项目化嵌入式教学的开发系统平台构建

钱丹浩

(南京化工职业技术学院,南京210048)

引 言

嵌入式系统的广泛应用及其良好的发展潜力催生了企业和社会对嵌入式系统人才的需求,越来越多的在校大学生、企业工程师和相关技术人员也都加入了嵌入式系统的学习大军,许多教育科研单位和相关培训机构都在开展或计划开展嵌入式系统的教学与培训工作。但是如何开展嵌入式系统的“教”与“学”,以及通过什么样的开发平台进行知识的学习和应用,作者经过调研、分析,总结出当前普遍存在的问题:

第一,高校、高职院和企业培训机构一般都采用理论与实践相结合的教学方法进行授课,并且实践课时数一般要低于理论课时数,并没有从学校层次、学生的学习能力、以及实践开发平台的复杂性等方面加以区分。教学没有层次性和针对性,效果不为理想。

第二,嵌入式系统不是一门独立的学科,它既与计算机专业课程有关,也与电子、通信、自动化等诸多学科的课程有关,在具体应用时还牵涉到相关的应用背景。然而在具体教学时,并没有从专业的角度来进行课程分析与设计,以满足计算机、电子、通信和自动化等不同专业背景的学生对嵌入式学习的需求。

第三,嵌入式系统是一门应用性很强的技术类课程,学生动手能力的培养是嵌入式系统教学过程中的一个非常重要的环节,而当前的教学实验平台基本上都是基础性的验证实验学习,没有与实际工程应用结合起来。学生在做完实验之后,动手能力依然欠缺,还是不具备独立开发的能力。

可见,采用新的教学模式和开发平台对嵌入式系统教学的诸多问题实施改革势在必行。对嵌入式系统进行教学改革必须根据其课程特性,建立一种学习与工作相结合的教学模式和课程设计理念。为此,作者采用当前高职教育的“项目化的”、“基于工作过程系统化的”教学模式,对嵌入式系统的课程进行重新设计。具体而言,是以“专业项目模块”为载体,采用任务驱动的方法,通过老师和学生的共同参与来进行教学活动。在此基础上,通过对专业项目模块的学习和使用,最终实现对嵌入式系统这门技术的掌握。

1 相关支撑理论

“项目化教学”其实是一种新的教学模式,是“行动导向”教学法的一种,是以“项目”为中心,老师和学生一起通过实施一个完整的项目而进行的教学活动,它要求将规定的教学内容和学生的专业能力培养在有限的课时内完成,并且在项目结束后会产生一个较完整的作品。其特点是:项目载体,任务驱动,学生主体,素质渗透,工学结合;学生各种能力的训练、素质的培养、知识的运用,全部体现在项目完成过程之中。其主要实施流程如图1所示。

通过这5个流程,实现了传统教学中以教师为中心到项目化教学中以学生为中心的转变,以课本为中心到以项目为中心的转变,和以课堂为中心到以实际开发应用为中心的转变,让学生做

学习的主人。这样不但能让学生更好地理解所学的知识、技能及一般的项目开发流程,同时能全面培养学生的创新思维和创新实践能力。

“项目化教学”对老师而言最大的挑战是:如何进行“项目”设计。因为没有项目,就没有教学内容,也就不可能进行项目化教学。因此对老师而言,必须实行“教学项目制”的教育改革,走工学结合、校企合作的道路。教师要从企业应用实际出发,分析构建项目模型、项目内容、项目实施流程,以及完成项目所需的知识、能力、素质等。同时教师还要根据多年教学经验对这些资源进行归纳和整理,设计出技术难度由浅入深、技术含量由少到多、自主学习逐步加大、对学生综合能力不断提高的阶梯式项目课程。这种产学结合的教学项目不仅能完全再现企业操作的流程,而且能极大地调动学生的学习热情和创新能力,让学生真正了解到“学什么,为什么学,怎么学”。

对嵌入式教学而言,实行项目化教学是必由之路。一方面,嵌入式是一门应用性很强的课程,它强调软硬件的集成、强调系统的分工与协作,对这些比较抽象的理论,采用项目化的方法进行教学,学生很容易接受;另一方面,嵌入式系统内容多、范围广、层次深,采用传统的教学方法学生很难建立起整个系统的概念。在硬件上仅仅是认识了某个嵌入式处理器和它的存储器结构、接口等,软件上也只是了解到某个操作系统的相关特点和移植等,具体实验时仍然是输入程序、验证结果,最后依然没有达到实际工作的能力需求,没有真正掌握嵌入式系统。

所以,“工欲善其事,必先利其器”。要实施嵌入式系统的项目化教学,必须以项目化的教学理念为主导,解剖嵌入式系统,并以此为基础,重新设计出一套适合于当前高等院校嵌入式系统项目化教学所必需的开发系统平台,来满足老师的嵌入式系统项目化教学,以及学生的项目化模块训练等学习内容。

图1 项目化教学实施流程

2 系统平台的构建方案

当前一般的嵌入式系统教学开发平台,不管是基于ARM 7、ARM 9还是XScale的,其教学和实验的方法都沿用了传统的单片机或微机原理的方式,这对于学习嵌入式和掌握嵌入式总体设计是一个很大的难题。嵌入式ARM不同于单片机,后者系统简单,绝大部分情况一个人就可以完成整个系统设计;嵌入式系统强调模块分工,强调项目合作等,这需要学生不仅仅掌握相关的技术,还需要对总体项目有一定的了解。

针对这一现状,作者结合当前高职院校推行的项目化教学理念,提出了项目化、模块化的设计方案,构建了嵌入式系统的项目化教学开发平台,解决了目前嵌入式系统教学中的诸多问题;另一方面,该平台具备灵活的扩展性,可在以后的几年内依然保持领先的地位,不会因为技术的发展而过时。

因此,嵌入式的项目化教学开发系统平台的构建,设计时应考虑下列原则:

①扩展性原则。系统采用ARM 9+Linux的开发模式进行设计,采用先进的技术架构和开发模式,便于扩展开发。客户可根据自身需要,按自己的意愿进行修改或增加新的功能模块。具有开放性的原则可以给客户一个最适合自己的教学开发系统平台。

②项目化原则。系统的任何一个模块,都必须以项目化的形式出现。项目模块的构建主要包括项目的选取、设立、形成和开发都必须是符合实际的项目开发流程,提供给老师和学生一个完整的项目开发参考和系统级思维框架,忠实于项目化教学理念。

③专业性原则。由于开发平台是为不同专业的学生服务的,因此每一个专业模块都必须建立在该专业的基础知识上,且浅显易懂、常见常用。增加学生兴趣,快速入门。

根据上述3个指导原则,作者针对各学科专业特点,结合嵌入式在该专业中的应用及项目化教学理念的思考,设计出与专业对应的项目模块,满足不同专业用户对嵌入式学习的需求,具体如下:

针对应用电子专业——ZigBee模块;

针对自动化专业——GPS模块;

针对机电一体化专业——电机模块;

针对电气自动化专业——电压转换模块。

其总体构成可表现为:嵌入式教学开发平台=通用硬件平台+通用软件平台+项目化专业模块群。

图2为作者构建的嵌入式项目化教学开发平台的总体方案设计。它主要由通用硬件平台、软件平台、及项目化的专业应用模块群三个部分组成。其中通用硬件与软件平台是整个系统的主体,而项目化的专业应用模块群则是整个系统的主导。

图2 嵌入式项目化教学开发系统平台结构

在嵌入式项目化教学开发平台的构建中,通用硬件平台是系统软件的运行环境,也是项目化专业应用模块构建的基础。通用硬件开发平台主要由以下几部分组成:微处理器(ARM架构)、内存、外存和外围设备。此外,还包括一些常用的标准接口,如UART、USB、I2C、SPI等。对硬件平台设计作如下规划:

①根据系统外围设计的需求情况,选择一款含ARM 9核的微处理器芯片。选择时,要综合考虑其性能、功耗、价格、开发难度和技术支持等因素。

②围绕ARM 9核芯片构建通用硬件开发平台,注重其整体性能。

③在硬件平台上扩展相关功能接口,如UART、USB、ADC等。

3 开发系统的硬件架构

在通用硬件平台设计规划的基础上、结合总体方案构思,作者更进一步地设计出嵌入式项目化教学开发系统平台的硬件架构,具体如图3所示。

图3 开发系统硬件架构

图3中,ARM 9处理器是整个开发平台的核心部分,完成大部分的数据处理任务;同时ARM 9还分别与4个专业模块通信互连,构成独立的模块子系统,分别实现各自的专业功能,实现嵌入式在该专业的项目应用和教学。此外,作者在构建硬件架构时已预留出足够的相关接口,便于后期更多专业模块的接入。

4 开发系统的软件架构

软件平台是项目化教学开发系统平台的“管理者”,主要由嵌入式操作系统、应用程序和驱动程序构成。其中,操作系统是整个软件的核心,通过它可以实现对各模块及其应用程序的管理和控制。

在进行软件设计时,考虑到项目化教学开发平台的专业模块较多且各不相同,为方便模块开发和接入,软件平台系统将采用层次结构进行设计,如图4所示。从上到下分别是应用层、U I层、系统内核层、引导层和硬件层。当有更多模块需要接入时,只需在用户层加载就可以运行该项目模块,极大地方便了LBE专业模块群的开发;同时这种层次性的架构还有助于开发系统的跨平台移植。

图4 开发系统软件架构

结 语

本文从分析当前嵌入式系统的项目化教学改革和产品开发的需求入手,提出了一种基于嵌入式系统的项目化教学开发系统平台的总体设计方案。基于嵌入式系统的设计特点,以项目化的教学理念为指导,结合当前高校的嵌入式系统教学改革,设计出4个针对不同专业需求的应用模块,从硬件和软件上完成了嵌入式系统项目化教学开发系统平台的构建,实现了对嵌入式系统的项目化教学。

根据项目化理念构建的嵌入式系统项目化教学开发平台与其它嵌入式系统教学开发平台相比,其特色主要体现在:

①采用“项目化教学”的设计理念,便于用户理解和快速入门嵌入式系统,真正实现了“做中学”和“学中做”的教育模式;

②“专业模块”的设置和“专业项目”的学习方式,不但解放了老师,而且方便了不同专业出身和行业背景 的用户对嵌入式系统学习的需求;

③创新型的通用开发平台加专业模块群的设计方案,便于用户根据具体情况,自我选择、自我学习以及自我构建模块的设计与实现;

④模块的构建均以具体的工程应用为基础,直接增加工作经验,理论和实践得到双重提升,具有实际开发的指导意义;

⑤本教学开发平台不但适合于高校、高职院和企业培训机构,还适合于单个嵌入式系统学习者或企业工程师,具有应用范围广、层次深等优点。

[1]姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]刘科,祁春清.职业教育中项目化教学研究与实践[J].职业技术,2008(9):4-5.

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