基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式操作系統(tǒng)課程改革與實(shí)踐

林 峰，張澤旺，劉 虹

（廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展迅速，社會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面人才的需求相當(dāng)大，因此幾乎所有高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)均開設(shè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用課程[1]。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，是嵌入式系統(tǒng)重要的組成部分，嵌入式操作系統(tǒng)的教學(xué)在嵌入式方向的教學(xué)中起著重要的作用。

在傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容以講授操作系統(tǒng)的基本原理（包括進(jìn)程管理、進(jìn)程間通信、文件管理、存儲(chǔ)管理和內(nèi)核裁剪等理論知識(shí)）為主，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)比較零散，缺乏關(guān)聯(lián)性。在教學(xué)方法上，多以教師講授和灌輸為主，如教師大多以知識(shí)點(diǎn)來(lái)組織教學(xué)，通過一些小例程對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，不能將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)起來(lái)，這種教學(xué)方法缺乏實(shí)用的工程背景，導(dǎo)致學(xué)生“見山是山，見水是水”，只能被動(dòng)接受，其吸收效率低下，更無(wú)法將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的地方院校，更要提高課程的應(yīng)用性和實(shí)踐性，教學(xué)內(nèi)容上更偏重技術(shù)的應(yīng)用，教學(xué)方法上更加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高學(xué)生的動(dòng)手能力。在課時(shí)有限的情況下，應(yīng)當(dāng)想方設(shè)法將理論和實(shí)踐有效結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)化理論的應(yīng)用，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。

1 教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

最重要的是需要選定合適的嵌入式操作系統(tǒng)。目前，嵌入式操作系統(tǒng)繁多，教學(xué)上常用的有 uCOS-II[2]、Linux[3]和 WinCE[4]。 鑒 于 Linux在行業(yè)應(yīng)用的廣泛性、開源免費(fèi)、支持眾多硬件平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)完善等特點(diǎn)，本課程選取Linux作為操作系統(tǒng)平臺(tái)。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念、熟悉Linux的基本命令和基本操作、掌握Linux的C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)和Linux應(yīng)用程序開發(fā)。具體說，學(xué)生應(yīng)了解shell的概念；熟悉Linux命令的格式以及常見的系統(tǒng)管理、文件目錄、打包壓縮、網(wǎng)絡(luò)等命令；掌握vi的操作方法；理解GCC編譯器的4個(gè)階段以及常見的選項(xiàng)的含義；理解Makefile的規(guī)則；能夠編寫簡(jiǎn)單的Makefile；理解系統(tǒng)調(diào)用的概念；掌握Linux下文件編程、進(jìn)程控制、進(jìn)程通信、多線程編程和網(wǎng)絡(luò)編程中相關(guān)的概念和原理，并能利用相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)開發(fā)應(yīng)用程序。

2 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式操作系統(tǒng)的教學(xué)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比, 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性, 使學(xué)生能夠在項(xiàng)目開發(fā)過程中自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進(jìn)而本能地使用課程知識(shí)解決問題[5]?；陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)需要解決以下3個(gè)問題。

2.1 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是本教學(xué)改革的重要基礎(chǔ)?！霸O(shè)計(jì)良好的項(xiàng)目是教學(xué)成功的一半”,此話并不過分。項(xiàng)目應(yīng)該具有MACPE的特征，其具體含義包括以下幾點(diǎn)：①M(fèi)（Moderate），項(xiàng)目的工作量應(yīng)適量，使中等學(xué)生能夠在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成。教學(xué)項(xiàng)目的選擇不能太大, 以防止在教學(xué)大綱規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)無(wú)法完成項(xiàng)目的開發(fā)；選擇的項(xiàng)目也不能太小,否則就無(wú)法激起學(xué)生開發(fā)的熱情，也不能實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)[1]；②A（Actual），項(xiàng)目應(yīng)該具有實(shí)際意義，項(xiàng)目不是教師憑空設(shè)想出來(lái)的，應(yīng)該是學(xué)生日常生活中喜聞樂見的實(shí)際產(chǎn)品；③C（Complete），項(xiàng)目應(yīng)該緊扣教學(xué)大綱，能夠完整涵蓋大綱所規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，滿足課程知識(shí)點(diǎn)的構(gòu)建[5]；④P（Progressive），項(xiàng)目應(yīng)該具有遞進(jìn)性，項(xiàng)目的功能可以逐步完善，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以便教學(xué)和實(shí)踐的開展；⑤E（Extensible），項(xiàng)目應(yīng)該是可擴(kuò)展的，除了規(guī)定的功能，學(xué)生可以發(fā)揮主觀能動(dòng)性，根據(jù)自己的能力擴(kuò)展項(xiàng)目功能，實(shí)現(xiàn)思維和能力的創(chuàng)新。

本文所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目為簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)聊天程序，程序分為服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器開啟后，等待客戶端的注冊(cè)或者登錄，客戶端可以向服務(wù)器注冊(cè)賬戶，服務(wù)器保存賬戶的用戶名和密碼信息?？蛻舳说卿浄?wù)器時(shí)，服務(wù)器需檢測(cè)用戶和密碼是否正確；登錄后，客戶端可以查看當(dāng)前在線用戶列表，并與選擇某個(gè)在線用戶進(jìn)行雙向的聊天。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)客戶端用戶的在線與否，服務(wù)器還具有心跳機(jī)制。

該項(xiàng)目符合MACPE特性，具有很強(qiáng)的合理性。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的今天，即時(shí)聊天程序非常常見。本項(xiàng)目是即時(shí)聊天程序在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)模型，具有實(shí)際意義。項(xiàng)目完整性要求完成該項(xiàng)目，需具備文件操作、進(jìn)程間通信（如信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)編程、多線程編程、進(jìn)程控制）等多方面的知識(shí)。此外，為了更好的編譯程序，需要掌握GCC和Makefile相應(yīng)知識(shí)；為了在Linux上開發(fā)該項(xiàng)目，需要掌握Linux的基本操作。這些都屬于規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，因此可以將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融入到項(xiàng)目實(shí)施過程中，并形成一個(gè)整體。項(xiàng)目的遞進(jìn)性體現(xiàn)在可以按照順序逐步實(shí)現(xiàn)。首先，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的連接與數(shù)據(jù)的收發(fā)功能（即功能1）；其次，實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)賬戶信息的保存與比較功能（即功能2）；最后，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端無(wú)阻塞訪問服務(wù)器等功能（即功能3）。其余功能不一一列舉。每種功能都是在前面功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改完善的。這些功能的實(shí)現(xiàn)方法與教學(xué)內(nèi)容也是相互對(duì)應(yīng)的（見表1）。以這種遞進(jìn)式的方法完成項(xiàng)目功能，符合多數(shù)人的習(xí)慣，易為學(xué)生所接受，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。項(xiàng)目的擴(kuò)展性體現(xiàn)在：學(xué)生如果學(xué)有余力，就可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)文件的發(fā)送與接收、聊天記錄的保存與讀取、設(shè)計(jì)GUI界面等。

表1 項(xiàng)目功能與教學(xué)內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 項(xiàng)目的實(shí)施

本課程上課地點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)室，有些知識(shí)點(diǎn)在教師講解之后可以立即操作或者編寫代碼進(jìn)行驗(yàn)證，有助于更好掌握其原理。本課程要求學(xué)生自帶筆記本電腦至課堂，學(xué)生在自己電腦上安裝Linux虛擬機(jī)，可在課后實(shí)踐課程項(xiàng)目，克服課堂時(shí)間不足等問題。

在第一次課堂上, 教師就給學(xué)生演示該項(xiàng)目,以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 并將該項(xiàng)目的功能分解到對(duì)應(yīng)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)上，強(qiáng)調(diào)通過掌握和應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)就能完成相關(guān)功能的開發(fā)。接下來(lái)的4次課，教學(xué)內(nèi)容為L(zhǎng)inux基本命令和vi操作、Linux的C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)。在之后的課時(shí)中，根據(jù)項(xiàng)目從易到難，安排相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)的推進(jìn)過程，實(shí)際上也是項(xiàng)目的完善過程。在每次課堂前，規(guī)定本次需要添加的項(xiàng)目功能，為了達(dá)到該功能，需要掌握哪些知識(shí)，因此，學(xué)生可以帶著目標(biāo)去學(xué)習(xí)，方向性更強(qiáng)。在教師向?qū)W生公布教學(xué)進(jìn)度之后，要求學(xué)生根據(jù)能力制定合理的項(xiàng)目進(jìn)度表，以便考核之用，對(duì)學(xué)生而言，既是壓力也是動(dòng)力。

在課堂教學(xué)中，以教師講授和簡(jiǎn)單示范為輔助，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)施項(xiàng)目為主。教師講清知識(shí)點(diǎn)的基本概念和原理，尤其是工作流程、函數(shù)的參數(shù)、返回值和功能等，學(xué)生在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，將知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到項(xiàng)目中。在項(xiàng)目具體實(shí)施過程中，以小組的形式進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)，根據(jù)學(xué)生的意愿，每3～4名學(xué)生組成一個(gè)小組。小組內(nèi)部進(jìn)行任務(wù)的分配，鼓勵(lì)小組內(nèi)部進(jìn)行討論，發(fā)揮同儕作用，“學(xué)霸”帶領(lǐng)“學(xué)渣”共同進(jìn)步。對(duì)教師而言，其角色為項(xiàng)目開發(fā)的監(jiān)控者和幫助者：作為監(jiān)控者，教師記錄各小組項(xiàng)目的進(jìn)展，進(jìn)展過慢時(shí)予以督促；作為幫助者，在學(xué)生碰到問題時(shí)，提供合理的資源或者解決問題的方法，在學(xué)生發(fā)生方向偏差時(shí)給予必要的糾正。

2.3 項(xiàng)目的課程考核

課程考核是整個(gè)教學(xué)過程的重要組成部分，也是直接檢驗(yàn)教學(xué)成果和成效的方式。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，必須突出學(xué)生在項(xiàng)目中的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新研究能力的重要性，因此，本課程的考核包含平時(shí)表現(xiàn)、項(xiàng)目表現(xiàn)和期末考試3個(gè)環(huán)節(jié)，成績(jī)比重分別為20%、40%和40%。

平時(shí)表現(xiàn)以學(xué)生的出勤、在項(xiàng)目實(shí)施過程中提出問題和解決問題的情況以及與教師的討論交流為標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目表現(xiàn)以各個(gè)小組的實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的符合情況、項(xiàng)目功能完成情況和項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告為標(biāo)準(zhǔn)，前兩者占30%，后者占10%。在課程結(jié)束時(shí)，要求各個(gè)小組對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果進(jìn)行演示和答辯。小組首先演示，然后教師根據(jù)小組所實(shí)現(xiàn)的功能，針對(duì)程序的流程、某代碼段的含義、函數(shù)的參數(shù)的含義、某種功能在代碼中如何實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行提問，指定小組成員回答，教師根據(jù)本小組的功能實(shí)現(xiàn)情況以及小組成員的回答情況給定本小組的項(xiàng)目功能完成情況的分?jǐn)?shù)。小組內(nèi)部分?jǐn)?shù)如何劃分，由小組內(nèi)部討論決定。設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫能力也是很重要的一項(xiàng)技能，在項(xiàng)目結(jié)束前，向?qū)W生公布設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)當(dāng)具有的內(nèi)容以及撰寫規(guī)范，據(jù)此判斷學(xué)生的報(bào)告是否符合要求。比重設(shè)置為10%，目的是為引起學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告的重視，認(rèn)真訓(xùn)練，提高撰寫報(bào)告的能力。期末考試，有相當(dāng)?shù)念}目與項(xiàng)目有很大的關(guān)系，只是題型不同和考查的知識(shí)點(diǎn)不同。題型可以是選擇、填空、程序分析或編程題等。知識(shí)點(diǎn)有的偏重于理論基礎(chǔ)，有的則偏重于編程應(yīng)用。總而言之，項(xiàng)目其實(shí)是外殼，知識(shí)點(diǎn)才是內(nèi)在。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過兩輪的教學(xué)實(shí)踐，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的有效性得到了驗(yàn)證。學(xué)生普遍反應(yīng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)比較合理，上課方式比較新穎，對(duì)課程的興趣得到提高，而且能夠帶著目標(biāo)去學(xué)習(xí)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性更高。各個(gè)小組在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的過程中，通過合理分工、討論交流、解決問題，不僅鞏固了舊知識(shí)、掌握了新知識(shí)、增強(qiáng)了綜合開發(fā)的能力，而且團(tuán)隊(duì)意識(shí)和協(xié)作能力得到不斷提高。這些成果對(duì)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)不僅提供了重要的借鑒價(jià)值，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然在項(xiàng)目實(shí)施過程中，也有一些地方需要改進(jìn)和完善，如小組考核的方式，存在個(gè)別學(xué)生“渾水摸魚”的情況。此外，還可以設(shè)置不同難度的項(xiàng)目供不同能力的學(xué)生選擇，并加強(qiáng)過程考核等，這需要在今后的教學(xué)中加以改進(jìn)。

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