“新工科”背景下“嵌入式操作系统”课程教学改革研究.pdf

:./.“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.内蒙古工业大学信息工程学院 内蒙古呼和浩特.内蒙古教育招生考试中心 内蒙古呼和浩特 摘 要:根据国家对“新工科”人才培养模式的需求和工程教育理念本文对“嵌入式操作系统”课程的教学现状和问题进行了分析通过对课程教学内容重构提出了以项目引领、任务驱动的线上和线下混合教学模式和“以学生为中心”的教学方式课程的虚拟仿真实验平台建设方案和以能力考核为主的过程管理考核方式 通过课程教学改革措施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”建设所要求的目标更好地满足“新工科”产业对人才的需求关键词:新工科工程教育嵌入式操作系统 .:.:嵌入式系统研究与开发已成为工业.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 教学现状和问题分析.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/、嵌入式、等由于 免费、开源内核可以定制裁剪具有广泛的硬件支持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 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()课程理论基础知识较多更多偏向嵌入式操作系统创新教学科技风 年 月内核原理知识和内核源代码讲解工程实际应用价值较低()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.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.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 课程改革措施.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 体系结构和 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“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.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 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()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 为主讲解操作系统原理所以需要删除课程中的 内核原理部分改为 操作系统的安装和应用基础知识重点介绍嵌入式 开发环境的搭建及开发工具的使用()在讲解“嵌入式 系统移植”时主要讲授嵌入式 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()对于“嵌入式 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、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序号课程主要内容项目任务能力要求毕业要求嵌入式 开发环境()操作系统安装()常用命令与文件管理操作()嵌入式开发工具搭 建 嵌 入 式 项目开发环境能够掌握嵌入式 开发环境的搭建技术熟悉 操作系统安装、常用命令与文件管理操作掌握嵌入式开发工具的使用原理和使用方法理解各种嵌入式开发工具在各个平台上使用的范围及局限性掌握计算机专业所需的基本技术、基础资源和基本工具的使用原理和使用方法并理解它们的局限性嵌入式 系统移植()嵌入式 内核移植()移植()嵌入式 文件系统移植构建基于嵌入式 平台的开发系统能够掌握嵌入式 系统的 、内核和嵌入式 文件系统的常用移植方法独立设计嵌入式 系统在不同应用场景中的配置及裁剪方案能够基于科学原理比较和选择研究路线独立设计实验方案并构建实验系统嵌入式 设备驱动开发()设备驱动的基本原理()的内核模块程序结构与构造方法()嵌入式 字符设备驱动开发设计并开发嵌入式 字符设备驱动能够掌握 设备驱动的基本原理、的内核模块程序结构与构造方法根据应用特定需求对嵌入式 平台下的字符设备驱动进行设计与开发能够根据用户需求完成计算机硬件单元的设计与开发能够基于某种具体的开发平台进行软件模块的设计与开发.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()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 科技风 年 月创新教学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 开发环境”的线上和线下教学内容“嵌入式 开发环境”的线上和线下教学内容图 ()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 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 开发板原理图如何查阅温湿度传感器数据手册通过 端口和温湿度传感器通信如何通过网页调用 程序展示数据 进入情境 教师向学生说明完成实验需要的硬件: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 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 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 独立思考 人组成小组教师提示学生完成的步骤是:移植嵌入式 服务器编写温湿度传感器驱动编写 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 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 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.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 是一款基于 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、等 在嵌入式 系统移植和驱动开发中可以借助 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.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”建设所要求的目标参考文献:陈华强张盼华.典型实时嵌入式操作系统应用分析.电子测试():.张磊杨静远李晓龙.一种基于 的仿真技术.信息技术与信息化():.基金项目:内蒙古工业大学教学改革项目()内蒙古工业大学教学改革项目()内蒙古工业大学研究生教育教学改革项目()内蒙古工业大学 年虚拟仿真实验教学课程建设项目()作者简介:庄旭菲()男蒙古族内蒙古呼和浩特人硕士副教授研究方向:嵌入式系统应用、人工智能通讯作者:孙海东()男汉族内蒙古呼和浩特人硕士工程师研究方向:数据挖掘技术及应用创新教学科技风 年 月