“新工科”背景下“嵌入式操作系统”课程教学改革研究

庄旭菲 孙海东 张 燕 王海凤 刘志强

1.内蒙古工业大学信息工程学院 内蒙古呼和浩特 010080;2.内蒙古教育招生考试中心 内蒙古呼和浩特 010011

嵌入式系统研究与开发已成为工业4.0的核心技术,而嵌入式操作系统是嵌入式系统的重要软件支撑平台,国内的大部分工科院校计算机科学与技术专业都开设了“嵌入式操作系统”课程。由于传统的“嵌入式操作系统”课程在教学内容、教学模式和考核方式上,已不能适应当前新工科建设对嵌入式系统开发人才的需求,课程教学现状与工程教育认证之间也存在一定的差距,所以“嵌入式操作系统”课程改革势在必行。

1 教学现状和问题分析

1.1 课程体系和教学内容

“嵌入式操作系统”课程是计算机类课程中一门非常重要的专业课程,要想学好该课程,除了需要了解嵌入式体系结构方面的基础知识,还需要了解程序设计基础、数据结构和计算机网络等多方面的知识,如果学生不重视前导课程的学习将会严重影响课程的学习效果。

嵌入式操作系统种类很多,用于教学的有μC/OS-Ⅱ、嵌入式Linux、VxWorks、FreeRTOS等,由于Linux免费、开源,内核可以定制裁剪,具有广泛的硬件支持[1],适合应用在嵌入式系统中,国内的很多高校在教学上都选取嵌入式Linux操作系统。传统的“嵌入式操作系统”课程在教学内容上还存在以下问题。

(1)课程理论基础知识较多,更多偏向嵌入式操作系统内核原理知识和内核源代码讲解,工程实际应用价值较低。

(2)课程以知识点组织教学,虽然条理清晰,但是各个知识点相对比较孤立,而且缺乏实际的工程应用背景,学生学习后,不能理论联系实际应用。

1.2 教学方式

课程传统的教学方式是以课堂的理论课讲授为主,以教师为中心,是纯粹的“填鸭式”教学方式,学生被动接收知识,缺少师生互动,降低了学生的学习主动性,无法体现“以学生为中心”的教学理念;而课程实验只有少量学时,与理论课时间间隔较长,理论与实验脱节,不能够锻炼学生的动手能力,无法提高学生的工程实践能力。

由于嵌入式系统严重依赖于硬件设备,学生只能在少量的实验课上接触到硬件设备,学生无法在课下进行实际的硬件操作,导致大部分学生对相关的硬件知识点存在畏惧和陌生心理,降低学习热情和学习兴趣。

1.3 考核方式

现有的课程考核方式以笔试为主,只有少量的实验成绩和平时成绩,不能全面考核学生的工程实践能力和创新能力,只能考核学生对片段化知识点的掌握程度,容易产生碎片化的思维。这种考核方式由于没有较好的评价过程,就不能完善的建立质量监控和反馈机制,没有持续性,很难促进教育质量的改善和提高。

2 课程改革措施

2.1 重视前导课程的学习

“嵌入式操作系统”的前导课程一般有“程序设计基础”“数据结构与算法”“嵌入式系统”和“计算机网络”。其中“嵌入式系统”课程主要讲授ARM体系结构和ARM汇编语言;“程序设计基础”为本课程提供所需的编程基础知识,如“C语言”;“数据结构与算法”为本课程进行操作系统内核分析与驱动开发提供了数据结构的分析和构造等理论基础;“计算机网络”为本课程提供一些必要的网络基础知识。在以上前导课程学习中,教师要让学生了解嵌入式系统方向、各门课程之间的知识内在联系和相互支撑关系,说明前导课程的重要性。

2.2 教学内容重构

以产出为导向,针对毕业要求的支撑关系,按照教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会编写的《高等学校嵌入式系统专业方向核心课程教学实施方案》明确教学目标,合理设置课程教学内容,课程选取ARM Linux作为操作系统平台。为了强调学生在牢固掌握理论知识的同时充分融入工程教育,要对具体教学内容进行合理设置。

(1)删除嵌入式系统基础内容介绍和操作系统课程中已经讲授过的基础知识。大部分高校的操作系统课程都以Linux为主,讲解操作系统原理,所以需要删除课程中的Linux内核原理部分,改为Linux操作系统的安装和应用基础知识,重点介绍嵌入式Linux开发环境的搭建及开发工具的使用。

(2)在讲解“嵌入式Linux系统移植”时,主要讲授嵌入式Linux系统移植的通用方法,并针对不同工程应用场景中的需求,进行定制化的移植方案设计,融入工程教育理念。

(3)对于“嵌入式Linux驱动开发”部分,以应用项目为引领,工程实际需求为牵引,讲解在工程中常用的嵌入式字符设备驱动,如LED、按键和温湿度传感器等,力求适用于计算机科学与技术专业学生的工程实践能力培养。

课程主要教学内容对应的项目任务和能力要求如下表所示。

课程主要教学内容对应的项目任务和能力要求表

2.3 以学生为中心的教学模式改革

采用“理论与实践并重、注重工程创新教育、强化过程管理”的教学模式和方法,以学生为中心进行教学过程探究。

(1)采用混合式教学模式,充分发挥线上和线下双线教学的优势,把传统教学的时间和空间都进行扩展。利用网络信息技术,构建在线教学平台,建设丰富的线上课程资源,如微课视频、电子课件等课程学习资源,学生可以通过在线资源对课程进行预习和复习。教师在课堂将教学内容制定成项目模块,分解成项目任务,讲解主要知识点;然后在线上发布项目分解任务,即学生需要独立完成的任务模块,让学生在课下完成并在线提交。由于课程实验课时较少,可以安排学生做一些综合实验,并对学生进行面对面的实验辅导。以课程第一部分内容为例,如下图所示,说明了“嵌入式Linux开发环境”的线上和线下教学内容。

“嵌入式Linux开发环境”的线上和线下教学内容图

(2)根据“以学生为中心”的教育理念,将讨论式、支架式等教学方式和信息科技技术引入课堂,针对不同的教学内容采用不同的教学方法,激发学生的学习热情、学习主动性和参与性。

比如,在“网页温湿度计综合实验”中,可以采用支架式教学方式。①搭建脚手架,建立“网页温湿度计”的概念框架。教师可以向学生讲解温湿度传感器的背景知识和ARM开发板原理图,如何查阅温湿度传感器数据手册,通过GPIO端口和温湿度传感器通信,如何通过网页调用CGI程序展示数据。②进入情境。教师向学生说明完成实验需要的硬件:ARM开发板、温湿度传感器和交叉编译宿主机;软件:交叉编译器、嵌入式Web服务器源码;文档:温湿度传感器数据手册。教师可以给学生演示基于Web的网页温湿度计,让学生能够形象地了解本实验的最终效果,并提示学生在此基础上进行创新,如修改“网页温湿度计”的外观、数据刷新时间等,提高学生的学习兴趣和主动性。学生接触到实验硬件和软件,进入实验情境中。③独立思考。2～3人组成小组,教师提示学生完成的步骤是:移植嵌入式Web服务器;编写温湿度传感器驱动;编写CGI程序和网页;提供支架,然后让学生一步一步进行问题分析、探索。教师在这个环节可以适当提示学生,并给予一些指导。④协作学习。学生小组组员之间相互配合,各自分工,每个人实现的任务,比如程序调用接口,都需要沟通才能互相调用。⑤效果评价。采取本人自我评价、小组其他成员评价和教师评价,根据学生的分析和解决问题的过程及最后展示结果,完成最终评价。

2.4 虚拟仿真实验平台

嵌入式系统离不开硬件,由于实验学时有限,学生接触硬件较少,导致学生无法在课下进行涉及硬件知识的学习,而课程的虚拟仿真实验平台为学生的课下学习和实验教学开展提供了有力支持。QEMU是一款基于GPL许可证的通用的处理器模拟软件,可以模拟很多架构处理器,如X86、ARM等[2]。在嵌入式Linux系统移植和驱动开发中,可以借助QEMU虚拟仿真实验平台完成大部分原来只能用硬件才能完成的操作,弥补了硬件实验设备不足问题,可以使学生课下进行学习和实践。

2.5 考核方式

改革传统的课程考核方式,增加课程中过程性评价比重,不以期末笔试考试成绩为主。在过程性评价中引入对学生工程实践能力和创新能力的考核,即在课程的线下和线上(实验课)实践环节将课程知识点凝练为具体的小项目,对学生分析问题和解决问题的能力进行考核,让考核方式满足“新工科”背景下社会对学生的需求度为服务目标,使评价过程具有持续性。

结语

本文在“新工科”建设背景下,融入工程教育理念,对“嵌入式操作系统”课程的教学内容进行了重构;通过以项目引领、任务驱动的线上和线下混合教学模式和“以学生为中心”的教学方式,提高学生的学习积极性,保证教学质量;对课程的虚拟仿真实验平台的建设解决硬件实验设备不足问题,可以使学生课下进行自主学习和实践;改革传统的课程考核方式,增加过程管理和能力考核。通过以上的课程教学改革措施,适应国家对“新工科”人才培养模式的需求,使计算机科学与技术专业学生具备解决复杂工程问题的能力和实践创新能力,力图达到“新工科”建设所要求的目标。