平震宇，李培峰，顧曉燕

（1.江蘇信息職業(yè)技術學院物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫214101；2.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006）

0 引 言

隨著大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）的迅猛發(fā)展，MOOC已經(jīng)成為風靡教育領域以學習者為中心的在線學習模式，是新形勢下教育理念融合信息技術的產(chǎn)物。MOOC具有開放性、大規(guī)模學習人群參與、高品質(zhì)微視頻、完整的課程組織結(jié)構(gòu)以及基于大數(shù)據(jù)的學習分析等本質(zhì)特征［1］。2010年MOOC在美國初露端倪，2012年我國一些知名大學也紛紛加入MOOC行列。2014年5月教育部“高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程”建設的愛課程網(wǎng)推出“中國大學MOOC”在線教育平臺，2015年在教育部出臺的《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》推動下“教學名師”紛紛走進了MOOC課堂，數(shù)以萬計的課程面向?qū)W習者開放。

1 MOOC的實踐教學需求

隨著MOOC如火如荼建設，課程越來越豐富，選課人數(shù)越來越多，問題和質(zhì)疑也隨之而來。對于計算機、電信等實踐性較強的學科有一個實際問題日益突出，MOOC單純的理論教學無法滿足授課需要，需要提供高品質(zhì)的實踐環(huán)節(jié)教學資源［2-3］。如果僅僅提供線上理論課程教學視頻，或者有實踐環(huán)節(jié)教學視頻，沒有實驗環(huán)境進行實際操作，可能導致只有少部分學習者能夠堅持下來［4］。

嵌入式Linux開發(fā)是一門實踐性很強的課程，學生必須配合大量的實踐練習才能掌握嵌入式相關技能。目前各院校計算機、電信專業(yè)都開設了嵌入式Linux開發(fā)課程，為滿足實踐教學要求，各院校都購買了嵌入式實驗設備，有些是功能大且全的嵌入式實驗箱，有些是功能單一的開發(fā)板［5］。這對于MOOC學習者就存在以下兩個問題：

（1）嵌入式系統(tǒng)試驗設備種類繁多、軟硬件資源各不相同，導致對應的系統(tǒng)設置和操作的不同。

（2）實驗設備后期維護也存在較大的難度，一旦損壞需要較長的維修周期［6-7］。

因此虛擬仿真平臺為MOOC教學過程中的實踐教學提供了實現(xiàn)方法。通過構(gòu)建嵌入式虛擬仿真平臺，學習者在虛擬仿真平臺上完成各種預定的實踐項目。使MOOC學習者獲得一種高效、穩(wěn)定、廉價的實踐環(huán)境［8-9］。

2 嵌入式虛擬仿真環(huán)境

Windows系統(tǒng)常用的虛擬仿真環(huán)境有Java虛擬機、Vmware，Microsoft的Virtual PC、Virtual Server等。嵌入式虛擬仿真環(huán)境有SkyEye，ARMulator以及本文使用的虛擬化模擬器（Quick Emulator，QEMU）。QEMU是使用可移植動態(tài)二進制翻譯器的模擬器?？梢栽谀繕梭w系結(jié)構(gòu)（QEMU運行依賴的體系結(jié)構(gòu)）的主機上模擬執(zhí)行源體系結(jié)構(gòu)（被模擬的體系結(jié)構(gòu)）的操作系統(tǒng)和應用程序。QEMU是純軟件實現(xiàn)的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設備。例如x86、PowerPC、ARM、MIPS等多種目標平臺。Google在開發(fā)Android系統(tǒng)的同時使用QEMU開發(fā)了模擬器，降低了開發(fā)人員的開發(fā)成本，促進了Android技術的推廣。

QEMU支持兩種工作模式：在用戶模式仿真（user mode emulation）下，QEMU能夠模擬運行為源體系結(jié)構(gòu)編譯的應用程序。在全系統(tǒng)模式仿真（system mode emulation）下，QEMU模擬源體系結(jié)構(gòu)的整個硬件平臺［10-11］。QEMU可以在目標體系架構(gòu)（如x86）下運行源體系架構(gòu)（如ARM）的操作系統(tǒng)和程序，它虛擬仿真一個完整的系統(tǒng)，包括一個或多個處理器以及如顯卡、網(wǎng)卡等各種外圍設備，全系統(tǒng)模式仿真使用的范圍更加的廣泛［12-13］。

QEMU通過其快速、可移植的動態(tài)翻譯程序創(chuàng)建接近于主機性能的虛擬機［13-14］。QEMU完成編譯配置后，可以進行開發(fā)板級虛擬仿真，使學習者如同使用真實的開發(fā)板一樣。QEMU提供了以下4種不同模式的網(wǎng)絡：網(wǎng)橋、網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（Network Addresss Translation，NAT）內(nèi)置的用戶模式網(wǎng)絡、直接分配網(wǎng)絡設備。豐富的網(wǎng)絡支持特別有利于課程實踐教學，例如BootLoad下載內(nèi)核、掛載網(wǎng)絡文件系統(tǒng)等。

3 搭建嵌入式虛擬仿真環(huán)境

目標體系結(jié)構(gòu)可以選擇Windows+MinGW或者Linux系統(tǒng)，為了減少編譯系統(tǒng)代碼時產(chǎn)生的函數(shù)庫依賴問題，本文選用Xubuntu系統(tǒng)。Xubuntu是一份基于Ubuntu的Linux發(fā)行版，采用輕量級的XFce桌面環(huán)境，并面向低端機器作了優(yōu)化。

3.1 下載資源

由于Mini2440開發(fā)板的軟硬件資源非常豐富，所以一直是嵌入式開發(fā)學習者的入門首選。Mini2440使用的基于ARM920T的S3C2440A芯片，QEMU有個項目分支專門支持S3C2440 芯片（http：//repo.or.cz/qemu/mini2440.git）。首選下適配Mini2440 的QEMU，u-boot和內(nèi)核。

如果使用git下載速度慢，可以直接通過網(wǎng)頁下載。

3.2 編譯系統(tǒng)

下載完成后依次編譯QEMU程序，u-boot和內(nèi)核。首先編譯QEMU，在編譯之前先安裝zlib1g-dev、libsdldev兩個庫。使用下列命令編譯：

./configure--target-list＝arm-softmmu

make-j4

QEMU主程序qemu-system-arm在arm-softmmu文件夾內(nèi)，可以使用qemu-system-arm--version測試程序運行是否正常。

編譯u-boot，打開Makefile文件，修改編譯u-boot使用的交叉編譯工具鏈（Cross_Compile變量賦值armnone-linux-gnueabi-）。使用下列命令編譯：

make mini2440_config

make

編譯完成后在當前目錄下生成名為u-boot.bin的文件，將u-boot.bin 文件復制到/opt/mini2440 文件夾中。

編譯內(nèi)核，在編譯內(nèi)核之前首先使用命令apt-get install uboot-mkimage安裝uImage工具。進入內(nèi)核目錄，使用下列命令編譯內(nèi)核：

編譯完成之后在arch/arm/boot/目錄下生成uImage文件，將此文件復制到/opt/mini2440 文件夾中。

3.3 配置系統(tǒng)參數(shù)

（1）編寫啟動腳本mini2440_start.sh。因為QEMU主程序qemu-system-arm啟動參數(shù)設置非常復雜，所有需要編寫mini2440_start啟動腳本，將腳本存放在/opt/mini2440文件夾中。啟動腳本內(nèi)容如下：

（2）創(chuàng)建網(wǎng)絡配置腳本。為了實現(xiàn)QEMU虛擬機與外部網(wǎng)絡的通信，需要在宿主機中創(chuàng)建并配置一個網(wǎng)橋，并將宿主機的接口作為網(wǎng)橋的一個接口。首先需要在宿主機中創(chuàng)建并配置一個tap設備，QEMU虛擬機將該tap設備連接到虛擬機VLAN中，將tap設備作為網(wǎng)橋的另一個接口，QEMU虛擬機通過tap設備就可以與外部網(wǎng)絡完全通信了。創(chuàng)建qemu-ifup腳本如下：

兩個網(wǎng)絡配置文件存放在/opt/mini2440文件夾下。

（3）掛載nfs文件系統(tǒng)?？梢允褂肂usyBox自己搭建文件系統(tǒng)或者使用FriendlyARM的文件系統(tǒng)。將文件系統(tǒng)存放在/opt/root_qtopia目錄中。

再輸入bootm命令開始加載內(nèi)核，當文件系統(tǒng)掛在成功后，嵌入式虛擬仿真平臺的界面如圖1所示。

圖1 嵌入式虛擬仿真平臺的界面

4 嵌入式虛擬仿真平臺在MOOC課程中的應用

《嵌入式Linux應用與開發(fā)實踐》課程是一門實踐性非常強的課程。課程偏重于嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)中的軟件方面，涉及如何搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境、配置嵌入式開發(fā)常用服務、移植Bootloader、移植內(nèi)核、搭建文件系統(tǒng)、GUI應用開發(fā)與移植。本課程遵循“一體化設計、結(jié)構(gòu)化課程、顆粒資源”建設為理念，以工作過程為導向，依據(jù)職業(yè)能力成長規(guī)律設計并組織課程內(nèi)容，建設以學習者為中心的在線開放課程。課程結(jié)合在線開放課程教學的特征與需求，圍繞教學目標精心設計教學活動，科學規(guī)劃在線學習資源，明確學業(yè)評價策略和學習激勵措施［15］。課程發(fā)布在“中國大學MOOC”在線教育平臺（見圖2）。

圖2 《嵌入式Linux應用與開發(fā)實踐》課程主要內(nèi)容

課程運行一個學期后，受到本校學生的熱烈歡迎，取得了良好的教學效果，充分激發(fā)了學生的積極性和主動性。

由于兄弟院校的嵌入式試驗設備各不相同，實驗開發(fā)環(huán)境不一致，導致兄弟院校學生無法按照課程視頻進行相應的實驗操作。為了使MOOC課程可以面向更多的學生，搭建了統(tǒng)一的嵌入式虛擬仿真環(huán)境（見圖3），并在課程公告發(fā)布了嵌入式虛擬仿真環(huán)境的百度云共享地址。根據(jù)嵌入式虛擬仿真環(huán)境優(yōu)化了課程實踐教學項目，見表1。課程以虛擬仿真項目為主導，通過項目來學習對應的理論知識，根據(jù)技術難點將項目劃分為“階段性虛擬仿真項目”和“綜合性虛擬仿真項目”。

圖3 虛擬仿真環(huán)境在MOOC課程中的應用

表1 虛擬仿真實踐教學內(nèi)容

通過以上虛擬仿真項目的實踐練習，使不同層次的學習者熟練掌握嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)流程和程序設計的各主要環(huán)節(jié)，使學習者掌握嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式開發(fā)工具，交叉編譯、BootLoader移植、內(nèi)核移植等嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心技能，為今后從事嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的設計、開發(fā)工作打下堅實的基礎。MOOC通過搭建虛擬仿真環(huán)境統(tǒng)一了交叉編譯環(huán)境，使得不同院校的學習者可以使用相同版本的內(nèi)核和BootLoader。課前學習者通過MOOC提供的視頻學習課程的基礎知識以及完成相關階段性虛擬仿真項目與測試題。在課堂教學過程中針對完成項目過程中出現(xiàn)的問題進行討論，并采用輪流的方式對項目的重點和難點進行講解，最后由教師對項目的重點、難點進行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。

MOOC學習者免費獲得了開發(fā)實踐環(huán)境，不再需要為嵌入式實驗設備而發(fā)愁。自2016年在“中國大學MOOC”平臺上開課至今，平均每學期有6 000人參加課程的學習，累計共有14 000人通過了課程考核，其中有1 200人獲得課程優(yōu)秀證書。從實施效果來看，課程體現(xiàn)“以學生為中心”的教育理念，學生自主學習的能力不斷增強，激發(fā)了學生對專業(yè)知識的興趣，通過虛擬仿真項目的實踐練習提高了解決問題的能力。學生的嵌入式項目開發(fā)的綜合能力不斷提升，通過課堂上討論提高學生對所學知識的綜合應用和舉一反三的能力。各組學生通過相互協(xié)作完成綜合性虛擬仿真項目，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力，增強了學生的團隊凝聚力。

5 結(jié) 語

針對在《嵌入式Linux應用與開發(fā)實踐》MOOC中嵌入式實驗設備無法滿足實踐環(huán)節(jié)教學需要。本文通過構(gòu)建嵌入式虛擬仿真環(huán)境，使MOOC學習者能完成預定實踐教學項目。嵌入式虛擬仿真環(huán)境可以讓MOOC學習者免費獲得開發(fā)實踐環(huán)境，并且嵌入式虛擬仿真平臺具有很好的可擴展性。經(jīng)過兩年的實際應用結(jié)果表明將嵌入式虛擬仿真平臺應用于MOOC實踐教學后，能充分發(fā)揮虛擬仿真與MOOC的優(yōu)勢，通過開放與共享，并提供優(yōu)質(zhì)、高效的、穩(wěn)定的、免費的虛擬仿真平臺，將“以學生為中心”的教學理念和模式充分展示出來。