基于项目驱动的嵌入式设计与开发教学改革实践

王晓强 刘志强 庄旭菲

摘 要：以内蒙古工业大学计算机科学与技术专业培养目标为依据，结合“卓越工程师”培养目标，以培养学生的学习兴趣、增强学生的工程实践能力和专业应用能力为目标，课程组分析了嵌入式系统开发相关课程之间的关系，建立了嵌入式方向的课程体系；通过项目案例设计，将知识点贯穿于项目中，突出教学重点，注重实践教学，对教学模式进行了相应的改革和探索。

关键词：项目驱动；嵌入式设计与开发；教学改革

随着微处理器技术的飞速发展，嵌入式系统在工业控制、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪表、汽车制造等众多领域得到了广泛应用。嵌入式系统成为当前最热门、最有发展前途的IT应用领域之一。学习嵌入式系统技术具有较好的市场前景。但嵌入式是软硬件结合的技术，且该领域发展太快，学习掌握相关知识和技术的难度较大。采用传统的教学方法教学，学生难以全面掌握嵌入式系统的开发技术。

2014年，我校计算机科学与技术专业嵌入式方向获批开设“卓越工程师培养计划”，目标是培养适应经济社会发展的应用型人才，提升人才培养质量，落实到本专业就是培养动手能力强的高素质嵌入式应用系统开发人才。教师必须对以前的教学方法进行改革，尝试引入项目驱动教学法。项目驱动教学法具有针对性（针对具体工程项目），教学中将“项目引导、任务驱动”的教学模式引入嵌入式设计与开发课程，将过去以传授知识为主的传统教学理念转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式教学，有利于实现教学目标。

一、嵌入式方向课程体系建设

嵌入式系统课程体系的建设目标是构建完整的嵌入式开发知识体系，增强学生的实践开发能力。知识体系建设基于目前流行的ARM架构展开，开设了计算机组成与结构、嵌入式系统及应用、嵌入式操作系统、嵌入式设计与开发、单片机、移动应用开发等相关课程。

1.嵌入式设计与开发相关课程设置。嵌入式设计与开发不是一门单独的课程，而是一个课程体系。嵌入式设计与开发课程体系由三部分内容组成：一是基于ARM的嵌入式系统，包括ARM架构、ARM汇编、基于C的ARM裸机编程；二是嵌入式Linux操作系统，包括Linux操作系统原理、基于ARM的Linux系统移植、驱动程序开发；三是基于嵌入式Linux的应用开发，包括进程控制、进程间通信、多线程、网络程序设计。在学习相应技术内容时，要配合学习对应的开发工具，目的是培养学生的适应能力。这样学生在毕业时能够将所学内容直接应用到工作中，实现无缝对接。嵌入式设计与开发课程体系设置如表1所示。

2.相关实践类课程设置。实践类课程的开设是对上述课程的综合利用，是对每一个知识环节的综合性实践训练，包括计算机组成与结构课程设计、嵌入式项目基础实训、嵌入式项目综合实训、软件项目综合实训、移动终端项目实训及毕业设计等教学环节设置。对应的实践课程设置如表2所示。

表2 嵌入式设计与开发实践类课程设置

二、课程教学模式改革

为了更好地完成嵌入式设计与开发相关课程的教学任务，提高教学质量，培养工程型、实用型和复合型高级技术人才，笔者提出了基于项目案例驱动的教学改革措施。

1.明确教学目标，突出教学重点。嵌入式设计与开发课程在嵌入式课程体系中起到了承上启下的作用，是系统软硬件结合的关键。在嵌入式系统开发中，软件开发占比70%以上，既包括驱动程序设计，也包括终端应用软件的设计，还有与上层服务端软件的通信，起到上传下达的核心作用。因此嵌入式设计与开发的教学重点应该放在基于Linux操作系统的软件开发技术上，要求学生明确理解每部分教学的重点以及其在具体项目中的应用点。嵌入式设计与开发的教学重点：（1）嵌入式Linux开发环境的搭建。理解嵌入式交叉编译环境，能够熟练使用GCC、GDB进行程序的编译和调试，能够使用Makefile对工程项目进行管理。（2）系统级开发技术。围绕进程控制、进程间通信、多线程展开。进程是应用程序的入口，进程间通信可实现各模块之间数据传输，多线程主要用于处理同时进行的数据采集应用。（3）应用级开发技术。主要是网络通信程序、基于QT的GUI图形界面程序设计。网络通信是终端数据采集上传的通道，GUI图形程序设计解决终端人机交互问题。

2.引入项目案例，贯穿于每个知识点。嵌入式设计与开发课程引入项目案例驱动，将课程教学重点与具体的项目结合，突出每个知识点在项目中的具体应用。项目案例设计基于农业信息采集控制系统展开，以农业信息采集控制系统设计开发过程为主线，对项目开发中不同阶段所需要的相关技术进行详细讲解，然后对该技術在农业信息采集控制系统中的应用方法进行回归。学生可在理解教学知识点的同时，掌握该知识点在项目中的应用方法，并在课程结束后的实训环节独立完成一套类似于课程项目的应用系统，以此提高其实践动手能力。在教学中，教师在每一章节都会介绍本章知识点，以及知识点在项目中的具体应用。例如：文件编程的知识点为掌握文件描述符和系统调用的概念，掌握基于文件描述符的文件I/O操作，嵌入式Linux中的串口应用编程方法；项目应用点是实现对农业信息采集控制系统如温湿度、大气压强设备、GPS等采集设备的访问，从而获取采集到的信息。最后通过实例给出实际项目中的设计与程序实现，突出知识点的具体应用。

3.课程与综合实训相结合，提高学生项目实践能力。为了提高学生的项目实践能力，在开展项目案例驱动教学改革的同时，引入相关的嵌入式项目综合实训课程，以嵌入式操作系统、嵌入式设计与开发课程为基础，进行为期2周的项目实训。实训内容与课程中讲授的农业信息采集控制系统类似，但又有不同的侧重点。如2014级学生嵌入式项目综合实训题目设置为环境数据采集控制系统设计实现、运动状态监测系统设计实现、安防应用系统设计实现等。通过实训，学生对所学的嵌入式开发相关知识进行综合应用，实践能力得到了提高。

4.考核体系建设。嵌入式设计与开发课程考核体系的改革也必须同时进行。嵌入式开发课程对实践环节的要求较高。如何合理评价学生的学习效果，一直是教改研究的重要内容之一。项目实训一般以答辩形式进行，答辩结合报告给出成绩。在改革中，我校引入设计方案考核机制，将考核分为：出勤（10%）、需求分析及设计方案（20%）、答辩（40%）和报告（30%）4个环节，新增需求分析及方案设计考核，让学生对设计内容有全面的分析理解过程。而且设计方案考核引入答辩机制，如果方案设计不合理，则不能进入设计开发环节，有效提高了学生设计的效率。

三、结论

我院2014年开始进行基于项目驱动的嵌入式设计与开发课程教学改革，经过两年的实践，项目案例不断完善，2016年出版了教材《基于项目驱动的嵌入式Linux应用设计开发》，取得了较好的教学效果。学生对嵌入式相关课程有了更加明确的认识，学习兴趣明显提高，动手能力明显增强。在相关的课程设计中出现了一批优秀的作品，师生积极参加嵌入式和机器人竞赛，并取得了优异的成绩。基于项目驱动的教学改革对任课教师来讲有较大的教学难度，需要我们不断收集素材，改革和完善项目案例，满足知识点对项目案例的需求，不断增强教学效果。

参考文献：

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注：“嵌入式设计与开发”项目案例驱动教学改革研究（项目编号：2014206）；计算机专业卓越计划人才培养的研究与实践（项目编号：2014205）。

作者简介：王晓强（1978— ），内蒙古凉城人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统、图形图像处理、软件工程、项目管理。

（责任编辑：黄天骏 庄 源）