嵌入式系統(tǒng)項目化教學新模式的探索與實踐

謝 東，鮑尚東，宋鴻儒(銅陵學院電氣工程學院，安徽銅陵 244000)

嵌入式系統(tǒng)項目化教學新模式的探索與實踐

謝 東，鮑尚東，宋鴻儒
(銅陵學院電氣工程學院，安徽銅陵 244000)

針對嵌入式系統(tǒng)課程傳統(tǒng)教學方法的不足，本文對基于項目化的嵌入式系統(tǒng)教學改革進行了有益的探索與實踐。首先分析了適用于嵌入式系統(tǒng)項目化教學實驗平臺的硬、軟件設計方法，再對嵌入式系統(tǒng)項目化教學實驗體系的構建方法進行了詳細的闡述。實踐表明，基于項目化的嵌入式系統(tǒng)教學模式的改革能夠全面提高學生的素質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

嵌入式系統(tǒng)；項目化；教學平臺；教學體系

嵌入式系統(tǒng)在眾多領域有廣泛應用，企業(yè)對嵌入式產(chǎn)品開發(fā)人才的需求日益增多。為此，國內(nèi)許多高校已將嵌入式系統(tǒng)作為工科電學類專業(yè)的一門重要課程。在嵌入式系統(tǒng)課程教學過程中，各專業(yè)往往未從本專業(yè)角度進行教學內(nèi)容的安排，不能滿足不同專業(yè)學生對該課程的學習要求。另外，不少學校的實踐教學課時數(shù)要低于理論教學課時數(shù)，且實驗教學平臺功能單一，僅能安排驗證性實驗，未能突出實驗的應用性，無法培養(yǎng)學生的實際動手能力，不能滿足企業(yè)對嵌入式產(chǎn)品開發(fā)人才的需求。針對上述問題，本文在嵌入式系統(tǒng)教學中進行項目化教學的探索，圍繞項目化教學的理念構建嵌入式系統(tǒng)的實驗平臺。

1 嵌入式系統(tǒng)項目化教學概述

項目化教學是一種行動導向的教學新模式，它通過有限課時形成較完整作品來培養(yǎng)學生的專業(yè)能力，具有任務驅(qū)動、項目載體、工學結(jié)合、素質(zhì)滲透的特點，能充分發(fā)揮學生的主觀能動性，提高課程教學的效果。嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容多、層次深、范圍廣，強調(diào)軟硬件集成和系統(tǒng)的分工協(xié)作，傳統(tǒng)教學很難使學生理解有關的抽象理論，而項目化教學使學生容易建立起系統(tǒng)的完整概念。所以，針對傳統(tǒng)教學方法呆板枯燥的弊端，引入項目化教學法，為嵌入式系統(tǒng)課程提出了一種新的教學模式。項目化教學過程中，師生共同參與，教師選擇技術難度上符合學生實際水平的教學項目，并制定項目預案與項目內(nèi)容；而學生按流程完成項目，在項目執(zhí)行過程中通過獨立思考或相互交流來解決實際問題。項目化教學可使學生掌握工程設計過程，樹立起科學的實驗態(tài)度，全面提高學生的素質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

2 嵌入式系統(tǒng)項目化教學平臺的設計

嵌入式系統(tǒng)要實施項目化教學改革，必須具備項目化教學的開發(fā)實驗平臺。與傳統(tǒng)教學實驗平臺不同，該平臺應按照項目化的教學理念進行設計，其實驗、實訓等功能模塊的設置要符合項目開發(fā)步驟的要求，通過該平臺可增加學生項目開發(fā)的經(jīng)驗，使其更快地掌握嵌入式系統(tǒng)的相關技術。

2.1 嵌入式系統(tǒng)項目化教學平臺硬件設計

嵌入式系統(tǒng)項目化教學平臺硬件的設計，既要突出其專業(yè)性和擴展性的要求，也要注重平臺的整體性能，以滿足項目化教學的需求。為此，本教學平臺選擇了一款ARM9微處理器芯片作為控制核心，圍繞其構建硬件開發(fā)平臺，圖1為該平臺硬件的總體結(jié)構。

圖1 教學平臺硬件的總體結(jié)構

圖1所示硬件平臺的控制核心為三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片，它是一種32位的嵌入式微處理器，釆用ARM920T內(nèi)核，具有低功耗的特性，在眾多電子類產(chǎn)品中被廣泛應用。S3C2440微處理器帶有MMU(Memory Management Unit)，可支持虛擬內(nèi)存機制，兼容標準的Linux操作系統(tǒng)。

S3C2440外圍存儲電路為64Mbit SDRAM存儲器KM416S4030C和32Mbit的Flash存儲芯片SST39VF320。Flash存儲芯片用來存儲Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應用程序，而系統(tǒng)啟動時，S3C2440將Flash芯片中的有關程序調(diào)入SDRAM中運行。鍵盤和顯示器用于實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互，鍵盤采用4×4行列按鍵，用于口令、參數(shù)等的設置；顯示器采用12864LCD液晶屏，采用128×64點陣顯示結(jié)構，帶有LED背景燈，用于顯示有關的參數(shù)和實驗結(jié)果。

在網(wǎng)絡接口電路的設計中，以太網(wǎng)的MAC控制器采用臺灣DAVICOM公司生產(chǎn)的HR911103A，符合IEEE 802.3U標準，能自適應10/100M網(wǎng)絡，通過RJ-45接頭使本系統(tǒng)與交換機或路由器連通。系統(tǒng)軟件調(diào)試采用10針的JTAG接口，主要通過TCK(時鐘)、TMS(模式選擇)和TDI與TDO(數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出)這4根線實現(xiàn)程序的調(diào)試工作。串行接口釆用的是九針RS-232異步串口，用于S3C2440微處理器與系統(tǒng)配置的有關實驗功能模塊之間以及和PC機之間的串行數(shù)據(jù)交換。

本著循序漸進的教學原則，教學平臺由易到難分別配置了基礎層、應用層和創(chuàng)新層三大實驗功能模塊，各功能模塊的硬件單獨設計，又和ARM9微處理器互連通信，以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的項目應用和教學。

2.2 嵌入式系統(tǒng)項目化教學平臺軟件設計

教學平臺軟件設計的重點是嵌入式操作系統(tǒng)的選擇，在選擇時既要考慮操作系統(tǒng)與平臺硬件構架的兼容性，也要考慮調(diào)試工具的成本和軟件資源的豐富程度，所選操作系統(tǒng)要能滿足實驗要求。為此，本教學平臺選用了適合于嵌入式開發(fā)的基于2.6內(nèi)核版本的Linux操作系統(tǒng)，構成目前較先進的ARM+Linux的嵌入式開發(fā)模式。

基于Linux的開發(fā)環(huán)境建立方法如下：

首先，建立交叉編譯環(huán)境。受到硬件資源的限制，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)一般要借助于PC機，通過安裝交叉編譯器，在PC端編輯、編譯應用程序后再經(jīng)鏈接生成相關可執(zhí)行文件，在嵌入式平臺上運行。

其次，引導加載程序Bootloader的設計。Bootloader的作用是硬件設備初始化并建立內(nèi)存空間映射圖，從而使系統(tǒng)軟硬件環(huán)境被配置到一個合適的狀態(tài)，以利于操作系統(tǒng)的調(diào)用。在目前較流行的幾種bootloader中，本教學平臺選擇了功能強大且源代碼開放U-boot。通過編譯U-boot，將二進制生成文件u-boot.bin燒錄到硬件平臺的Flash中，并將其設置為啟動檔，則復位后bootloader開始進行相關程序的加載。

最后，根據(jù)特定需求進行Linux內(nèi)核配置與移植，以保證教學平臺性能的最優(yōu)化。主要包括以下三步：第一步，下載內(nèi)核源碼，解壓后進行相關功能的配置。主要配置功能有可加載模塊支持、系統(tǒng)類型、總線支持、網(wǎng)絡協(xié)議支持、設備支持和文件系統(tǒng)等。第二步，配置設備驅(qū)動程序。為CPU外圍的網(wǎng)絡、串行通信等接口以及開發(fā)的各實驗功能模塊配置相應的設備驅(qū)動程序。第三步，配置文件系統(tǒng)的驅(qū)動支持并制作根文件系統(tǒng)。本教學平臺文件系統(tǒng)采用yaffs2格式，通過配置Flash驅(qū)動可滿足yaff2s文件系統(tǒng)，而根文件系統(tǒng)采用的是root_qtopia-20100108.tar.gz。

3 嵌入式系統(tǒng)項目化教學實驗體系的構建

按照項目化教學的改革思路，構建了分層次、遞進式的嵌入式系統(tǒng)實驗教學體系。整個實驗教學體系被分為基礎層、應用層和創(chuàng)新層，每層都綜合考慮了學生的理論水平與設計能力。

3.1 基礎層實驗

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程教學需要，基礎層設置的實驗項目就是課本中所要求掌握的各個知識點，通過這些項目的實踐來強化學生的理論知識，使其對嵌入式系統(tǒng)軟硬件環(huán)境有初步的認知，同時使學生掌握一些基本的實驗技能。基礎層實驗項目包括存儲器讀寫、I/O口編程與控制、液晶顯示、4×4按鍵控制、實時時鐘、I2C通信、A/D轉(zhuǎn)換、ARM匯編指令編程、C語言編程、操作系統(tǒng)移植等。

3.2 應用層實驗

應用層實驗項目融合了電路、電子技術、單片機原理等電類專業(yè)共性課程的知識，是對這些知識與嵌入式技術的一種綜合應用。在學生掌握了基本實驗技能后，讓他們完成一個應用層設置的較簡單的綜合性項目，來有效鞏固和深化課程知識，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。該階段項目化教學已進入到項目實訓階段，學生的主觀能動性得到更充分的發(fā)揮，同時也激發(fā)起學生進一步的求知欲望。

應用層實驗項目實施流程如下：分析項目需求→建立項目模型→設計相關功能模塊→系統(tǒng)軟、硬件的選型與設計→軟、硬件調(diào)試→制作實物。應用層實驗項目強調(diào)對知識綜合運用能力的培養(yǎng)，以“停車場IC卡智能收費系統(tǒng)”項目為例，通過該項目的實訓，學生不僅學到了S3C2440芯片內(nèi)部實時時鐘模塊、I2C模塊、LCD控制器等相應功能模塊的協(xié)調(diào)工作、綜合應用的技能，也掌握了CPU與外部的E2PROM等芯片相互配合構成最小系統(tǒng)的方法。

3.3 創(chuàng)新層實驗

創(chuàng)新層實驗項目是在前兩個層次項目實訓的基礎上設置的更為復雜、綜合性更強的項目。通過創(chuàng)新層綜合性項目的設計過程，使學生能夠?qū)I(yè)知識融會貫通，提高他們自主創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，同時學生的組織實施能力、工程實踐能力和團隊協(xié)作能力都得到了相應的提高。嵌入式系統(tǒng)課程教學主要是面向電氣自動化、電子信息、計算機應用等專業(yè)的學生，創(chuàng)新層實驗項目的設置應注意專業(yè)的針對性。

下面以電子信息專業(yè)所設置的Zigbee實驗項目為例，介紹創(chuàng)新層項目教學的具體實施過程。

(1)項目任務的確定。Zigbee是一種無線組網(wǎng)通信技術，具有簡單、功耗低、成本少的特點，可用于組建智能家居的內(nèi)網(wǎng)，該技術難度與學生能力相符，故選擇“基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡設計”作為創(chuàng)新層項目教學的內(nèi)容。

(2)制定項目執(zhí)行計劃。學生通過搜集Zigbee的相關資料對其原理和應用有了大致的了解后，根據(jù)項目任務的要求按限定的時間制定項目設計每一步的執(zhí)行計劃，并交由指導教師審核通過。

(3)按計劃開展項目設計。首先設計Zigbee模塊的硬件。本設計中Zigbee模塊的功能是采集工業(yè)現(xiàn)場的溫度，經(jīng)基于Zigbee的無線傳輸協(xié)議收發(fā)器獲取該溫度，并在嵌入式教學平臺上顯示出來，其硬件結(jié)構如圖2所示。圖2中終端節(jié)點的功能是將現(xiàn)場采集的溫度信號經(jīng)基于CC2430芯片構成的無線收發(fā)器發(fā)送給主節(jié)點；主節(jié)點的功能是通過ZigBee協(xié)議棧無線接收終端節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)角度胧浇虒W平臺；最后，送入教學平臺的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)S3C2440匯總處理后，由LCD液晶屏顯示出來。再設計Zigbee模塊的軟件。Zigbee模塊的軟件設計主要是有關器件的驅(qū)動程序設計，包括無線收發(fā)芯片CC2430驅(qū)動程序設計、溫度傳感器驅(qū)動程序設計和LCD驅(qū)動程序設計。

圖2 ZigBee模塊的硬件結(jié)構

(4)檢查項目執(zhí)行情況。教師應經(jīng)常了解其項目執(zhí)行進度，啟發(fā)學生的設計思路，引導學生養(yǎng)成良好的工程開發(fā)習慣。

(5)項目實施的歸納總結(jié)。項目結(jié)束后學生分組討論，總結(jié)設計中的不足，探討今后如何改進與提高，提交項目設計總結(jié)報告。

4 嵌入式系統(tǒng)項目化教學的實施效果

4.1 合理規(guī)劃教學內(nèi)容

合理安排理論與實踐教學的內(nèi)容，理論課選擇最基本、最重要的知識內(nèi)容進行講解，并結(jié)合嵌入式技術在本專業(yè)的應用開展項目驅(qū)動的實踐教學，使學生初步掌握嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)流程和設計方法。

4.2 構建嵌入式系統(tǒng)項目化教學實驗體系

構建技術含量從少到多、技術難度由淺入深、學生自主學習逐步加強的分層次、遞進式實驗項目課程體系，開發(fā)嵌入式系統(tǒng)項目化教學的實驗平臺。為配合項目化教學的開展，開放相關的實驗室，使學生能充分利用實驗室教學資源。同時，采用指導教師跟蹤輔導方式，并注重學生合作與團隊精神的培養(yǎng)。

4.3 改革課程考核辦法，突出項目實踐考核

改變僅憑期末試卷定學生成績的傳統(tǒng)考核方法，將試卷成績與項目實踐成績結(jié)合，如果實踐考核成績不及格，則課程總成績不合格。通過突出項目實踐考核的重要性，加強對學生動手實踐能力的培養(yǎng)。

通過項目化教學改革與實踐，嵌入式系統(tǒng)教學取得了良好效果，學生在項目設計過程中加深了對理論知識的理解與運用，掌握了專業(yè)技術資料收集和閱讀技巧，動手能力、合作意識也逐步增強，有效激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)新意識。另外，通過師生互動，教師科研能力也得到了鍛煉。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)課程偏重理論教學，學生沒有進行自主性學習，教學上也缺乏層次性和針對性，教學效果往往不理想。為此,本文對嵌入式系統(tǒng)項目化教學新模式進行了積極探索。通過合理規(guī)劃教學內(nèi)容、構建嵌入式系統(tǒng)項目化教學實驗體系以及改革成績考核辦法，使教學效果有了明顯的改善，學生由不敢動手、不會動手，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極參與、善于分析和解決問題，學生的工程實踐能力有了較大提高。

[1]張志勇,于繁華.基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學改革探析[J].長春師范大學學報,2016(4):119-122.

[2]馮濟琴,朱革,陳古波.ARM 嵌入式系統(tǒng)教學方法研究及實踐探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(7):63-65.

[3]孫偉,張小瑞,張自嘉.《嵌入式系統(tǒng)》教學及大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)初探[J].中國科技信息,2012(1):141-142.

[4]彭道剛,李輝,夏飛.基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學改革與實踐[J].中國電力教育,2013(28):92-93.

[5]賀安坤,薛進,宋長青.嵌入式系統(tǒng)專業(yè)實踐教學的研究[J].實驗室科學,2012(4):161-164.

2016-12-01

安徽省高校自然科學基金重點資助項目“新型被動式多逆變器并網(wǎng)孤島檢測技術研究”(KJ2015A245)。

謝 東(1968- )，男，副教授，博士，從事嵌入式技術與新能源發(fā)電研究。

G642.0

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2095-7602(2017)06-0118-04