基于項目驅動的嵌入式設計與開發教學改革實踐

王曉強 劉志強 莊旭菲

摘 要：以內蒙古工業大學計算機科學與技術專業培養目標為依據，結合“卓越工程師”培養目標，以培養學生的學習興趣、增強學生的工程實踐能力和專業應用能力為目標，課程組分析了嵌入式系統開發相關課程之間的關系，建立了嵌入式方向的課程體系；通過項目案例設計，將知識點貫穿于項目中，突出教學重點，注重實踐教學，對教學模式進行了相應的改革和探索。

關鍵詞：項目驅動；嵌入式設計與開發；教學改革

隨著微處理器技術的飛速發展，嵌入式系統在工業控制、信息家電、通信設備、醫療儀器、智能儀表、汽車制造等眾多領域得到了廣泛應用。嵌入式系統成為當前最熱門、最有發展前途的IT應用領域之一。學習嵌入式系統技術具有較好的市場前景。但嵌入式是軟硬件結合的技術，且該領域發展太快，學習掌握相關知識和技術的難度較大。采用傳統的教學方法教學，學生難以全面掌握嵌入式系統的開發技術。

2014年，我校計算機科學與技術專業嵌入式方向獲批開設“卓越工程師培養計劃”，目標是培養適應經濟社會發展的應用型人才，提升人才培養質量，落實到本專業就是培養動手能力強的高素質嵌入式應用系統開發人才。教師必須對以前的教學方法進行改革，嘗試引入項目驅動教學法。項目驅動教學法具有針對性（針對具體工程項目），教學中將“項目引導、任務驅動”的教學模式引入嵌入式設計與開發課程，將過去以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式教學，有利于實現教學目標。

一、嵌入式方向課程體系建設

嵌入式系統課程體系的建設目標是構建完整的嵌入式開發知識體系，增強學生的實踐開發能力。知識體系建設基于目前流行的ARM架構展開，開設了計算機組成與結構、嵌入式系統及應用、嵌入式操作系統、嵌入式設計與開發、單片機、移動應用開發等相關課程。

1.嵌入式設計與開發相關課程設置。嵌入式設計與開發不是一門單獨的課程，而是一個課程體系。嵌入式設計與開發課程體系由三部分內容組成：一是基于ARM的嵌入式系統，包括ARM架構、ARM匯編、基于C的ARM裸機編程；二是嵌入式Linux操作系統，包括Linux操作系統原理、基于ARM的Linux系統移植、驅動程序開發；三是基于嵌入式Linux的應用開發，包括進程控制、進程間通信、多線程、網絡程序設計。在學習相應技術內容時，要配合學習對應的開發工具，目的是培養學生的適應能力。這樣學生在畢業時能夠將所學內容直接應用到工作中，實現無縫對接。嵌入式設計與開發課程體系設置如表1所示。

2.相關實踐類課程設置。實踐類課程的開設是對上述課程的綜合利用，是對每一個知識環節的綜合性實踐訓練，包括計算機組成與結構課程設計、嵌入式項目基礎實訓、嵌入式項目綜合實訓、軟件項目綜合實訓、移動終端項目實訓及畢業設計等教學環節設置。對應的實踐課程設置如表2所示。

表2 嵌入式設計與開發實踐類課程設置

二、課程教學模式改革

為了更好地完成嵌入式設計與開發相關課程的教學任務，提高教學質量，培養工程型、實用型和復合型高級技術人才，筆者提出了基于項目案例驅動的教學改革措施。

1.明確教學目標，突出教學重點。嵌入式設計與開發課程在嵌入式課程體系中起到了承上啟下的作用，是系統軟硬件結合的關鍵。在嵌入式系統開發中，軟件開發占比70%以上，既包括驅動程序設計，也包括終端應用軟件的設計，還有與上層服務端軟件的通信，起到上傳下達的核心作用。因此嵌入式設計與開發的教學重點應該放在基于Linux操作系統的軟件開發技術上，要求學生明確理解每部分教學的重點以及其在具體項目中的應用點。嵌入式設計與開發的教學重點：（1）嵌入式Linux開發環境的搭建。理解嵌入式交叉編譯環境，能夠熟練使用GCC、GDB進行程序的編譯和調試，能夠使用Makefile對工程項目進行管理。（2）系統級開發技術。圍繞進程控制、進程間通信、多線程展開。進程是應用程序的入口，進程間通信可實現各模塊之間數據傳輸，多線程主要用于處理同時進行的數據采集應用。（3）應用級開發技術。主要是網絡通信程序、基于QT的GUI圖形界面程序設計。網絡通信是終端數據采集上傳的通道，GUI圖形程序設計解決終端人機交互問題。

2.引入項目案例，貫穿于每個知識點。嵌入式設計與開發課程引入項目案例驅動，將課程教學重點與具體的項目結合，突出每個知識點在項目中的具體應用。項目案例設計基于農業信息采集控制系統展開，以農業信息采集控制系統設計開發過程為主線，對項目開發中不同階段所需要的相關技術進行詳細講解，然后對該技術在農業信息采集控制系統中的應用方法進行回歸。學生可在理解教學知識點的同時，掌握該知識點在項目中的應用方法，并在課程結束后的實訓環節獨立完成一套類似于課程項目的應用系統，以此提高其實踐動手能力。在教學中，教師在每一章節都會介紹本章知識點，以及知識點在項目中的具體應用。例如：文件編程的知識點為掌握文件描述符和系統調用的概念，掌握基于文件描述符的文件I/O操作，嵌入式Linux中的串口應用編程方法；項目應用點是實現對農業信息采集控制系統如溫濕度、大氣壓強設備、GPS等采集設備的訪問，從而獲取采集到的信息。最后通過實例給出實際項目中的設計與程序實現，突出知識點的具體應用。

3.課程與綜合實訓相結合，提高學生項目實踐能力。為了提高學生的項目實踐能力，在開展項目案例驅動教學改革的同時，引入相關的嵌入式項目綜合實訓課程，以嵌入式操作系統、嵌入式設計與開發課程為基礎，進行為期2周的項目實訓。實訓內容與課程中講授的農業信息采集控制系統類似，但又有不同的側重點。如2014級學生嵌入式項目綜合實訓題目設置為環境數據采集控制系統設計實現、運動狀態監測系統設計實現、安防應用系統設計實現等。通過實訓，學生對所學的嵌入式開發相關知識進行綜合應用，實踐能力得到了提高。

4.考核體系建設。嵌入式設計與開發課程考核體系的改革也必須同時進行。嵌入式開發課程對實踐環節的要求較高。如何合理評價學生的學習效果，一直是教改研究的重要內容之一。項目實訓一般以答辯形式進行，答辯結合報告給出成績。在改革中，我校引入設計方案考核機制，將考核分為：出勤（10%）、需求分析及設計方案（20%）、答辯（40%）和報告（30%）4個環節，新增需求分析及方案設計考核，讓學生對設計內容有全面的分析理解過程。而且設計方案考核引入答辯機制，如果方案設計不合理，則不能進入設計開發環節，有效提高了學生設計的效率。

三、結論

我院2014年開始進行基于項目驅動的嵌入式設計與開發課程教學改革，經過兩年的實踐，項目案例不斷完善，2016年出版了教材《基于項目驅動的嵌入式Linux應用設計開發》，取得了較好的教學效果。學生對嵌入式相關課程有了更加明確的認識，學習興趣明顯提高，動手能力明顯增強。在相關的課程設計中出現了一批優秀的作品，師生積極參加嵌入式和機器人競賽，并取得了優異的成績。基于項目驅動的教學改革對任課教師來講有較大的教學難度，需要我們不斷收集素材，改革和完善項目案例，滿足知識點對項目案例的需求，不斷增強教學效果。

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注：“嵌入式設計與開發”項目案例驅動教學改革研究（項目編號：2014206）；計算機專業卓越計劃人才培養的研究與實踐（項目編號：2014205）。

作者簡介：王曉強（1978— ），內蒙古涼城人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統、圖形圖像處理、軟件工程、項目管理。

（責任編輯：黃天駿 莊 源）