嵌入式系统项目化教学新模式的探索与实践

谢 东，鲍尚东，宋鸿儒(铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵 244000)

嵌入式系统项目化教学新模式的探索与实践

谢 东，鲍尚东，宋鸿儒
(铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵 244000)

针对嵌入式系统课程传统教学方法的不足，本文对基于项目化的嵌入式系统教学改革进行了有益的探索与实践。首先分析了适用于嵌入式系统项目化教学实验平台的硬、软件设计方法，再对嵌入式系统项目化教学实验体系的构建方法进行了详细的阐述。实践表明，基于项目化的嵌入式系统教学模式的改革能够全面提高学生的素质，培养学生的创新意识和创新能力。

嵌入式系统；项目化；教学平台；教学体系

嵌入式系统在众多领域有广泛应用，企业对嵌入式产品开发人才的需求日益增多。为此，国内许多高校已将嵌入式系统作为工科电学类专业的一门重要课程。在嵌入式系统课程教学过程中，各专业往往未从本专业角度进行教学内容的安排，不能满足不同专业学生对该课程的学习要求。另外，不少学校的实践教学课时数要低于理论教学课时数，且实验教学平台功能单一，仅能安排验证性实验，未能突出实验的应用性，无法培养学生的实际动手能力，不能满足企业对嵌入式产品开发人才的需求。针对上述问题，本文在嵌入式系统教学中进行项目化教学的探索，围绕项目化教学的理念构建嵌入式系统的实验平台。

1 嵌入式系统项目化教学概述

项目化教学是一种行动导向的教学新模式，它通过有限课时形成较完整作品来培养学生的专业能力，具有任务驱动、项目载体、工学结合、素质渗透的特点，能充分发挥学生的主观能动性，提高课程教学的效果。嵌入式系统课程内容多、层次深、范围广，强调软硬件集成和系统的分工协作，传统教学很难使学生理解有关的抽象理论，而项目化教学使学生容易建立起系统的完整概念。所以，针对传统教学方法呆板枯燥的弊端，引入项目化教学法，为嵌入式系统课程提出了一种新的教学模式。项目化教学过程中，师生共同参与，教师选择技术难度上符合学生实际水平的教学项目，并制定项目预案与项目内容；而学生按流程完成项目，在项目执行过程中通过独立思考或相互交流来解决实际问题。项目化教学可使学生掌握工程设计过程，树立起科学的实验态度，全面提高学生的素质，培养学生的创新意识和创新能力。

2 嵌入式系统项目化教学平台的设计

嵌入式系统要实施项目化教学改革，必须具备项目化教学的开发实验平台。与传统教学实验平台不同，该平台应按照项目化的教学理念进行设计，其实验、实训等功能模块的设置要符合项目开发步骤的要求，通过该平台可增加学生项目开发的经验，使其更快地掌握嵌入式系统的相关技术。

2.1 嵌入式系统项目化教学平台硬件设计

嵌入式系统项目化教学平台硬件的设计，既要突出其专业性和扩展性的要求，也要注重平台的整体性能，以满足项目化教学的需求。为此，本教学平台选择了一款ARM9微处理器芯片作为控制核心，围绕其构建硬件开发平台，图1为该平台硬件的总体结构。

图1 教学平台硬件的总体结构

图1所示硬件平台的控制核心为三星公司生产的S3C2440芯片，它是一种32位的嵌入式微处理器，釆用ARM920T内核，具有低功耗的特性，在众多电子类产品中被广泛应用。S3C2440微处理器带有MMU(Memory Management Unit)，可支持虚拟内存机制，兼容标准的Linux操作系统。

S3C2440外围存储电路为64Mbit SDRAM存储器KM416S4030C和32Mbit的Flash存储芯片SST39VF320。Flash存储芯片用来存储Linux操作系统内核以及应用程序，而系统启动时，S3C2440将Flash芯片中的有关程序调入SDRAM中运行。键盘和显示器用于实现系统的人机交互，键盘采用4×4行列按键，用于口令、参数等的设置；显示器采用12864LCD液晶屏，采用128×64点阵显示结构，带有LED背景灯，用于显示有关的参数和实验结果。

在网络接口电路的设计中，以太网的MAC控制器采用台湾DAVICOM公司生产的HR911103A，符合IEEE 802.3U标准，能自适应10/100M网络，通过RJ-45接头使本系统与交换机或路由器连通。系统软件调试采用10针的JTAG接口，主要通过TCK(时钟)、TMS(模式选择)和TDI与TDO(数据输入与数据输出)这4根线实现程序的调试工作。串行接口釆用的是九针RS-232异步串口，用于S3C2440微处理器与系统配置的有关实验功能模块之间以及和PC机之间的串行数据交换。

本着循序渐进的教学原则，教学平台由易到难分别配置了基础层、应用层和创新层三大实验功能模块，各功能模块的硬件单独设计，又和ARM9微处理器互连通信，以实现嵌入式系统的项目应用和教学。

2.2 嵌入式系统项目化教学平台软件设计

教学平台软件设计的重点是嵌入式操作系统的选择，在选择时既要考虑操作系统与平台硬件构架的兼容性，也要考虑调试工具的成本和软件资源的丰富程度，所选操作系统要能满足实验要求。为此，本教学平台选用了适合于嵌入式开发的基于2.6内核版本的Linux操作系统，构成目前较先进的ARM+Linux的嵌入式开发模式。

基于Linux的开发环境建立方法如下：

首先，建立交叉编译环境。受到硬件资源的限制，嵌入式系统的开发一般要借助于PC机，通过安装交叉编译器，在PC端编辑、编译应用程序后再经链接生成相关可执行文件，在嵌入式平台上运行。

其次，引导加载程序Bootloader的设计。Bootloader的作用是硬件设备初始化并建立内存空间映射图，从而使系统软硬件环境被配置到一个合适的状态，以利于操作系统的调用。在目前较流行的几种bootloader中，本教学平台选择了功能强大且源代码开放U-boot。通过编译U-boot，将二进制生成文件u-boot.bin烧录到硬件平台的Flash中，并将其设置为启动档，则复位后bootloader开始进行相关程序的加载。

最后，根据特定需求进行Linux内核配置与移植，以保证教学平台性能的最优化。主要包括以下三步：第一步，下载内核源码，解压后进行相关功能的配置。主要配置功能有可加载模块支持、系统类型、总线支持、网络协议支持、设备支持和文件系统等。第二步，配置设备驱动程序。为CPU外围的网络、串行通信等接口以及开发的各实验功能模块配置相应的设备驱动程序。第三步，配置文件系统的驱动支持并制作根文件系统。本教学平台文件系统采用yaffs2格式，通过配置Flash驱动可满足yaff2s文件系统，而根文件系统采用的是root_qtopia-20100108.tar.gz。

3 嵌入式系统项目化教学实验体系的构建

按照项目化教学的改革思路，构建了分层次、递进式的嵌入式系统实验教学体系。整个实验教学体系被分为基础层、应用层和创新层，每层都综合考虑了学生的理论水平与设计能力。

3.1 基础层实验

根据嵌入式系统课程教学需要，基础层设置的实验项目就是课本中所要求掌握的各个知识点，通过这些项目的实践来强化学生的理论知识，使其对嵌入式系统软硬件环境有初步的认知，同时使学生掌握一些基本的实验技能。基础层实验项目包括存储器读写、I/O口编程与控制、液晶显示、4×4按键控制、实时时钟、I2C通信、A/D转换、ARM汇编指令编程、C语言编程、操作系统移植等。

3.2 应用层实验

应用层实验项目融合了电路、电子技术、单片机原理等电类专业共性课程的知识，是对这些知识与嵌入式技术的一种综合应用。在学生掌握了基本实验技能后，让他们完成一个应用层设置的较简单的综合性项目，来有效巩固和深化课程知识，培养学生分析问题、解决问题的能力。该阶段项目化教学已进入到项目实训阶段，学生的主观能动性得到更充分的发挥，同时也激发起学生进一步的求知欲望。

应用层实验项目实施流程如下：分析项目需求→建立项目模型→设计相关功能模块→系统软、硬件的选型与设计→软、硬件调试→制作实物。应用层实验项目强调对知识综合运用能力的培养，以“停车场IC卡智能收费系统”项目为例，通过该项目的实训，学生不仅学到了S3C2440芯片内部实时时钟模块、I2C模块、LCD控制器等相应功能模块的协调工作、综合应用的技能，也掌握了CPU与外部的E2PROM等芯片相互配合构成最小系统的方法。

3.3 创新层实验

创新层实验项目是在前两个层次项目实训的基础上设置的更为复杂、综合性更强的项目。通过创新层综合性项目的设计过程，使学生能够将专业知识融会贯通，提高他们自主创新意识和创新能力，同时学生的组织实施能力、工程实践能力和团队协作能力都得到了相应的提高。嵌入式系统课程教学主要是面向电气自动化、电子信息、计算机应用等专业的学生，创新层实验项目的设置应注意专业的针对性。

下面以电子信息专业所设置的Zigbee实验项目为例，介绍创新层项目教学的具体实施过程。

(1)项目任务的确定。Zigbee是一种无线组网通信技术，具有简单、功耗低、成本少的特点，可用于组建智能家居的内网，该技术难度与学生能力相符，故选择“基于Zigbee无线传感网络设计”作为创新层项目教学的内容。

(2)制定项目执行计划。学生通过搜集Zigbee的相关资料对其原理和应用有了大致的了解后，根据项目任务的要求按限定的时间制定项目设计每一步的执行计划，并交由指导教师审核通过。

(3)按计划开展项目设计。首先设计Zigbee模块的硬件。本设计中Zigbee模块的功能是采集工业现场的温度，经基于Zigbee的无线传输协议收发器获取该温度，并在嵌入式教学平台上显示出来，其硬件结构如图2所示。图2中终端节点的功能是将现场采集的温度信号经基于CC2430芯片构成的无线收发器发送给主节点；主节点的功能是通过ZigBee协议栈无线接收终端节点传过来的数据，再传输到嵌入式教学平台；最后，送入教学平台的温度数据经S3C2440汇总处理后，由LCD液晶屏显示出来。再设计Zigbee模块的软件。Zigbee模块的软件设计主要是有关器件的驱动程序设计，包括无线收发芯片CC2430驱动程序设计、温度传感器驱动程序设计和LCD驱动程序设计。

图2 ZigBee模块的硬件结构

(4)检查项目执行情况。教师应经常了解其项目执行进度，启发学生的设计思路，引导学生养成良好的工程开发习惯。

(5)项目实施的归纳总结。项目结束后学生分组讨论，总结设计中的不足，探讨今后如何改进与提高，提交项目设计总结报告。

4 嵌入式系统项目化教学的实施效果

4.1 合理规划教学内容

合理安排理论与实践教学的内容，理论课选择最基本、最重要的知识内容进行讲解，并结合嵌入式技术在本专业的应用开展项目驱动的实践教学，使学生初步掌握嵌入式产品的开发流程和设计方法。

4.2 构建嵌入式系统项目化教学实验体系

构建技术含量从少到多、技术难度由浅入深、学生自主学习逐步加强的分层次、递进式实验项目课程体系，开发嵌入式系统项目化教学的实验平台。为配合项目化教学的开展，开放相关的实验室，使学生能充分利用实验室教学资源。同时，采用指导教师跟踪辅导方式，并注重学生合作与团队精神的培养。

4.3 改革课程考核办法，突出项目实践考核

改变仅凭期末试卷定学生成绩的传统考核方法，将试卷成绩与项目实践成绩结合，如果实践考核成绩不及格，则课程总成绩不合格。通过突出项目实践考核的重要性，加强对学生动手实践能力的培养。

通过项目化教学改革与实践，嵌入式系统教学取得了良好效果，学生在项目设计过程中加深了对理论知识的理解与运用，掌握了专业技术资料收集和阅读技巧，动手能力、合作意识也逐步增强，有效激发了学生的学习兴趣和创新意识。另外，通过师生互动，教师科研能力也得到了锻炼。

5 结语

传统嵌入式系统课程偏重理论教学，学生没有进行自主性学习，教学上也缺乏层次性和针对性，教学效果往往不理想。为此,本文对嵌入式系统项目化教学新模式进行了积极探索。通过合理规划教学内容、构建嵌入式系统项目化教学实验体系以及改革成绩考核办法，使教学效果有了明显的改善，学生由不敢动手、不会动手，逐步转变为积极参与、善于分析和解决问题，学生的工程实践能力有了较大提高。

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2016-12-01

安徽省高校自然科学基金重点资助项目“新型被动式多逆变器并网孤岛检测技术研究”(KJ2015A245)。

谢 东(1968- )，男，副教授，博士，从事嵌入式技术与新能源发电研究。

G642.0

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2095-7602(2017)06-0118-04