馮迅，云利軍

（云南師范大學(xué)信息學(xué)院，云南昆明 650092）

0 引言

目前，全國高師院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)類課程。在傳統(tǒng)教學(xué)中，該類課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容多以ARM9系列處理器為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則依托三星公司S3C24xx 系列嵌入式芯片來開展。然而，這些內(nèi)容現(xiàn)在已經(jīng)跟不上市場發(fā)展的需求，不能滿足培養(yǎng)適合當(dāng)前市場生態(tài)技術(shù)型人才的需要了。

在傳統(tǒng)嵌入式教學(xué)中，教師通常會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)ARM嵌入式處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其指令集進(jìn)行詳細(xì)講解，但這部分內(nèi)容不僅枯燥難懂，而且在學(xué)完之后學(xué)生仍然不能上手實(shí)踐，這樣會(huì)增加學(xué)習(xí)的挫折感，最終讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)動(dòng)力。此外，在傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)類課程中，仍在使用ADS等軟件作為開發(fā)工具[1]，把ARM嵌入式處理器當(dāng)作一個(gè)高級(jí)的單片機(jī)來進(jìn)行教學(xué)，這與當(dāng)前市場的實(shí)際應(yīng)用情況不相符，當(dāng)前市場更需要的是運(yùn)行操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。

為了解決上述問題，本文提出一種新的教學(xué)方案，通過該方案的實(shí)施，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，同時(shí)也能提高市場對(duì)人才需求的認(rèn)可度。方案的主要內(nèi)容包括：更換學(xué)習(xí)平臺(tái)，依托新平臺(tái)重新調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化基于Linux 操作系統(tǒng)下的嵌入式開發(fā)，在教學(xué)中使用網(wǎng)絡(luò)廣播等多種形式來改善教學(xué)效果，并注重過程性評(píng)價(jià)，改善學(xué)習(xí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)機(jī)制等。

1 重構(gòu)課程內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，不同專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)體系以及側(cè)重點(diǎn)不盡相同，導(dǎo)致課程內(nèi)容也有所差別。例如，電子工程專業(yè)主要側(cè)重于硬件基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)；自動(dòng)化、醫(yī)療儀器、測控等專業(yè)側(cè)重于智能儀器、儀表的設(shè)計(jì)；軟件專業(yè)則側(cè)重于嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)。作為高師院校的計(jì)算機(jī)專業(yè)，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)前教育的實(shí)際狀況，注重對(duì)基本原理的學(xué)習(xí)，并及時(shí)跟蹤市場技術(shù)生態(tài)的變化，不斷調(diào)整課程內(nèi)容，以培養(yǎng)出適應(yīng)當(dāng)前市場需求的技術(shù)型人才。為此，作者以多年從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)和工程項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)前市場主流的技術(shù)生態(tài)環(huán)境，對(duì)高師院校嵌入式系統(tǒng)類課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新梳理。

1.1 重新選擇學(xué)習(xí)平臺(tái)

國內(nèi)高校嵌入式系統(tǒng)類課程，自從21世紀(jì)初逐步開設(shè)以來，都把ARM 系列處理器當(dāng)作了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的對(duì)象，尤其以ARM9平臺(tái)為主要對(duì)象。這在當(dāng)時(shí)幾乎是唯一的選擇，三星公司的S3C2410芯片甚至一度成為嵌入式系統(tǒng)的代名詞。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來伴隨著智能手機(jī)市場的快速興起，有力地推動(dòng)了嵌入式領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。以嵌入式處理器為例，一大批功能豐富、功耗更低、速度更快、價(jià)格更便宜的芯片陸續(xù)投放市場。最近幾年還出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的國內(nèi)自主研發(fā)的嵌入式芯片，大大擴(kuò)寬了教學(xué)上可選擇的范圍。

經(jīng)過比較驗(yàn)證，權(quán)衡價(jià)格之后，本課程選定了NXP 公司的單核嵌入式芯片I.MAX6ULL 作為教學(xué)對(duì)象。該芯片基于較新的Cortext-A7 內(nèi)核架構(gòu)，曾被蘋果公司廣泛應(yīng)用在IPad 及IPhone 等系列產(chǎn)品中。針對(duì)該芯片，選擇了“廣東東莞野火電子有限公司”推出的嵌入式開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，型號(hào)為“I.MAX6ULL S1 Pro”[2]?；谠撈脚_(tái)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到一些較新的技術(shù)，包括移植較高版本的Linux 內(nèi)核及BootLoader，使用新型的文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電容觸摸屏等，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)能緊跟當(dāng)前市場的技術(shù)潮流。

新教學(xué)平臺(tái)的使用，徹底淘汰了三星S3C2410平臺(tái)。因此，原有的教學(xué)內(nèi)容也需要隨之改變，淘汰ARM9 架構(gòu)體系的教學(xué)內(nèi)容，重新構(gòu)建Cortext-A7 架構(gòu)體系的教學(xué)內(nèi)容。

1.2 重新構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)類課程所涉及的教學(xué)內(nèi)容較多，如何進(jìn)行合適的選擇，是決定教學(xué)效果好壞的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，一般都會(huì)追求內(nèi)容的全面而缺乏針對(duì)性，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生感覺似乎內(nèi)容都學(xué)到了卻又什么都做不了。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的應(yīng)用型課程，應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，本課程有針對(duì)性地選擇了與實(shí)踐緊密相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，除此以外的知識(shí)點(diǎn)作為補(bǔ)充和自學(xué)。兩者側(cè)重點(diǎn)不同卻又相輔相成，共同構(gòu)建出嵌入式系統(tǒng)類課程的總體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上分析，新構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容需要拆分成必學(xué)和選學(xué)兩部分，以下是必學(xué)部分的內(nèi)容[3]。

1）Linux基本命令。該內(nèi)容是后續(xù)學(xué)習(xí)的基本保證，如果學(xué)生之前課程已學(xué)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容，可酌情刪減或改為自學(xué)。

2）開發(fā)環(huán)境搭建。該內(nèi)容是確保學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，可根據(jù)學(xué)生自己電腦環(huán)境的不同而有所區(qū)別。

3）Linux 下C 語言的編程及交叉編譯。該內(nèi)容讓學(xué)生熟悉Linux 下的C 語言編程。以前學(xué)生學(xué)習(xí)的C語言程序基本上是在Windows下運(yùn)行的，現(xiàn)把編程環(huán)境轉(zhuǎn)換到了Linux下，要讓學(xué)生重新熟悉編程環(huán)境，同時(shí)要掌握程序的交叉編譯方法。

4）Linux 內(nèi)核的配置、裁減和移植。該內(nèi)容讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)的基本概念，并通過對(duì)內(nèi)核源代碼的裁剪和編譯，定制出自己需要的操作系統(tǒng)。

5）BootLoader的配置和編譯。該內(nèi)容僅讓學(xué)生了解BootLoader 的基本原理及其制作過程就可以了，不必深入探究。因?yàn)橐话闱闆r下，BootLoader 會(huì)由芯片廠家的BSP提供支持。

6）根文件系統(tǒng)。該內(nèi)容讓學(xué)生了解根文件系統(tǒng)的基本構(gòu)成和制作過程。同樣也不必深入探究，因?yàn)楦募到y(tǒng)的定制目前可由多款第三方軟件來實(shí)現(xiàn)。

7）Linux下的文件編程。該內(nèi)容是課程的教學(xué)重點(diǎn)之一，要求學(xué)生掌握文件編程的具體方法。如果學(xué)生之前課程已學(xué)習(xí)過Windows下的文件編程，則本部分內(nèi)容可酌情刪減。

8）Linux下的進(jìn)程控制及其通信。該內(nèi)容是課程的教學(xué)重點(diǎn)之一，要求學(xué)生掌握進(jìn)程控制及進(jìn)程間通信的相關(guān)技術(shù)。在課時(shí)允許的情況下，可加入多線程編程的內(nèi)容。

9）Linux下的網(wǎng)絡(luò)編程。該內(nèi)容是課程的教學(xué)重點(diǎn)之一，要求學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)通信的編程方法。如果學(xué)生之前課程已學(xué)習(xí)過Socket編程，則本部分內(nèi)容可酌情刪減。

10）Linux 下的串口編程。該內(nèi)容是課程的教學(xué)重點(diǎn)之一，要求學(xué)生掌握Linux 下串口編程的相關(guān)技術(shù)原理，因?yàn)槟壳昂芏嗲度胧较到y(tǒng)的外圍模塊都以串口形式來進(jìn)行通信。

11）內(nèi)核模塊開發(fā)。該內(nèi)容為驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)作準(zhǔn)備，讓學(xué)生知道內(nèi)核態(tài)程序開發(fā)與應(yīng)用程序開發(fā)的區(qū)別，并深入理解內(nèi)核程序開發(fā)的框架和流程。

12）字符型驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。該內(nèi)容是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中最重要也是最難的部分，需要較多的課時(shí)來保證教學(xué)效果。如果課時(shí)有余量，還可以增加“塊型驅(qū)動(dòng)程序”開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容。

13）Qt界面程序開發(fā)。該內(nèi)容讓學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)中常用GUI的開發(fā)過程。它需要學(xué)生具備C++編程的相關(guān)知識(shí)，教學(xué)上可以通過幾個(gè)典型的案例來進(jìn)行講解[4]。此外，本部分內(nèi)容也可視教學(xué)的實(shí)際情況，更換為安卓或鴻蒙。

以上13項(xiàng)必修內(nèi)容需要在課堂上進(jìn)行講授，同時(shí)配合相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鍛煉并加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

以下是選學(xué)（自學(xué)）部分的內(nèi)容：

1）嵌入式系統(tǒng)概述。該內(nèi)容屬于概念性知識(shí)，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的定義及其應(yīng)用領(lǐng)域等，可以安排學(xué)生自學(xué)。

2）CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其指令集。該內(nèi)容實(shí)際上是介紹嵌入式芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其指令系統(tǒng)。把這部分內(nèi)容留給學(xué)生自學(xué)，一是考慮到學(xué)生之前學(xué)習(xí)過單片機(jī)技術(shù)，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)方法與單片機(jī)大同小異；二是在后續(xù)開發(fā)實(shí)踐中，基本都是在Linux操作系統(tǒng)中進(jìn)行的，除了驅(qū)動(dòng)開發(fā)之外，使用到該部分內(nèi)容的時(shí)候很少，所以可以安排學(xué)生自學(xué)，在講授到驅(qū)動(dòng)開發(fā)部分時(shí)，再強(qiáng)化一下就可以了。

3）C++語言。該內(nèi)容在Qt開發(fā)時(shí)會(huì)用到，考慮到學(xué)生之前已學(xué)習(xí)過C 語言，所以也把它也留給學(xué)生自學(xué)。

對(duì)于以上選學(xué)部分的內(nèi)容，可以讓學(xué)生通過多種途徑進(jìn)行學(xué)習(xí)。比如，教師提前布置任務(wù)，讓學(xué)生利用假期的時(shí)間進(jìn)行自學(xué)；或教師提前錄制網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻，讓學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)等。

1.3 強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)

目前的嵌入式系統(tǒng)可分為運(yùn)行操作系統(tǒng)和不運(yùn)行操作系統(tǒng)兩種類型。本課程采用當(dāng)前市場上較為流行的方案，即運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)的方式來開展教學(xué)。其原因有三：一是市場方面，除了條件非?？量痰暮娇蘸教臁④姽の淦鞯阮I(lǐng)域外，在民用級(jí)消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品還是以運(yùn)行通用操作系統(tǒng)為主；二是依托操作系統(tǒng)來進(jìn)行程序開發(fā)，相對(duì)于直接在芯片上開發(fā)應(yīng)用程序要方便得多，無論是開發(fā)效率還是程序的可移植性都比較高；三是在開發(fā)功能較多、較為復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí)，通過操作系統(tǒng)的支持會(huì)讓開發(fā)過程變得更加便利和高效。

基于上述原因，本課程加強(qiáng)了學(xué)生在Linux 操作系統(tǒng)下的開發(fā)能力。在教學(xué)上重點(diǎn)講述Linux基本命令、Linux 下的程序開發(fā)、Linux 下字符型驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、Linux 按鍵中斷程序、Linux 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)以及Linux 內(nèi)核定制等相關(guān)內(nèi)容，為學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)提供必要的理論和技術(shù)支持。

2 創(chuàng)新教學(xué)方法

對(duì)于工程類課程的教學(xué)，提倡運(yùn)用培養(yǎng)“工匠精神”的教學(xué)模式[5]，即邊學(xué)邊做的模式。從作者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，如果僅通過傳統(tǒng)多媒體課堂教學(xué)形式來開展教學(xué)，效果不會(huì)很好。其原因有二：一是本門課程多數(shù)時(shí)候都在給學(xué)生講解程序。在多媒體教室中，學(xué)生僅通過一塊投影屏幕來觀看整個(gè)教學(xué)過程，確實(shí)有困難。程序畢竟不同于文字和圖片，成百上千行的代碼不僅要一點(diǎn)點(diǎn)講解清楚，還經(jīng)常需要進(jìn)行編譯、運(yùn)行等操作演示，在投影屏幕不大、分辨率不高的情況下，學(xué)生很難看清楚演示的具體內(nèi)容。二是在教師進(jìn)行講解的時(shí)候，學(xué)生只能被動(dòng)地看，不能跟著教師進(jìn)行同步實(shí)踐操作。等到實(shí)驗(yàn)課再去進(jìn)行操作實(shí)踐時(shí)，很多講過的內(nèi)容已經(jīng)記不清楚了。

本課程的教學(xué)直接在實(shí)驗(yàn)室中使用電腦網(wǎng)絡(luò)廣播教學(xué)的方式來開展，讓學(xué)生跟著教師同步進(jìn)行操作。這樣能有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐成功率，具體過程如下。

1）學(xué)生兩人一組，方便討論及協(xié)作。每組配備一臺(tái)電腦、一塊嵌入式開發(fā)板及相關(guān)實(shí)驗(yàn)工具。

2）教師使用的電腦要能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)廣播教學(xué)[6]。同時(shí)可配備一個(gè)攝像頭，把教師在嵌入式開發(fā)板上的操作情況實(shí)時(shí)廣播到學(xué)生端，讓學(xué)生能同步看到教師的演示效果。

3）教師配備麥克風(fēng)，教室內(nèi)配備功放和音箱，確保每組學(xué)生都能清晰地聽到教師的聲音。此外，為了防止音響嘯叫，還可配置一臺(tái)音頻移頻器。

4）教師把講授的內(nèi)容進(jìn)行分解，在講解演示完成之后及時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行操作，并檢查每組學(xué)生完成的情況，及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題。

5）教師授課時(shí)可采用錄屏軟件，把操作講解的內(nèi)容錄制成視頻，課后分發(fā)給學(xué)生或上傳到視頻網(wǎng)站，讓學(xué)生在課后也能進(jìn)行學(xué)習(xí)，有利于鞏固所學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

通過以上教學(xué)方法的改革，采用“手把手”的工匠教學(xué)模式，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，保證學(xué)習(xí)了質(zhì)量。在條件允許的情況下，還可以開放實(shí)驗(yàn)室或把嵌入式開發(fā)板借給學(xué)生，讓有興趣的學(xué)生在課余時(shí)間也有條件繼續(xù)學(xué)習(xí)。

綜上所述，教學(xué)方法改革其實(shí)就是把理論課與實(shí)踐課有機(jī)地結(jié)合起來，保證足夠的課時(shí)，讓學(xué)生能夠邊學(xué)邊做，遇到問題及時(shí)解決，課后還能反復(fù)觀看教學(xué)錄像，保證了學(xué)習(xí)質(zhì)量。通過這樣的教學(xué)形式，只要學(xué)生具備學(xué)習(xí)上的內(nèi)生動(dòng)力，就肯定能夠取得較好的學(xué)習(xí)效果。

3 改革教學(xué)評(píng)價(jià)方式

傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)一般采用考試方式，但卷面考試方式只適用于考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的記憶程度及分析理解能力，并不適合用來檢測學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。對(duì)于應(yīng)用型的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，特別是對(duì)于像嵌入式系統(tǒng)開發(fā)這類課程，應(yīng)該側(cè)重于考查學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，即對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)能力，而不是對(duì)知識(shí)的記憶和分析能力。

基于上述原因，本課程采用設(shè)計(jì)作品的方式來進(jìn)行期末評(píng)價(jià)，具體過程如下：

1）教師提前兩周發(fā)布期末考查題目，讓學(xué)生有充分的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備。

2）在題目中詳細(xì)給出作品設(shè)計(jì)的具體要求，從環(huán)境的搭建開始，內(nèi)容涵蓋學(xué)習(xí)過的所有知識(shí)點(diǎn)，并量化好各知識(shí)點(diǎn)的評(píng)價(jià)分值。

3）學(xué)生先完成作品的設(shè)計(jì)制作，在調(diào)試完成后撰寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容涵蓋作品的創(chuàng)意、需求分析及整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

4）要求學(xué)生對(duì)自己的作品進(jìn)行演示錄像，錄制的視頻作為其中一項(xiàng)評(píng)分依據(jù)與設(shè)計(jì)報(bào)告一起提交。

5）最后要求學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場答辯，在演示自己作品的同時(shí)能夠回答教師及其他同學(xué)提出的問題，并能夠按照教師提出的要求對(duì)作品進(jìn)行現(xiàn)場修改。

6）學(xué)生最后的期末成績依據(jù)上述各項(xiàng)量化指標(biāo)給出分?jǐn)?shù)，做到客觀、公平、公正、公開。

此外，除了對(duì)學(xué)生的期末作品進(jìn)行評(píng)價(jià)之外，還應(yīng)注重對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，即過程性評(píng)價(jià)[7]。本課程的過程性評(píng)價(jià)由三部分組成：一是學(xué)生平時(shí)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；二是學(xué)生的考勤記錄；三是期中考試的成績。這樣做的目的主要是考慮到對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)的多樣性、綜合性，讓評(píng)價(jià)體系顯得更加客觀合理。

本課程的最終成績?cè)u(píng)定采取“對(duì)半開”的形式，即過程性評(píng)價(jià)占比50%，學(xué)期末考查占比50%。這樣做的目的是強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程的重要性，對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)階段所做努力的認(rèn)可，同時(shí)也兼顧了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的能力。

4 結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐證明，通過上述教學(xué)改革實(shí)踐，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣明顯提升。在改革前學(xué)生期末試卷考核的平均分為70分，且在課程結(jié)束后基本上就無人再過問課程的內(nèi)容。通過教學(xué)改革之后，不僅考核的平均分提高到了80分，更重要的是學(xué)生建立了長久的學(xué)習(xí)興趣。有學(xué)生申報(bào)了學(xué)校科研訓(xùn)練項(xiàng)目，并參與了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)教材的編撰工作。有學(xué)生主動(dòng)報(bào)名參加全國大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽，并取得了較好成績。有學(xué)生在實(shí)習(xí)就業(yè)時(shí)選擇了從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面的工作，其掌握的知識(shí)技能也與用人單位的招聘條件基本相符，教學(xué)改革達(dá)到了預(yù)期目的。