嵌入式系统开发课程教学改革的探索与实践
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作者:张苗辉 张博 宋俊玉 黄启刚
摘 要：本文结合嵌入式系统开发课程的特点以及目前现有的教学问题，对嵌入式课程的教学方式进行了一些探索和改革，在原有课程教学的基础上，增加了实践环节，创建创新小组，开展创新项目，在实践中学习，提高学生的学习兴趣和动手能力，为学生今后从事嵌入式系统研究和开发打下坚实的基础。
关键词：嵌入式系统 实践教学 创新项目
中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0213-02
嵌入式系统开发作为物联网的“核心”，是互联网和嵌入式系统发展到高级阶段的融合成果，在当今社会的发展中具有举足轻重的地位[1]。因此，当今社会的发展对从事嵌入式系统开发的人才需求越来越强烈，培养更多嵌入式系统开发的创新型人才成为大多数高校的教学目标。本文结合嵌入式系统开发课程的特点以及目前现有的教学问题，建设了一套以实践为主、创新驱动的教学体系，该教学体系不仅能够提升学生的学习兴趣和实践能力，并且能够更好地满足社会发展对于嵌入式系统开发人才的需求，响应教育部“卓越人才”培养的号召。
1 传统教学中存在的问题
1.1 理论教学
以Linux嵌入式系统开发课程为例，传统教学主要介绍ARM的知识体系、Linux系统在嵌入式系统上的应用和QT/Embedded界面的编程开发。由于大多数嵌入式教材偏理论化，没有实验例程与之配套[2]。此外，“Linux嵌入式系统开发”在理论上承接了“单片机原理与应用”、“微型计算机原理与接口技术”等课程，重复的理论教学会浪费较多学时。在考试中，学生对于基础知识部分的考察作答较为完善，而对于创新综合考察题，在总体设计和代码编写上较为欠缺。
1.2 实践教学
目前大多数高校基于本课程开设的实验有嵌入式开发环境搭建、基于QT的嵌入式图形界面实验、嵌入图形界面移植实验和嵌入式触摸屏实验等。其目的是让学生更深入地了解嵌入式系统开发的基本概念和步骤，掌握嵌入式系统的特点和基本结构。但这些实验主要是对教材试验范例的验证，没有完整的工程项目，实验课时较少，实验内容枯燥，学生通常在教师的指导下完成实验，无法吸引学生自主学习的兴趣，在一些较为综合性的实验中，学生的表现较差。此外，由于教学设备限制，很少通过演示的方式来进行实验教学，学生在试验中具有盲目性，从而缺乏积极性，选择敷衍了事，严重影响实验效果[3]。
2 嵌入式实践教学改革
2.1 改变实践教学的辅助地位
嵌入式课程改革的首要任务要确定实践教学在该课程中的地位，进而改变以往的教学方式。在总学时不变的前提下，缩减理论授课的学时，增加实验课程，甚至可以在机房、实验室上课，方便学生进行练习，提升学生的学习兴趣。在授课内容上，适当减少对硬件结构和指令系统的讲解，增加嵌入式项目开发流程的讲解和演示，从而保证学生在实践过程中能够更深入的理解最真实的嵌入式开发流程[4-6]。在课堂上向学生展示一些实际应用中的嵌入式产品，如基于嵌入式的人脸识别、智能手表等，拓宽学生的视野，用嵌入式产品的科技感调动学生学习的兴趣。同时学院应提供实验室现有的小型嵌入式实验板或者购买一批嵌入式开发板供学生课下实践开发。
2.2 考核形式改革
在以往考试中，理论考试和平时成绩占70分，从而让学生忽视课程实践，不利于学生实践能力的培养。因此，该课程需要增加实验的考核难度和分值，例如，每次实验都要当堂打分。学生根据所学知识独立完成实验并且回答老师提出的问题后，方可获得本节实验课程的分数，促使学生重视实践，进一步提高学生的思维和动手能力，以达到实验教学改革的目的。在完成基础实验的前提下，开展一些创新项目，作为检验课程成果的综合性实验，最后展示成果并提交小论文。
3 创新项目实例
在嵌入式系统开发课程的实验中，为了吸引学生的兴趣，提高学生的综合能力，应当挑选一些更加贴近生活的嵌入式项目使学生们自主地感受学习的乐趣，同时也能够对知识进行融会贯通。创新项目可由小组配合完成，既能提高学生积极性，又可以起到锻炼学生团队意识的作用。例如，设定3人为一组，1人负责内核和文件系统的制作与下载，1人负责算法和代码编写，另外1人负责撰写论文。创新项目安排在课程实验的后半阶段，在完成基础实验并对嵌入式Linux开发平台了解的基础下开展，学生课下也可自行到实验室开发，下面以嵌入式人脸检测系统为例进行说明。
3.1 嵌入式开发板选择
嵌入式开发板的选择一般可遵循以下三个原则，选择性能较强，外围硬件和接口较为丰富且价格适合的板子;选择软件支持完善的开发板;选择技术支持迅速的厂家。本创新项目选用的是ITOP-4412开发板。该开发板的处理器型号是ARM Cortex -A9，主频为1.4GHZ，配有1Gb的DDR3，8Gb的FLASH。开发板的运行速度，內存和存储空间都能满足图像处理的需求。该开发板配套有许多开发实例视频，有利于学生快速掌握开发流程。人脸检测系统需外接USB摄像头来采集图像，利用自带的LED显示屏和触摸屏进行人机交互。系统通过串口接受PC机指令和下载程序，通过串口转USB芯片CH340与PC机的USB口相连。
3.2 嵌入式软件环境搭建 嵌入式系统环境搭建主要包括加载引导程序U-boot、Linux内核，根文件系统，设备驱动和应用程序5个部分。嵌入式系统虽然发展较快，但开发板扩展资源较少，不能直接在开发板上开发，我们通常采用交叉编译的方式进行开发。PC机使用Ubuntu系统，首先将U-boot源码交叉编译后下载到开发板中，对开发板硬件进行初始化并引导内核启动。通过U-boot将交叉编译生成的zImage文件下载到开发板指定地址后启动内核。根文件系统是内核启动后挂载的第一个文件系统，根文件系统同样需要交叉编译后再烧写到开发板中。最后，将摄像头、触摸屏等设备的驱动程序以及QT和opencv移植到开发板中。QT为应用编程提供图形界面支持，opencv为应用程序提供图像处理函数库。
3.3 系统应用程序设计
嵌入式人脸检测系统应用程序部分主要分为图像采集和人脸的检测。图像采集部分主要通过UVC协议和V4L2接口控制USB摄像头的分辨率和帧率。同样地，首先在PC端进行仿真实验，再移植到基于ARM的嵌入式板子中，运行结果如图1所示。
4 结语
培养创新性人才是社会的需求，同时也符合教育部培养卓越人才的号召。从学生自身来讲，学生动手能力的增加有利于激发其对科学研究的兴趣，促进理论内容的学习，而理论的增强，又为学生下一步实践指明了方向。两者相辅相成，才能培养创新思维，研发创新成果。总之，就嵌入式教学来说，应当增加实践教学，使学生在实践中更好地掌握这门课程同时提高了学生的实践创新能力。
参考文献
[1] 米军利.以嵌入式人才培养为契机提高教师专业教学能力[J].科技创新导报，2018，15（25）：242-244.
[2] 崔业梅.嵌入式实训教学设备的研制与教学改革[J].实验室研究与探索，2017（9）：66-69，215.
[3] 鄢秋荣.面向软硬件协同设计的嵌入式系统教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2016（6）：190-193.
[4] 陆畅.基于OpenCV视觉库和树莓派的人脸识别门禁系统[J].科技创新导报，2019，16（2）：158-160，162.
[5] 韩天佑.对基于嵌入式系统的视觉目标跟踪分析[J].科技创新导报，2018，15（26）：169-170.
[6] 鄭晓霞，邢传军，李威.基于嵌入式平台的自助拍照装置的实现[J].科技创新导报，2019，16（2）：160-161.
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