以项目为导向的嵌入式系统实践教学研究

李春光?谢光前

摘要：为了改进嵌入式系统课程的教学效果，将项目教学引入嵌入式系统实践教学中。通过分析现有嵌入式系统软硬件平台的特点，以注重学生掌握嵌入式系统软硬件开发的基本原理为目标，选择μCOS-II操作系统和STM32F10X系统作为课程的主要实践教学平台，Linux操作系统和OMAP3530平臺作为拓展教学平台。以“从简单到复杂，从模块到系统”的原则设计项目教学案例。在卓越工程师教育培养计划中实践了以上教学方法，引导学生在实践中学习，使学生对嵌入式系统的学习兴趣有了很大提高，教学效果良好。在大学生实践创新和RobCup机器人竞赛活动中检验了该方法对学生能力的培养效果。

关键词：嵌入式；项目教学法；实践教学；μCOS-II；Linux

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0183-02

随着社会经济的快速发展，与嵌入式系统相关的应用产品不断推陈出新，社会对嵌入式系统设计人才的需求量非常大。但是嵌入式技术有着非常强的综合性、实践性和应用性，如何改善高嵌入式系统课程的教学效果，改革人才培养过程中以灌输式和知识传授为主的做法，已经引起众多本课程教师的关注。[1-3]

常州工学院计算机科学与技术专业已获批教育部第二批卓越工程师教育培养计划高校试点专业。按照“卓越工程师教育培养计划”的要求，计算机科学与技术专业要紧密结合学校应用型人才的办学定位，注重学生工程实践经验的积累。“项目教学法”[4，5]是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论教学与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。

为此，在嵌入式系统课程教学过程中，结合卓越工程师培养计划，将“项目教学法”引入到实践课程教学中，选择适合学生的嵌入式软硬件平台和项目案例，着力推动基于问题与项目的研究性学习方法，引导学生以嵌入式应用开发项目为导向在实践中学习。

一、嵌入式系统软硬件平台的选择

通过对嵌入式系统课程的学习，学生应能具备一定的嵌入式系统编程能力，能将课堂讲授的理论知识编程实现，能有意识的将课堂所学理论知识应用于具体实践。良好的实验平台可以促进学生边实践边学习，使学生克服重理论轻实践、理论脱离实践的不良影响，大大提高学生的实践能力。

现有高校嵌入式系统教学实验平台众多。教学中采用的嵌入式操作系统有VxWorks、μC/OS-II、eCos、Linux和Wince等，实验箱采用的CPU有Cortex-A系列、Cortex-M系列、ARM9、ARM11等等。为使软硬件平台适应一般本科院校学生对嵌入式系统的学习，对以上系统进行了分析比较。μC/OS-II操作系统代码短小精悍，易读易懂，也包含实时内核、任务管理、任务间通信同步等功能。而Linux、eCos等操作系统源码过于复杂，初学者看此类操作系统源码会异常困难。以使大多数学生掌握嵌入式操作系统原理、多任务程序设计方法、任务间同步与通信方法为目的，选择μC/OS-II作为教学中主要使用的嵌入式操作系统。[6]与Cortex-A、ARM9、ARM11等CPU内核相比，属于Cortex-M系列的STM32F10X芯片易于学习与使用，因此被广泛应用于成本和功耗敏感的嵌入式终端产品。选择STM32F10X实验板作为主要硬件实验平台。为了便于学生进一步学习嵌入式系统知识，选择Linux操作系统和Cortex-A8系列的OMAP3530平台作为拓展教学平台。

通过选择μC/OS-II+STM32F10X为主要教学平台，Linux+OMAP3530为拓展教学平台，在实践教学设备上形成了从简单到复杂的实验学习环境。在教学实践过程中，很容易提高多数学生的学习积极性，让学生逐步在具体实践中养成独立思考的习惯，逐渐培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而提高了学生的创新意识和创造能力。

二、项目案例设计

在嵌入式系统课程教学和实践教学内容的制订与讲授中，需要改变主要偏向于理论教学而忽视了对学生实践能力的培养，进而导致学生理论学习与实践脱节的现象。在实践教学内容中，一方面强调理论教学和实践教学二者都不可偏废。另一方面对理论教学和实践教学在教学计划中如何安排，采取了两种做法：一是将其各自独立安排，自成体系，齐头并进，相互促进。摆脱实践教学附属于理论教学的局面，以确保学生的应用能力不断提高。二是将理论教学和实践教学有机地结合起来，由简到繁，由基础实验逐步过渡到项目实践，循序渐进，互相促进，朝着总的培养目标共同发展。根据课程内容，将实验内容分为uC/OS-II实验、STM32F103实验和综合项目实践三大部分，如表1至表3所示，其中的项目案例来源于具体嵌入式产品开发项目。在教学过程中，从易到难引导学生在实验实践中掌握嵌入式系统知识，将课堂教学、实验室等教学方法有机结合，既丰富了实习教学内容，又活跃了课堂气氛，激发了学生的求知欲望，有效地提高了学生的实践教学质量。

三、卓越工程师教育培养计划下嵌入式系统项目教学法的具体实践

在卓越工程师教育培养计划下，应注重学生实践能力的培养。在嵌入式系统课程的教学工程中，以“从简单到复杂，从模块到系统”的思想引导学生逐步开展实践活动。常州工学院在计算机科学与技术专业嵌入式系统方向开设了“嵌入式操作系统”和“嵌入式系统开发及应用”两门课程。“嵌入式操作系统”课程详细讲解了uC/OS-II操作系统的原理，同时对Linux操作系统进行了简介。此课程通过例程和实验让学生掌握嵌入式操作系统基本原理与任务间同步与通信的方法。“嵌入式系统开发及应用”课程主要讲解STM32F10X芯片结构、uC/OS-II和uCGUI在STM32F10X芯片上的应用，同时简介了基于Linux的 OMAP3530平台开发流程与方法。

为了将“项目教学法”引入嵌入式系统课程的实践教学中，在“嵌入式系统开发及应用”课程教学的前期就对学生讲解已设计好的有实际应用背景的项目课题，让学生明确课题需求和完成此课题需要的知识点。然后对学生进行分组和选择课题，通过开放实验室的方式，以学生为主进行设计开发，教师在学生设计实践过程中引导讨论、给予建议与评价，引导学生解决实际问题。

学生通过项目教学实践，极大地提高了对嵌入式系统的学习兴趣，参加大学生实践活动和学科竞赛活动的积极性也有了很大提高。对于计算机科学与技术专业嵌入式系统方向，学生已做到每人都参加大学生实践活动。近三年本专业学生在参加的RoboCup机器人竞赛和服务外方软件设计大赛中已获得世界亚军一项、全国亚军一项、全国季军两项、全国三等奖三项。

四、结语

本文以“卓越工程师培养计划”精神为指导，针对嵌入式系统课程，将实践项目课题引入到实践教学中，引导学生完成从uC/OS-II、STM32F10X 32位ARM微控制器的嵌入式系统软硬件学习到基于项目课题的综合实践能力的锻炼。通过本文的教学实践活动，加深了学生对专业基础知识的理解与掌握，提升了学生嵌入式系统方向的工程素质，培养了学生嵌入式系统软硬件开发的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力。

参考文献：

[1]李凤云.计算机本科专业嵌入式系统课程体系研究与实践[J].高教论坛，2007，（4）：71-73.

[2]张晓东，鲁可，李秀娟.嵌入式系统课程教学研究[J].计算机教育，2011，（8）：76-79.

[3]曾炼成，沈岳，张林峰.嵌入式系统实践教学研究[J].中国电力教育，2010，（27）：128-130.

[4]党元一.嵌入式课程中项目教学法的应用研究与实践[J].中国电力教育，2011，（2）：86-87.

[5]徐钦桂，赵维铨，谭伟，等.嵌入式操作系统课程的案例教学法[J].计算机教育，2011，（18）：57-60.

[6]任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

（责任编辑：孙晴）