基于RTOS平台的嵌入式系统课程群教学研究

吴光文，　朱兆优，　胡文龙，　李宏俊

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000)



基于RTOS平台的嵌入式系统课程群教学研究

吴光文，朱兆优，胡文龙，李宏俊

(东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000)

摘要：目前，高校在嵌入式系统教学安排中，存在着内容庞大而课时较少的矛盾，导致学生在大学阶段无法全面掌握系统设计方法和技巧。另外，在教学过程中，对学生团队协作能力培养不够重视。文章提出基于实时操作系统的嵌入式系统人才培养方案，围绕讲解嵌入式系统课程，通过介绍经典案例，系统地讲解相关知识，解决课程安排中存在的矛盾，提高学生的动手能力和协作能力。

关键词：嵌入式系统；教学改革；教学方法；RTOS平台

吴光文，朱兆优，胡文龙，等.基于RTOS平台的嵌入式系统课程群教学研究[J].东华理工大学学报：社会科学版，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.

本世纪初，我国各高校陆续开展了嵌入式系统教学，十多年来，取得了显著成绩。大批优秀学生对嵌入式系统产生兴趣并从事相关工作，生产出很多有代表性的嵌入式产品。然而，教学工作中也存在着不足。纽约大学计算机科学教授Robert Dewar指出：“嵌入式系统规模庞大，设计困难。专业嵌入式系统工程师需要具备两个方面素质：一是掌握多个领域的知识；二是具备运用自己知识、协同团队构建稳定、安全、可靠嵌入式系统的技巧。遗憾的是美国的大学没有这两方面素质教育。”[1]反思我们的教学，目前在嵌入式系统人才培养领域，具有实用价值的嵌入式系统规模庞大，如何让学生在有限的时间内学会设计规模庞大的系统，是高校嵌入式系统人才培养的一个关键问题。

笔者研究探索一种新教学方案，该方案借鉴建筑学专业教学方法。对于同样的“大蓝图”问题，建筑学专业教学方法包括两点：一是注重广泛研究伟大的建筑成就；二是让学生进行高层次建筑结构设计，而不涉及细节。这种方法可以“移植”到嵌入式系统教学中。在嵌入式系统领域，有很多优秀案例，可供学习研究，如开源的RTOS(Real Time Operating System)。教学过程中可以选择优秀的RTOS内核作为教材，讲解RTOS原理、硬件资源管理方法、嵌入式系统由低到高各个层次的封装方法和如何在操作系统的框架下构建大系统的方法。通过RTOS设计，培养学生团队合作能力，提高其嵌入式系统设计的综合素质，实现从单一人才培养模式向多元化、层次化、个性化的创新人才培养模式转型[2,3]。

1教学方法改革方案

以RTOS平台为核心，嵌入式系统人才培养的课程体系结构如图1所示。

图1　人才培养课程体系

理论教学内容包括：嵌入式系统原理(以嵌入式微处理器为主)、RTOS原理(课程体系核心)、基于RTOS的嵌入式系统程序设计。基础实践教学的内容包括：RTOS移植和基于RTOS的嵌入式系统程序设计。设计实践教学内容为嵌入式系统作品设计，包括RTOS设计、嵌入式硬件系统设计、RTOS移植等。总体方案如图2所示。

图2　总体方案

培养方案注重对学生兴趣培养、加强对RTOS理论基础和基于RTOS程序设计技术的培养。在基本实践环节中，注重培养学生自主实验能力、分析解决实际问题能力，使其掌握RTOS移植方法和基于RTOS程序设计技术的方法和技巧。

设计性教学主要是设计RTOS，并将RTOS移植到目标系统上进行程序开发。教学过程中结合“多元智能理论”，根据学生的实际情况进行“分层次培养”。在这个环节教学中，积极引导、培养兴趣，不硬性规定任务。每个同学可根据自己的特点，选择合作伙伴组成团队，完成该教学环节。这个环节要有“作品”。为保证“作品”的质量，设计性教学环节周期设置为一个学期。期间学生在开放实验室完成自己的“作品”，每周固定时间，教师在实验室指导，手把手教学。让学生切实掌握嵌入式系统设计的基本环节，通过制作“作品”提高其就业的竞争力。通过团队合作，培养同学的团队协作素质。

图3　理论教学系统工程教学法

2教学方案的实施

方案中，教学环节包含理论教学、基础实践教学和设计性实践教学三个方面。

2.1理论教学

嵌入式系统知识体系起点较高、与基础课没有很好地衔接。教学过程中，如果没有对旧知识进行综合、归纳和总结，就没有升华和提高，就会导致学生学习效果差，对专业学习失去兴趣。论文提出，以RTOS平台作为核心，把嵌入式系统相关的课程综合学习，将知识融会贯通、加强实践环节、提高其就业的竞争力。理论教学从以下两个方面进行改革：

(1)教学内容整合与优化，使基础知识能够为嵌入式系统课程服务。首先，需要重视学生认知的渐进性和系统性，在介绍新知识的同时，引导学生复习旧知识。具体手段可以是启发式或作业形式，如课后留问题让学生思考，安排作业让学生课后完成，达到温故而知新的效果。引导、鼓励学生下苦功夫夯实基础课程，达到厚积薄发的效果。其次，针对课程工程性强的特点，课堂上结合大量经典的RTOS实例进行讲解，以加深学生对知识的理解。设置课堂教学中各部分比重为：原理分析30%、结论20%、应用实例50%。对RTOS内核代码进行解剖式分析，使学生理解RTOS的原理和运行机制，领悟RTOS源代码中蕴含的嵌入式软件设计方法和技巧。

(2)教学方法与手段改革。教学方法以“系统工程教学法”为主，更注重知识系统性。引导学生自己模仿、改进一些成功的案例。不仅能够加强知识的理解和掌握，而且可以提高学生的兴趣，增强其信心。同时结合使用其他教学法和手段，如启发式教学、仿真教学、类比教学等方法，激发学生学习兴趣和主动性，改善课堂教学效果。“系统工程教学法”如图3所示。图中虚线框为教师启发学生课下准备或课后作业，实线框为课堂讲解。

2.2基础实践环节

为方便教学，教学团队设计了基于STM32F103的教学实验箱，配有对应实验指导书，并给出了电路原理图。内容从验证性实验到设计性实验，对每个实验的原理进行了详细讲解。实验箱预留了多个端口，学生可以连接自己制作的硬件系统，也可以将电路嵌入到自己设计中，进行嵌入式系统设计。

在基础实践环节，使用实验箱进行软件实验，不鼓励学生独立制作硬件。实验内容为：RTOS移植和基于嵌入式RTOS的程序设计技术，包括任务调度、资源共享、资源同步、任务同步等实验。

目前，各高校实验学时比重有所加大，但在教学实践环节中普遍存在一个问题：多数同学课前没有准备，上课时无从下手，有问题就问教师，教师解答一个问题学生就做一步。实验课本质上是教师在做实验，学习效率低下。在这种实验模式中，增加的实践比重只是增加了实践的“量”，并没有增加实践的“质”。

笔者提出改实验课为考核课的教学模式，如图4所示。教师在实验中只是起到引导和监督作用，学生才是做实验的主体。这种教学模式能激发学生自学自练的积极性和主动性，有利于学生构建属于自己的经验和知识体系。更好地培养学生的学习能力、自主实验能力、分析问题和解决问题能力。这种教学方式称之为“不教之教”模式，通过平时“不教”训练，克服学生的依赖思想，使之真正能够学到独挡一面的能力。

图4　“不教之教”的考核实验模式

2.3设计性实践环节

实验内容为：首先设计小型嵌入式硬件系统，其次设计小型RTOS，再次移植到目标处理器上，最后进行嵌入式系统软件设计，题目可由教师提供或者学生自选。在嵌入式系统课程的设计性实践教学中，硬件系统根据学生实际水平选择在课下制作或者直接用实验箱。在有限的学时里，以目前本科生的水平，设计大规模程序是不现实的，教师需要直接提供设计内容的“框架”和“样例”，学生填充“框架”、模仿“样例”，最终结果能演示即可。

在传统实验教学中存在一个误区，过分强调学生“独立”，认为两个人或者多个人合作就有“作弊”嫌疑。这种教育导致了学生在就业后碰到很多问题，例如：不能和团队其他成员协作，具体表现为两个方面：一方面自己写的东西别人不能用或者不好用；另一方面不用别人写的东西，从心理上认为，所有内容都要自己从头做起。这种想法和做法明显和现实嵌入式系统设计理念相悖。还有一种情况就是想使用别人的代码，但是不知道哪些代码有效，更不知道如何将外来代码嵌入到自己的系统中。

在教学中，立足于学生合作设计一定规模的系统，培养学生团队合作素质，团队的科研氛围是人才成长的营养剂[4]。立足于实际、结合“多元智能理论”、考虑学生个体的实际情况、实行“团队合作的分层培养”方案。“团队合作的分层培养”方案分为三步，第一步为准备环节，教师提出备选课题，学生自由选择课题和合作伙伴。每个团队制定系统设计方案，每个成员根据自身水平和总体需求，选择自己承担角色和所在团队里的层次。每个成员提出自己的设计方案和实施方法，讨论团队的设计风格、接口规范等内容，将以上内容形成方案在班上宣讲。可以相互提问和交流，根据集体意见修改系统方案，教师最终把关。第二步为实施环节，团队成员实施所有环节。这个过程中，实验室全天开放，学生可以在实验室完成所有操作环节。操作中碰到问题，教师可以引导性回答，但要以学生独立思考为主。这个过程中按照“积木式”设计方法，在总体框架下，先易后难，模块设计。第三步为总结提高环节，这个环节非常重要，但往往被忽视，要求团队的各个成员总结自己的工作，分析操作过程中解决问题的方法，形成设计报告。然后各个团队集体讨论，总结经验，形成文字报告。由于教师和学生能够定期交流，可以因材施教，个性化教育成为可能，弥补高校在个性化培养方面的先天不足[5]。各个环节如图5所示。

图5　团队合作分层培养实施细节

3结语

随着嵌入式教学改革试验逐步开展，教学团队与时俱进，积极、主动地展开理论教学和实践教学改革探讨。结合教学实践中的实际情况，提出符合嵌入式系统人才培养的方案，并积极地付诸实践。实践证明，该方案能够较大地提高学生学习积极性、主动性、动手能力和创新能力。

[参考文献]

[1] Robert Dewar. The education of embedded systems software engineers: failures and fixes[EB/OL]. [2013-4-7]. http://www.embedded.com/print/4238223.

[2] 李祥. 软件工程实训教学质量保障模式探索[J]. 东华理工大学学报：社会科学版.2013,32(3):87-91.

[3] 潘登，陈启军. 面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革[J]. 计算机教育， 2013(13):1-5.

[4] 徐步朝, 李德平. 共生视角下创新拔尖人才成长路径研究[J]. 东华理工大学学报：社会科学版，2015,34(2):154-158.

[5] 谢宗波, 姜国芳, 刘云海,等. 本科生“1+3”科研导师培养模式的探索[J].东华理工大学：社会科学版，2015, 34(1): 89-92.

收稿日期：2015-08-17

基金项目：江西省级教改课题“基于RTOS平台的嵌入式系统人才培养研究”(JXJG-14-6-27)成果。

作者简介：吴光文(1978—)，男，山东淮坊人，讲师，硕士，主要从事嵌入式系统理论研究。

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：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