基于仿真环境的嵌入式RTOS 翻转课堂教学研究

桑胜田，李晓明，蒋明，谭晓昀

（哈尔滨工业大学 微电子科学与技术系，黑龙江哈尔滨 150001）

嵌入式实时操作系统（Real-time Operating System,RTOS）是嵌入式软件课程教学的重点和难点。由于RTOS 具有结构复杂和实时性强的特点，需要有效的教学工具来展示其内部结构和工作原理；RTOS 的知识内容繁杂，目前的教学手段无法满足授课内容广度和深度的要求，亟待进行教学环境和教学模式的改革。

1 RTOS 教学的现状和挑战

嵌入式实时操作系统是十分复杂精巧的系统软件程序，其内部使用了多种数据结构和算法，这是嵌入式软件的核心技术内容之一，对其结构和机理的剖析是嵌入式软件课程教学的重点和难点。

第一，RTOS 课程缺少能充分展示系统细节和动态过程的教学手段。目前在国内外嵌入式系统相关的教学中，RTOS 部分都是以理论讲解结合程序代码分析为主。教学工具主要有两种：一种是用PPT 课件中的动画来展示软件关键部分的结构和过程；另一种是在硬件开发板上实验操作。这两种方式都存在明显的缺点。课件中的动画通常是局部的展示，只能演示预先设定的步骤，完整性和真实性有限；在硬件上的实验则可观测性不强，无法直观观察和剖析系统内部的细节和过程。

软件可视化是近年来计算机软硬件教学中开始采用的工具。康奈尔大学[1]和成功大学[2]的学者在数据结构和算法课程中开发了可视化教学环境，可以动态交互式展示数据结构和算法工作过程。但这些工具仅支持单独数据结构和算法模块的演示和教学。RTOS 包含多种复杂数据结构和算法，其教学的挑战性超过算法课程中单一数据结构知识点的讲授。

软件仿真技术能够很好地展示系统内部复杂结构和微妙的动态过程。瑞士洛桑联邦理工学院的Morten B.Petersen 开发了微处理器可视化仿真软件Ripes[3]，用于计算机硬件微结构的教学。此外，吴海青等人基于Proteus 仿真环境开展了单片机实践教学[4]；张蓓等人则采用电路仿真技术开展传感器及电路教学[5]。这些尝试展示了可视化仿真技术在复杂系统教学中的潜力[6-8]。

第二，RTOS 知识复杂，教学信息量大，难以在课程中充分展开讲解。嵌入式实时操作系统不仅管理计算机的硬件资源和支持应用程序运行，而且对运行时间精度和可靠度的要求都极高。由于嵌入式RTOS 知识信息量大，通常受课程容量限制，难以对这些内容展开充分讲解。翻转课堂的教学形式则能充分利用课堂内外的时间，扩展课程容量[9-11]。

第三，对于学生来说，现有的RTOS 教学和实验缺少交互性和学习自主性。无论采用PPT 课件的形式还是采用硬件实验板的方案，都不支持远程在线自主学习。因此，针对实时操作系统教学的特殊性，使用有效的工具，适当结合翻转课堂的形式，可满足授课和实验中学生自主学习和探索式学习的需求[12]。

因此，本文提出在RTOS 教学时采用嵌入式软硬件仿真、可视化和交互式展示软件结构和动态过程的教学工具和方法，结合该教学工具和翻转课堂模式，以开放式自主学习结合课上讲授增加课程信息容量，使学生开展互动式、探索型自主学习。

2 基于云平台的可视化仿真教学环境开发

为支持翻转课堂教学模式，针对嵌入式实时操作系统的特点和教学要求，研究了适合云平台和在线教学的仿真技术，开发了能够交互式探索RTOS 内部数据结构的可视化教学平台。该平台不仅可以用于学生课下自主探索式学习，也可以用于课上教师授课和师生互动研讨。仿真平台是本教学改革依托的技术基础，也是教学改革的重点工作之一。

首先，开发云端仿真引擎，实现了脱离硬件实验器材的处理器仿真模拟器，开发了用于操作系统仿真状态捕获的框架，为人机交互界面提供仿真数据。然后，研究了呈现实时操作系统运行信息的交互方法，开发了基于Web 的数据结构图形和动画界面。这里，重点考虑了用户控制输入采集和回传程序，设计开发与后端进行信息传递的通信协议，优化数据量和提高响应速度。

该平台具有如下特点和优势：

（1）仿真教学环境具有真实性、完整性和交互性特点：采用与真实系统结构一致的“硬件+RTOS”的技术方案，运行真实完整的操作系统软件，不仅能观察软件工作过程，而且可以揭示软件与硬件交互的细节。相对于现有的预定PPT 动画，本系统呈现的是真实系统，具有信息全面，内容丰富、交互性强的特点，可进行开放式探索学习。

（2）提供全方位洞察功能和从宏观到微观的揭示功能：本系统仿真实现的虚拟处理器，能以真实硬件洞察系统内部状态和变化过程，可以在时间和空间维度上进行比例缩放；基于云计算技术的在线使用方式，只需使用浏览器，即可在各种操作系统和电脑、平板等设备上运行，全面支持学生自主学习[13]。

最终实现的可视化交互仿真平台，界面如图1 所示。

3 基于交互式仿真环境的翻转课堂教学设计

有了交互式仿真教学环境，课题组提出了基于场景的翻转课堂教学设计。基于实际应用中嵌入式RTOS 系统角色和功能场景，拆解关键知识点，组织翻转课堂教学的任务主题，安排课下学习和课上活动。综上，课题组设计的总体方案如图2 所示。

图2 翻转课堂的教学模式

其中核心部分是交互式仿真教学环境软件系统，教师面向该系统设计基于场景RTOS 学习的教学任务、教学方案和实验活动；学生以该系统为工具，展开探索型自主学习和实验，同时以该系统为媒介和工具开展课堂互动。

交互式仿真教学环境又分为仿真执行引擎和交互式操作界面，仿真执行引擎的任务是忠实地仿真嵌入式硬件和软件的执行；交互式操作界面则要以直观易用的方式呈现状态信息、在用户控制下反馈仿真系统的状态视图。

教学方案包括任务设计和任务布置，将RTOS 教学按照专题分解教学任务，组织设计成学习场景。例如在uC/OS-II 实时操作系统[14]教学中，将RTOS 的知识点拆解为系统初始化、任务创建、任务调度、任务间通信、优先级反转等9 个场景。教师围绕这些场景，将任务布置给学生自主学习，待学生返回课堂，再针对这些场景进行课堂讨论和师生互动。

学生按照任务自主开展RTOS 学习活动，这里的任务并非详细的实验步骤，而是基于场景的探索式交互学习。学生根据学习和实验，形成课堂互动反馈，围绕RTOS 系统的关键结构和原理，借助教学仿真软件的可视化场景，使核心知识学习更具象，探索学习活动目标更明确。

4 课程改革实践与效果

哈尔滨工业大学基于教学改革整体方案，开发了运行在云平台的ARM Cortex-M0 处理器的仿真引擎，并基于该程序实现了微控制器硬件仿真系统。经测试验证，该仿真系统可以正确执行标准编译器生成的LPC1100 单片机的软件和RTOS 系统及上层应用程序。

哈尔滨工业大学依托微电子专业本科专业课程嵌入式软件、嵌入式系统及应用，于2021 年秋季学期和2022 春季学期分别进行了教学试验，按照课程大纲讲授uC/OS-II 实时操作系统。在两次试验中，大部分学生完成了预定的课下学习任务，参加了课上研讨。与原有教学方案相比，学生对知识点的掌握均有所加强，并且学生对相关内容学习兴趣更强，能够主动提出问题并进行解答。

5 结语

本文针对嵌入式RTOS 教学的难点，结合云计算和交互式仿真技术，实现嵌入式系统实时仿真和交互式探索学习的软件环境，并引入翻转课堂教学模式。教学设计中教师将重要知识点组织成自主学习的场景，根据场景布置专题学习任务；学生课下进行自主学习，实验观察和探索；课上师生讨论，教师讲解，实现教学目标。本文提出的工具和方法对提升教学效果和提高教学互动性都有重要意义。

交互式可视化环境的功能和易用性能够有效提升课程教学效果。一旦交互式可视化仿真环境开发完成，基于该环境，教师可以进行其他课程的教学设计和开展形式多样的教学活动。