虛實(shí)結(jié)合型嵌入式課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

王偉 蔡燕 楊永杰 沈笑笑 許鵬

（南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南通市 226019）

目前，教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并在很多高校中廣泛的應(yīng)用，一些中小學(xué)也正在建設(shè)自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心?，F(xiàn)在，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為老師重要的教學(xué)方式。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓抽象的實(shí)驗(yàn)過程形象逼真地演示出來，教師可結(jié)合實(shí)際的教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢，提升教學(xué)效果。

還可以幫助教師安全、直觀的展示復(fù)雜實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、極端破壞性實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)周期過長實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。此外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互動(dòng)性與情景化更強(qiáng)，極大限度地激發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)興趣。

構(gòu)建線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，可以致力于學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實(shí)踐能力、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)[1]。如何在現(xiàn)有教學(xué)過程中，有效地引入虛擬實(shí)驗(yàn)，處理好虛擬與實(shí)際、線上與線下的關(guān)系，成為許多教學(xué)工作者正在探索的教學(xué)研究課題之一。

1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)

嵌入式課程目前主要采用ARM Cortex體系處理器為研究學(xué)習(xí)的主要對象，其教學(xué)主要內(nèi)容包括：詳細(xì)介紹編程模型、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和嵌入式開發(fā)應(yīng)用等方面，使學(xué)生深入理解STM32處理器的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，熟練掌握應(yīng)用I/O端口、中斷和定時(shí)器、ADDA、串行通信、LCD 控制器等關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行開發(fā)研究，最終使學(xué)生從總體上把握嵌入式系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和技術(shù)細(xì)節(jié)。

課程采用理論與實(shí)驗(yàn)交叉教學(xué)的方式，在掌握理論的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，對學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力要求較高。然而，由于學(xué)時(shí)數(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，學(xué)生往往沒有足夠時(shí)間來通過訓(xùn)練提升應(yīng)用開發(fā)能力。

1.2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的必要性

仿真工具選用英國Lab Center Electronics公司推出的Proteus電路仿真軟件。目前僅該軟件支持STM32系列芯片的虛擬仿真, 該軟件不僅具有示波器、信號發(fā)生器、電壓表、電流表等多種嵌入式實(shí)驗(yàn)所需的虛擬儀表, 還具有各種常用虛擬電子元件, 因此可使用這些虛擬儀表和虛擬電子元件能搭建出各種嵌入式實(shí)驗(yàn)所需的電路[2]。

Proteus8.0以上版本可以支持STM32處理器芯片，所以可以通過該軟件進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟件仿真應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)課程虛擬化提供了技術(shù)上的支持。當(dāng)然，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可能完全脫離實(shí)際電路的調(diào)試開發(fā)，一些元件參數(shù)對實(shí)驗(yàn)的影響也無法通過軟件仿真來體現(xiàn)。

圖1：混合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式示意圖

基于上述情況，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程采用了虛實(shí)結(jié)合的混合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)調(diào)整，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)內(nèi)容、拓展內(nèi)容和鞏固內(nèi)容三部分。其中基礎(chǔ)內(nèi)容為一些基本的知識點(diǎn)，要求學(xué)生在課前使用仿真軟件設(shè)計(jì)完成，相當(dāng)于完成了對實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)工作。拓展內(nèi)容是一些綜合性或復(fù)雜性的應(yīng)用，放在實(shí)驗(yàn)室實(shí)操完成，并作為虛擬實(shí)驗(yàn)的考查與反饋。鞏固內(nèi)容要求學(xué)生在課后完成，可以作為拓展內(nèi)容的補(bǔ)充，以幫助學(xué)生加深對實(shí)驗(yàn)的理解。混合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式示意圖如圖1所示。

下面通過一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來介紹這種混合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)例研究

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分解與安排

嵌入式系統(tǒng)課程的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是LED燈顯示，在硬件上8路LED燈的負(fù)極接在PB7-PB0腳，燈的正極接電源VCC。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誏ED燈的電路結(jié)構(gòu)和點(diǎn)亮方法，IO端口的配置與控制，以及延時(shí)函數(shù)的使用。

在混合式教學(xué)中，課前虛擬仿真軟件完成的基礎(chǔ)內(nèi)容設(shè)計(jì)為：一個(gè)或多個(gè)LED燈的點(diǎn)亮和閃爍。課上實(shí)操完成的拓展內(nèi)容為：實(shí)現(xiàn)一種流水燈效果，且燈亮?xí)r間是逐漸變短的。具體操作如下：

2.2 實(shí)驗(yàn)課程虛擬部分的實(shí)施

學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作之前，利用Proteus進(jìn)行ARM STM32的應(yīng)用仿真。首先編程點(diǎn)亮一個(gè)或多個(gè)LED燈，這里需要學(xué)習(xí)并掌握IO端口初始化配置和編程控制的方法。然后在實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)LED燈的閃爍，這里則需要理解并掌握延時(shí)程序的調(diào)用方法。通過這些基礎(chǔ)內(nèi)容的虛擬訓(xùn)練，學(xué)生在課前已經(jīng)對本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的三個(gè)知識點(diǎn)有了較深的認(rèn)識，為課上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打好了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2：實(shí)驗(yàn)原理和仿真效果圖

圖3：實(shí)驗(yàn)箱下載運(yùn)行效果圖

圖2為Proteus軟件中的實(shí)驗(yàn)原理和仿真效果圖，當(dāng)生成的目標(biāo)代碼導(dǎo)入虛擬芯片后，即可模擬仿真實(shí)驗(yàn)效果，其調(diào)試與觀察也十分直觀和便捷。不過由于是仿真軟件，一些電路的細(xì)節(jié)問題無法體現(xiàn)。例如電路中LED燈的限流電阻，其值大小對燈的亮度會有影響，在軟件中是無法看到的。所以在實(shí)際電路上的操作是必不可少的。

2.3 實(shí)驗(yàn)課程實(shí)操部分的實(shí)施

學(xué)生在完成課前仿真訓(xùn)練后，便可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作。實(shí)操完成拓展內(nèi)容，一種時(shí)間漸短的流水燈效果。要實(shí)現(xiàn)該效果，需要考慮使用移位操作來實(shí)現(xiàn)流水燈，同時(shí)將延遲的參數(shù)從常數(shù)改為變量，并在循環(huán)中逐漸減少。其減少值還應(yīng)考慮到人眼是否能夠觀察到變化。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)拓展內(nèi)容將基礎(chǔ)知識點(diǎn)綜合到一起，且存在簡單的算法設(shè)計(jì)，可以很好地考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)掌握程度。同時(shí)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，還可以通過更換限流電阻，觀察燈亮度變化，來估算LED燈適合的工作電流。在實(shí)驗(yàn)箱下載后運(yùn)行效果如圖3所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)課程考查方法的探索

鑒于教學(xué)中的虛實(shí)相互結(jié)合，實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以將虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為正式實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)考查時(shí)，可以在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)就檢查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情況，即對實(shí)驗(yàn)基本知識點(diǎn)的掌握情況。只有基本掌握的學(xué)生才可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程更多地以啟發(fā)和探索方式開展，以引導(dǎo)學(xué)生更深入地思考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。而最后檢查的拓展內(nèi)容具有一定的復(fù)雜性，也利于進(jìn)一步提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

當(dāng)然，從教學(xué)大綱要求來看，考查成績應(yīng)以基本知識點(diǎn)掌握情況為主要依據(jù)，所以建議學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績以虛擬實(shí)驗(yàn)為主（占70%），實(shí)操實(shí)驗(yàn)為輔（占30%）的原則來打分。

在實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，安排一些鞏固內(nèi)容讓學(xué)生們使用Proteus軟件去練習(xí)，作為課上拓展內(nèi)容的補(bǔ)充。另外，學(xué)生若還有不懂或者來不及完成的地方，也可以利用仿真軟件繼續(xù)學(xué)習(xí)，隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，來加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的鞏固。

3 混合式實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果與成效

嵌入式課程的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇虒W(xué)實(shí)施一年后，通過學(xué)生評教、抽樣調(diào)查和期末實(shí)驗(yàn)考核情況來看：學(xué)生對課程相關(guān)知識點(diǎn)的認(rèn)識有所加深，尤其在實(shí)踐動(dòng)手能力上得到了顯著加強(qiáng)。學(xué)生普遍感覺，相較于其他課程，該實(shí)驗(yàn)課程的探索性和趣味性更加突出，對他們隨后的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助較大；同時(shí)還能夠幫助學(xué)生在本科階段接受科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓(xùn)練，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性[3]。

當(dāng)然從部分學(xué)生反饋來看，也存在一些問題。主要有：課前需要花費(fèi)較多的時(shí)間完成虛擬實(shí)驗(yàn)；在虛擬實(shí)驗(yàn)中遇到問題時(shí)無法及時(shí)解決；課上實(shí)驗(yàn)拓展內(nèi)容難度較大等。下一步的改進(jìn)措施包括：建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)交流群，保持與學(xué)生的及時(shí)溝通；建立獎(jiǎng)勵(lì)措施，鼓勵(lì)學(xué)生之間互幫互助，更加及時(shí)地解決虛擬實(shí)驗(yàn)中的問題；明確告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績以掌握基本知識點(diǎn)為主，即認(rèn)真完成虛擬實(shí)驗(yàn)就可以拿到70%分?jǐn)?shù)，減輕學(xué)生顧慮；提前告訴學(xué)生拓展實(shí)驗(yàn)的難度，多鼓勵(lì)學(xué)生積極面對等。

4 結(jié)語

綜上所述，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，采用虛實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以充分發(fā)揮虛擬仿真軟件的技術(shù)優(yōu)勢，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與理論相結(jié)合的最佳實(shí)踐。此外，采用線上線下的虛擬仿真教學(xué)還可以鞏固學(xué)生所學(xué)，開拓學(xué)生視野，讓學(xué)生有所感，有所悟，再進(jìn)行不斷創(chuàng)新，這將是一個(gè)良性循環(huán)。