嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

張苗輝　張博　宋俊玉　黃啟剛

摘? ?要：本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程的特點(diǎn)以及目前現(xiàn)有的教學(xué)問(wèn)題，對(duì)嵌入式課程的教學(xué)方式進(jìn)行了一些探索和改革，在原有課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)建創(chuàng)新小組，開(kāi)展創(chuàng)新項(xiàng)目，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，為學(xué)生今后從事嵌入式系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)? 實(shí)踐教學(xué)? 創(chuàng)新項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（a）-0213-02

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)作為物聯(lián)網(wǎng)的“核心”，是互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級(jí)階段的融合成果，在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]。因此，當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展對(duì)從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人才需求越來(lái)越強(qiáng)烈，培養(yǎng)更多嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新型人才成為大多數(shù)高校的教學(xué)目標(biāo)。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程的特點(diǎn)以及目前現(xiàn)有的教學(xué)問(wèn)題，建設(shè)了一套以實(shí)踐為主、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系，該教學(xué)體系不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，并且能夠更好地滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人才的需求，響應(yīng)教育部“卓越人才”培養(yǎng)的號(hào)召。

1? 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 理論教學(xué)

以Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程為例，傳統(tǒng)教學(xué)主要介紹ARM的知識(shí)體系、Linux系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用和QT/Embedded界面的編程開(kāi)發(fā)。由于大多數(shù)嵌入式教材偏理論化，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)例程與之配套[2]。此外，“Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”在理論上承接了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”、“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程，重復(fù)的理論教學(xué)會(huì)浪費(fèi)較多學(xué)時(shí)。在考試中，學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)部分的考察作答較為完善，而對(duì)于創(chuàng)新綜合考察題，在總體設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě)上較為欠缺。

1.2 實(shí)踐教學(xué)

目前大多數(shù)高校基于本課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)有嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建、基于QT的嵌入式圖形界面實(shí)驗(yàn)、嵌入圖形界面移植實(shí)驗(yàn)和嵌入式觸摸屏實(shí)驗(yàn)等。其目的是讓學(xué)生更深入地了解嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本概念和步驟，掌握嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)。但這些實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)教材試驗(yàn)范例的驗(yàn)證，沒(méi)有完整的工程項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥，學(xué)生通常在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)，無(wú)法吸引學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，在一些較為綜合性的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的表現(xiàn)較差。此外，由于教學(xué)設(shè)備限制，很少通過(guò)演示的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在試驗(yàn)中具有盲目性，從而缺乏積極性，選擇敷衍了事，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果[3]。

2? 嵌入式實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 改變實(shí)踐教學(xué)的輔助地位

嵌入式課程改革的首要任務(wù)要確定實(shí)踐教學(xué)在該課程中的地位，進(jìn)而改變以往的教學(xué)方式。在總學(xué)時(shí)不變的前提下，縮減理論授課的學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)課程，甚至可以在機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室上課，方便學(xué)生進(jìn)行練習(xí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在授課內(nèi)容上，適當(dāng)減少對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的講解，增加嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程的講解和演示，從而保證學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中能夠更深入的理解最真實(shí)的嵌入式開(kāi)發(fā)流程[4-6]。在課堂上向?qū)W生展示一些實(shí)際應(yīng)用中的嵌入式產(chǎn)品，如基于嵌入式的人臉識(shí)別、智能手表等，拓寬學(xué)生的視野，用嵌入式產(chǎn)品的科技感調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)學(xué)院應(yīng)提供實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的小型嵌入式實(shí)驗(yàn)板或者購(gòu)買一批嵌入式開(kāi)發(fā)板供學(xué)生課下實(shí)踐開(kāi)發(fā)。

2.2 考核形式改革

在以往考試中，理論考試和平時(shí)成績(jī)占70分，從而讓學(xué)生忽視課程實(shí)踐，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，該課程需要增加實(shí)驗(yàn)的考核難度和分值，例如，每次實(shí)驗(yàn)都要當(dāng)堂打分。學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并且回答老師提出的問(wèn)題后，方可獲得本節(jié)實(shí)驗(yàn)課程的分?jǐn)?shù)，促使學(xué)生重視實(shí)踐，進(jìn)一步提高學(xué)生的思維和動(dòng)手能力，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的。在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的前提下，開(kāi)展一些創(chuàng)新項(xiàng)目，作為檢驗(yàn)課程成果的綜合性實(shí)驗(yàn)，最后展示成果并提交小論文。

3? 創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)例

在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)課程的實(shí)驗(yàn)中，為了吸引學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的綜合能力，應(yīng)當(dāng)挑選一些更加貼近生活的嵌入式項(xiàng)目使學(xué)生們自主地感受學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，同時(shí)也能夠?qū)χR(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。創(chuàng)新項(xiàng)目可由小組配合完成，既能提高學(xué)生積極性，又可以起到鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)的作用。例如，設(shè)定3人為一組，1人負(fù)責(zé)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的制作與下載，1人負(fù)責(zé)算法和代碼編寫(xiě)，另外1人負(fù)責(zé)撰寫(xiě)論文。創(chuàng)新項(xiàng)目安排在課程實(shí)驗(yàn)的后半階段，在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)并對(duì)嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)了解的基礎(chǔ)下開(kāi)展，學(xué)生課下也可自行到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，下面以嵌入式人臉檢測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 嵌入式開(kāi)發(fā)板選擇

嵌入式開(kāi)發(fā)板的選擇一般可遵循以下三個(gè)原則，選擇性能較強(qiáng)，外圍硬件和接口較為豐富且價(jià)格適合的板子;選擇軟件支持完善的開(kāi)發(fā)板;選擇技術(shù)支持迅速的廠家。本創(chuàng)新項(xiàng)目選用的是ITOP-4412開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板的處理器型號(hào)是ARM Cortex -A9，主頻為1.4GHZ，配有1Gb的DDR3，8Gb的FLASH。開(kāi)發(fā)板的運(yùn)行速度，內(nèi)存和存儲(chǔ)空間都能滿足圖像處理的需求。該開(kāi)發(fā)板配套有許多開(kāi)發(fā)實(shí)例視頻，有利于學(xué)生快速掌握開(kāi)發(fā)流程。人臉檢測(cè)系統(tǒng)需外接USB攝像頭來(lái)采集圖像，利用自帶的LED顯示屏和觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。系統(tǒng)通過(guò)串口接受PC機(jī)指令和下載程序，通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340與PC機(jī)的USB口相連。

3.2 嵌入式軟件環(huán)境搭建

嵌入式系統(tǒng)環(huán)境搭建主要包括加載引導(dǎo)程序U-boot、Linux內(nèi)核，根文件系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序5個(gè)部分。嵌入式系統(tǒng)雖然發(fā)展較快，但開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展資源較少，不能直接在開(kāi)發(fā)板上開(kāi)發(fā)，我們通常采用交叉編譯的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。PC機(jī)使用Ubuntu系統(tǒng)，首先將U-boot源碼交叉編譯后下載到開(kāi)發(fā)板中，對(duì)開(kāi)發(fā)板硬件進(jìn)行初始化并引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)。通過(guò)U-boot將交叉編譯生成的zImage文件下載到開(kāi)發(fā)板指定地址后啟動(dòng)內(nèi)核。根文件系統(tǒng)是內(nèi)核啟動(dòng)后掛載的第一個(gè)文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)同樣需要交叉編譯后再燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板中。最后，將攝像頭、觸摸屏等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序以及QT和opencv移植到開(kāi)發(fā)板中。QT為應(yīng)用編程提供圖形界面支持，opencv為應(yīng)用程序提供圖像處理函數(shù)庫(kù)。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

嵌入式人臉檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序部分主要分為圖像采集和人臉的檢測(cè)。圖像采集部分主要通過(guò)UVC協(xié)議和V4L2接口控制USB攝像頭的分辨率和幀率。同樣地，首先在PC端進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，再移植到基于ARM的嵌入式板子中，運(yùn)行結(jié)果如圖1所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)創(chuàng)新性人才是社會(huì)的需求，同時(shí)也符合教育部培養(yǎng)卓越人才的號(hào)召。從學(xué)生自身來(lái)講，學(xué)生動(dòng)手能力的增加有利于激發(fā)其對(duì)科學(xué)研究的興趣，促進(jìn)理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而理論的增強(qiáng)，又為學(xué)生下一步實(shí)踐指明了方向。兩者相輔相成，才能培養(yǎng)創(chuàng)新思維，研發(fā)創(chuàng)新成果。總之，就嵌入式教學(xué)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)增加實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)踐中更好地掌握這門(mén)課程同時(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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