒng)課程群教學(xué)研究

吳光文，朱兆優(yōu)，胡文龍，李宏俊

(東華理工大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

摘要：目前，高校在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)安排中，存在著內(nèi)容龐大而課時較少的矛盾，導(dǎo)致學(xué)生在大學(xué)階段無法全面掌握系統(tǒng)設(shè)計方法和技巧。另外，在教學(xué)過程中，對學(xué)生團隊協(xié)作能力培養(yǎng)不夠重視。文章提出基于實時操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)方案，圍繞講解嵌入式系統(tǒng)課程，通過介紹經(jīng)典案例，系統(tǒng)地講解相關(guān)知識，解決課程安排中存在的矛盾，提高學(xué)生的動手能力和協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；教學(xué)方法；RTOS平臺

吳光文，朱兆優(yōu)，胡文龍，等.基于RTOS平臺的嵌入式系統(tǒng)課程群教學(xué)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2016，35(1)：93-96.

Wu Guang-wen, Zhu Zhao-you, Hu Wen-long, et al.A study on the teaching of embedded system course group based on RTOS platform[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(1)：93-96.

本世紀(jì)初，我國各高校陸續(xù)開展了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，十多年來，取得了顯著成績。大批優(yōu)秀學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生興趣并從事相關(guān)工作，生產(chǎn)出很多有代表性的嵌入式產(chǎn)品。然而，教學(xué)工作中也存在著不足。紐約大學(xué)計算機科學(xué)教授Robert Dewar指出：“嵌入式系統(tǒng)規(guī)模龐大，設(shè)計困難。專業(yè)嵌入式系統(tǒng)工程師需要具備兩個方面素質(zhì)：一是掌握多個領(lǐng)域的知識；二是具備運用自己知識、協(xié)同團隊構(gòu)建穩(wěn)定、安全、可靠嵌入式系統(tǒng)的技巧。遺憾的是美國的大學(xué)沒有這兩方面素質(zhì)教育?！盵1]反思我們的教學(xué)，目前在嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)領(lǐng)域，具有實用價值的嵌入式系統(tǒng)規(guī)模龐大，如何讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)學(xué)會設(shè)計規(guī)模龐大的系統(tǒng)，是高校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的一個關(guān)鍵問題。

筆者研究探索一種新教學(xué)方案，該方案借鑒建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)方法。對于同樣的“大藍圖”問題，建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)方法包括兩點：一是注重廣泛研究偉大的建筑成就；二是讓學(xué)生進行高層次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，而不涉及細節(jié)。這種方法可以“移植”到嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中。在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，有很多優(yōu)秀案例，可供學(xué)習(xí)研究，如開源的RTOS(Real Time Operating System)。教學(xué)過程中可以選擇優(yōu)秀的RTOS內(nèi)核作為教材，講解RTOS原理、硬件資源管理方法、嵌入式系統(tǒng)由低到高各個層次的封裝方法和如何在操作系統(tǒng)的框架下構(gòu)建大系統(tǒng)的方法。通過RTOS設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生團隊合作能力，提高其嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的綜合素質(zhì)，實現(xiàn)從單一人才培養(yǎng)模式向多元化、層次化、個性化的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)型[2,3]。

1教學(xué)方法改革方案

以RTOS平臺為核心，嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的課程體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　人才培養(yǎng)課程體系

理論教學(xué)內(nèi)容包括：嵌入式系統(tǒng)原理(以嵌入式微處理器為主)、RTOS原理(課程體系核心)、基于RTOS的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計。基礎(chǔ)實踐教學(xué)的內(nèi)容包括：RTOS移植和基于RTOS的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計。設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容為嵌入式系統(tǒng)作品設(shè)計，包括RTOS設(shè)計、嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計、RTOS移植等?？傮w方案如圖2所示。

圖2　總體方案

培養(yǎng)方案注重對學(xué)生興趣培養(yǎng)、加強對RTOS理論基礎(chǔ)和基于RTOS程序設(shè)計技術(shù)的培養(yǎng)。在基本實踐環(huán)節(jié)中，注重培養(yǎng)學(xué)生自主實驗?zāi)芰?、分析解決實際問題能力，使其掌握RTOS移植方法和基于RTOS程序設(shè)計技術(shù)的方法和技巧。

設(shè)計性教學(xué)主要是設(shè)計RTOS，并將RTOS移植到目標(biāo)系統(tǒng)上進行程序開發(fā)。教學(xué)過程中結(jié)合“多元智能理論”，根據(jù)學(xué)生的實際情況進行“分層次培養(yǎng)”。在這個環(huán)節(jié)教學(xué)中，積極引導(dǎo)、培養(yǎng)興趣，不硬性規(guī)定任務(wù)。每個同學(xué)可根據(jù)自己的特點，選擇合作伙伴組成團隊，完成該教學(xué)環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)要有“作品”。為保證“作品”的質(zhì)量，設(shè)計性教學(xué)環(huán)節(jié)周期設(shè)置為一個學(xué)期。期間學(xué)生在開放實驗室完成自己的“作品”，每周固定時間，教師在實驗室指導(dǎo)，手把手教學(xué)。讓學(xué)生切實掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，通過制作“作品”提高其就業(yè)的競爭力。通過團隊合作，培養(yǎng)同學(xué)的團隊協(xié)作素質(zhì)。

圖3　理論教學(xué)系統(tǒng)工程教學(xué)法

2教學(xué)方案的實施

方案中，教學(xué)環(huán)節(jié)包含理論教學(xué)、基礎(chǔ)實踐教學(xué)和設(shè)計性實踐教學(xué)三個方面。

2.1理論教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)知識體系起點較高、與基礎(chǔ)課沒有很好地銜接。教學(xué)過程中，如果沒有對舊知識進行綜合、歸納和總結(jié)，就沒有升華和提高，就會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果差，對專業(yè)學(xué)習(xí)失去興趣。論文提出，以RTOS平臺作為核心，把嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的課程綜合學(xué)習(xí)，將知識融會貫通、加強實踐環(huán)節(jié)、提高其就業(yè)的競爭力。理論教學(xué)從以下兩個方面進行改革：

(1)教學(xué)內(nèi)容整合與優(yōu)化，使基礎(chǔ)知識能夠為嵌入式系統(tǒng)課程服務(wù)。首先，需要重視學(xué)生認(rèn)知的漸進性和系統(tǒng)性，在介紹新知識的同時，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)舊知識。具體手段可以是啟發(fā)式或作業(yè)形式，如課后留問題讓學(xué)生思考，安排作業(yè)讓學(xué)生課后完成，達到溫故而知新的效果。引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生下苦功夫夯實基礎(chǔ)課程，達到厚積薄發(fā)的效果。其次，針對課程工程性強的特點，課堂上結(jié)合大量經(jīng)典的RTOS實例進行講解，以加深學(xué)生對知識的理解。設(shè)置課堂教學(xué)中各部分比重為：原理分析30%、結(jié)論20%、應(yīng)用實例50%。對RTOS內(nèi)核代碼進行解剖式分析，使學(xué)生理解RTOS的原理和運行機制，領(lǐng)悟RTOS源代碼中蘊含的嵌入式軟件設(shè)計方法和技巧。

(2)教學(xué)方法與手段改革。教學(xué)方法以“系統(tǒng)工程教學(xué)法”為主，更注重知識系統(tǒng)性。引導(dǎo)學(xué)生自己模仿、改進一些成功的案例。不僅能夠加強知識的理解和掌握，而且可以提高學(xué)生的興趣，增強其信心。同時結(jié)合使用其他教學(xué)法和手段，如啟發(fā)式教學(xué)、仿真教學(xué)、類比教學(xué)等方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，改善課堂教學(xué)效果。“系統(tǒng)工程教學(xué)法”如圖3所示。圖中虛線框為教師啟發(fā)學(xué)生課下準(zhǔn)備或課后作業(yè)，實線框為課堂講解。

2.2基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)

為方便教學(xué)，教學(xué)團隊設(shè)計了基于STM32F103的教學(xué)實驗箱，配有對應(yīng)實驗指導(dǎo)書，并給出了電路原理圖。內(nèi)容從驗證性實驗到設(shè)計性實驗，對每個實驗的原理進行了詳細講解。實驗箱預(yù)留了多個端口，學(xué)生可以連接自己制作的硬件系統(tǒng)，也可以將電路嵌入到自己設(shè)計中，進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

在基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)，使用實驗箱進行軟件實驗，不鼓勵學(xué)生獨立制作硬件。實驗內(nèi)容為：RTOS移植和基于嵌入式RTOS的程序設(shè)計技術(shù)，包括任務(wù)調(diào)度、資源共享、資源同步、任務(wù)同步等實驗。

目前，各高校實驗學(xué)時比重有所加大，但在教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中普遍存在一個問題：多數(shù)同學(xué)課前沒有準(zhǔn)備，上課時無從下手，有問題就問教師，教師解答一個問題學(xué)生就做一步。實驗課本質(zhì)上是教師在做實驗，學(xué)習(xí)效率低下。在這種實驗?zāi)Ｊ街校黾拥膶嵺`比重只是增加了實踐的“量”，并沒有增加實踐的“質(zhì)”。

筆者提出改實驗課為考核課的教學(xué)模式，如圖4所示。教師在實驗中只是起到引導(dǎo)和監(jiān)督作用，學(xué)生才是做實驗的主體。這種教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生自學(xué)自練的積極性和主動性，有利于學(xué)生構(gòu)建屬于自己的經(jīng)驗和知識體系。更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、自主實驗?zāi)芰?、分析問題和解決問題能力。這種教學(xué)方式稱之為“不教之教”模式，通過平時“不教”訓(xùn)練，克服學(xué)生的依賴思想，使之真正能夠?qū)W到獨擋一面的能力。

圖4　“不教之教”的考核實驗?zāi)Ｊ?/p>

2.3設(shè)計性實踐環(huán)節(jié)

實驗內(nèi)容為：首先設(shè)計小型嵌入式硬件系統(tǒng)，其次設(shè)計小型RTOS，再次移植到目標(biāo)處理器上，最后進行嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計，題目可由教師提供或者學(xué)生自選。在嵌入式系統(tǒng)課程的設(shè)計性實踐教學(xué)中，硬件系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生實際水平選擇在課下制作或者直接用實驗箱。在有限的學(xué)時里，以目前本科生的水平，設(shè)計大規(guī)模程序是不現(xiàn)實的，教師需要直接提供設(shè)計內(nèi)容的“框架”和“樣例”，學(xué)生填充“框架”、模仿“樣例”，最終結(jié)果能演示即可。

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在一個誤區(qū)，過分強調(diào)學(xué)生“獨立”，認(rèn)為兩個人或者多個人合作就有“作弊”嫌疑。這種教育導(dǎo)致了學(xué)生在就業(yè)后碰到很多問題，例如：不能和團隊其他成員協(xié)作，具體表現(xiàn)為兩個方面：一方面自己寫的東西別人不能用或者不好用；另一方面不用別人寫的東西，從心理上認(rèn)為，所有內(nèi)容都要自己從頭做起。這種想法和做法明顯和現(xiàn)實嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理念相悖。還有一種情況就是想使用別人的代碼，但是不知道哪些代碼有效，更不知道如何將外來代碼嵌入到自己的系統(tǒng)中。

在教學(xué)中，立足于學(xué)生合作設(shè)計一定規(guī)模的系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生團隊合作素質(zhì)，團隊的科研氛圍是人才成長的營養(yǎng)劑[4]。立足于實際、結(jié)合“多元智能理論”、考慮學(xué)生個體的實際情況、實行“團隊合作的分層培養(yǎng)”方案?！皥F隊合作的分層培養(yǎng)”方案分為三步，第一步為準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，教師提出備選課題，學(xué)生自由選擇課題和合作伙伴。每個團隊制定系統(tǒng)設(shè)計方案，每個成員根據(jù)自身水平和總體需求，選擇自己承擔(dān)角色和所在團隊里的層次。每個成員提出自己的設(shè)計方案和實施方法，討論團隊的設(shè)計風(fēng)格、接口規(guī)范等內(nèi)容，將以上內(nèi)容形成方案在班上宣講。可以相互提問和交流，根據(jù)集體意見修改系統(tǒng)方案，教師最終把關(guān)。第二步為實施環(huán)節(jié)，團隊成員實施所有環(huán)節(jié)。這個過程中，實驗室全天開放，學(xué)生可以在實驗室完成所有操作環(huán)節(jié)。操作中碰到問題，教師可以引導(dǎo)性回答，但要以學(xué)生獨立思考為主。這個過程中按照“積木式”設(shè)計方法，在總體框架下，先易后難，模塊設(shè)計。第三步為總結(jié)提高環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)非常重要，但往往被忽視，要求團隊的各個成員總結(jié)自己的工作，分析操作過程中解決問題的方法，形成設(shè)計報告。然后各個團隊集體討論，總結(jié)經(jīng)驗，形成文字報告。由于教師和學(xué)生能夠定期交流，可以因材施教，個性化教育成為可能，彌補高校在個性化培養(yǎng)方面的先天不足[5]。各個環(huán)節(jié)如圖5所示。

圖5　團隊合作分層培養(yǎng)實施細節(jié)

3結(jié)語

隨著嵌入式教學(xué)改革試驗逐步開展，教學(xué)團隊與時俱進，積極、主動地展開理論教學(xué)和實踐教學(xué)改革探討。結(jié)合教學(xué)實踐中的實際情況，提出符合嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的方案，并積極地付諸實踐。實踐證明，該方案能夠較大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性、動手能力和創(chuàng)新能力。

[參考文獻]

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[2] 李祥. 軟件工程實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量保障模式探索[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版.2013,32(3):87-91.

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[4] 徐步朝, 李德平. 共生視角下創(chuàng)新拔尖人才成長路徑研究[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2015,34(2):154-158.

[5] 謝宗波, 姜國芳, 劉云海,等. 本科生“1+3”科研導(dǎo)師培養(yǎng)模式的探索[J].東華理工大學(xué)：社會科學(xué)版，2015, 34(1): 89-92.

收稿日期：2015-08-17

基金項目：江西省級教改課題“基于RTOS平臺的嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)研究”(JXJG-14-6-27)成果。

作者簡介：吳光文(1978—)，男，山東淮坊人，講師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)理論研究。

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3512(2016)01-0093-04

A Study on the Teaching of Embedded System Course Group Based on RTOS Platform

WU Guang-wen,ZHU Zhao-you,HU Wen-long,Li Hong-jun

(SchoolofElectronicEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Fuzhou344000,China)

Abstract:At present, a conflict of huge education contents but less class time exists in the education arrangements about the embedded system in colleges and universities , which causes students not to fully grasp the system design methods and techniques. In addition, we do not pay enough attention to the teamwork ability teaching. In this paper, we propose a talent training scheme in the embedded system based on RTOS.In this scheme we use the classic case to explain relevant knowledge systematically, so as to solve the contradiction existing in course arrangement, and furthermore, to improve students’ hands-on and cooperation ability.

Key Words:Embedded System; Teaching Reform; Teaching Method; RTOS Platform