“口袋實(shí)驗(yàn)室”在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

王中明 秦工 周俊

摘? 要： 文章結(jié)合“STM32+uC/OS-III”小型口袋實(shí)驗(yàn)平臺，總結(jié)了“嵌入式系統(tǒng)”課程采用“口袋實(shí)驗(yàn)室”實(shí)施教學(xué)的辦法，包括試驗(yàn)設(shè)備、配套教材選取，教學(xué)內(nèi)容安排，具體實(shí)施過程和教學(xué)評價(jià)方式等。為現(xiàn)有“一個(gè)老師，多個(gè)學(xué)生”的教學(xué)模式下進(jìn)行“口袋實(shí)驗(yàn)室”開放式教學(xué)提供一個(gè)成功案例。

關(guān)鍵詞： 口袋實(shí)驗(yàn)室; 嵌入式系統(tǒng); STM32; uC/OS-III; 開放式教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1006-8228（2021）04-101-03

Abstract： With the "STM32+uC/OS-III" pocket experiment platform， this paper summarizes the methods of teaching the "Embedded System" course by using "pocket lab"， including the selection of test equipment and subsidiary teaching materials， teaching content arrangement， specific implementation process and teaching evaluation method. It provides a successful case for the open teaching of "pocket lab" under the teaching mode of "one teacher， multiple students".

Key words： pocket lab; embedded system; STM32; uC/OS-III; open teaching

0 引言

“口袋實(shí)驗(yàn)室”（pocket labs ）作為一種新型教學(xué)模式，其主要特點(diǎn)是學(xué)生可攜帶“口袋”化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自選場合自選時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[1]。隨著集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些專業(yè)課的試驗(yàn)設(shè)備小型化、“口袋”化已成為一種必然趨勢，如“單片機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”等課程中用到的通用ARM芯片（BQFP128封裝，大小為1.6cm*1.4cm），就可運(yùn)行Linux等大型操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。為緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外高校中的一些工科專業(yè)都在快速推廣“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)方式，如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等知名高校正在探索將模擬電路、數(shù)字電路、開關(guān)電源、單片機(jī)等“口袋”實(shí)驗(yàn)板引入到教學(xué)中[2-4]。

同時(shí)，教學(xué)工作者也在從不同角度探索如何提高“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)效果，包括口袋實(shí)驗(yàn)室的課程建設(shè)、管理制度建設(shè)、平臺建設(shè)等[5-7];特別是在現(xiàn)有“一個(gè)老師，多個(gè)學(xué)生”的教學(xué)模式下，如何保證開放式“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)效果是急需研究的課題之一。2016年，作者獲批湖北省教育廳項(xiàng)目《電信專業(yè)“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式的探索》，在“嵌入式系統(tǒng)”課程中引入了“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)方式，進(jìn)行了為期3年的實(shí)踐探索。

1 “嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)介紹

1.1 教學(xué)內(nèi)容

“嵌入式系統(tǒng)”是一門硬件和軟件相結(jié)合的綜合課程，包括硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層等知識點(diǎn)，幾乎涉及到硬件開發(fā)和軟件開發(fā)工程中的所有技術(shù)[8]。不同培養(yǎng)方向的側(cè)重點(diǎn)會(huì)不同，表1列出主要的幾個(gè)培養(yǎng)方向和教學(xué)內(nèi)容。

我院電信專業(yè)的主要培養(yǎng)學(xué)生硬件軟件綜合開發(fā)能力，“嵌入式系統(tǒng)”課程的側(cè)重點(diǎn)為中間層、系統(tǒng)軟件層，即在嵌入式硬件平臺，進(jìn)行小型嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。

1.2 教學(xué)要求和目的

“嵌入式系統(tǒng)”課程要求學(xué)生能掌握嵌入式硬件開發(fā)平臺方法，能夠獨(dú)立的在“嵌入式硬件+小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”平臺進(jìn)行簡單項(xiàng)目開發(fā)，包括：

⑴ 掌握嵌入式硬件平臺開發(fā)方法;

⑵ 了解uC/OS-III操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);

⑶ 掌握嵌入式操作系統(tǒng)中的基本概念;

⑷ 掌握uC/OS-III移植到嵌入式硬件平臺的方法;

⑸ 掌握uC/OS-III系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)方法。

2 基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”模式的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備

本次“口袋實(shí)驗(yàn)室”的設(shè)備沿用“單片機(jī)原理”課程中的“口袋”設(shè)備[9]：miniSTM32F1開發(fā)板，如圖1所示。這樣選取有許多好處。

⑴ 保證了教學(xué)的連續(xù)性，學(xué)生可在原有的平臺上進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

⑵ 保證了教學(xué)的完整性，學(xué)生可把一個(gè)平臺的知識學(xué)透徹、完整。

⑶ 可提高設(shè)備的利用率，降低設(shè)備的更新成本。

“miniSTM32F1開發(fā)板+uC/OS-III操作系統(tǒng)”平臺具有如下特點(diǎn)：

口袋化 設(shè)備大小為8cmx 10cm，便于攜帶，且功耗低，可直接用筆記本USB接口供電;非常適合“口袋實(shí)驗(yàn)室”的要求，只需一個(gè)筆記本電腦，學(xué)生就可在實(shí)驗(yàn)室、教室、寢室等場地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

實(shí)用性強(qiáng) 芯片為STM32F103RCT6，為ARM體系結(jié)構(gòu)的COTEX-M3系列主流芯片，功能強(qiáng)大，接口豐富，可滿足多種應(yīng)用開發(fā)，完全滿足uC/OS-III等操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

資料豐富 ARM系列芯片為當(dāng)前最為流行芯片，uC/OS-III操作系統(tǒng)是經(jīng)典的小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上有豐富的電子資料、視頻資源、MOOC資源、開發(fā)例程、交流平臺等。

2.2 教材準(zhǔn)備

教學(xué)材料主要以電子文檔、網(wǎng)絡(luò)資源為主。“嵌入式系統(tǒng)”是一門以實(shí)踐為主課程，涉及大量硬件開發(fā)和軟件工程中的知識，單一的紙質(zhì)課本滿足不了教學(xué)需要。“口袋實(shí)驗(yàn)室”的開放教學(xué)方式使學(xué)生可隨時(shí)查詢各種電子資源，網(wǎng)絡(luò)資源，可實(shí)現(xiàn)以問題為導(dǎo)向的主動(dòng)學(xué)習(xí)方式，而不是傳統(tǒng)的灌輸式被動(dòng)教學(xué)。主要選用電子教材有以下。

⑴ STM32F103RCT6芯片數(shù)據(jù)手冊。

⑵ uCOS-III源代碼，開發(fā)板附帶的例程源代碼。

⑶ 《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-III》電子教案、PPT及錄播視頻。

⑷ 江漢大學(xué)慕課教學(xué)平臺上的《嵌入式系統(tǒng)——uC/OS-III》課程，訪問地址為http：/jhun.fy.chaoxing.com/portal.

2.3 教師準(zhǔn)備

以實(shí)踐為主的“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)需要教師具備充足的硬、軟件專業(yè)知識，熟練應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，具有豐富的嵌入式項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合并設(shè)計(jì)出趣味性和實(shí)踐性兼具的實(shí)驗(yàn)案例，同時(shí)能隨時(shí)解決學(xué)生在遇到的各種問題或給出解決思路，教會(huì)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)過程;最終提升學(xué)生實(shí)踐能力。

筆者長期從事嵌入式系統(tǒng)方向的教學(xué)和科研，有豐富的嵌入式項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)施“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式過程中，從實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取、教學(xué)內(nèi)容安排上都緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，并盡力提升該課程的趣味性。

3 基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)踐

3.1 教學(xué)實(shí)施過程

從2017年至2019年在我院電信專業(yè)的大三學(xué)生進(jìn)行了3次“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)改革，每次約20人，學(xué)生自帶筆記本電腦，每人配備“口袋”開發(fā)板一套。教學(xué)學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，其中理論24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，另外還有16學(xué)時(shí)的課程設(shè)計(jì)。

教學(xué)以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-III及其應(yīng)用為主線，培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)能力為目的，其具體學(xué)內(nèi)容如表2所示。在理論教學(xué)中，以uC/OS-III源代碼分析為主，50%左右的時(shí)間為源程序分析，30%的時(shí)間為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;只有20%左右的時(shí)間作PPT文字授課，使學(xué)生在程序中去理解操作系統(tǒng)的概念及應(yīng)用。為了充分發(fā)揮“口袋實(shí)驗(yàn)室”模式的優(yōu)勢，實(shí)踐操作主要在學(xué)時(shí)課外完成，具體實(shí)施過程如下。

⑴ 以智能停車系統(tǒng)的開發(fā)為主線，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容安排了8個(gè)知識點(diǎn)的實(shí)踐訓(xùn)練，每次課外工作量為3小時(shí)左右。

⑵ 為保證學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)，在慕課平臺上提供了8個(gè)教學(xué)視屏，講述訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)方法和注意事項(xiàng)，每個(gè)視頻時(shí)長30分鐘左右。

⑶ 為及時(shí)解決學(xué)生課外的問題，在慕課平臺上，開設(shè)了專門討論區(qū)，學(xué)生和老師一起討論解決問題。

⑷ 為保證教學(xué)質(zhì)量，每個(gè)知識點(diǎn)的課外實(shí)踐操作都緊跟著至少一次的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)檢查，對學(xué)生完成的工作進(jìn)行評價(jià)、考核，并提出修改、優(yōu)化要求。

⑸ 課程設(shè)計(jì)也主要以課外“口袋實(shí)驗(yàn)室”模式在該平臺上完成，16個(gè)課內(nèi)學(xué)時(shí)主要完成任務(wù)布置，個(gè)人完成情況匯報(bào)和總結(jié)。

⑹ 課程考核也主要以“口袋實(shí)驗(yàn)室”模式完成，學(xué)生課外在實(shí)驗(yàn)平臺上完成開發(fā)項(xiàng)目，并提供紙質(zhì)的項(xiàng)目開發(fā)文檔、演示視頻和個(gè)人體會(huì)視頻。

3.2 實(shí)施成果

“口袋實(shí)驗(yàn)室”作為一種開放式教學(xué)模式，學(xué)生通過系統(tǒng)實(shí)踐訓(xùn)練，逐步掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法和應(yīng)用技能，為后續(xù)工程應(yīng)用和專業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在2017年至2019這3學(xué)年的教學(xué)改革中，共有62名學(xué)生參加了“嵌入式系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)，他們借助該“口袋”平臺， 10人完成了校級科研項(xiàng)目六項(xiàng); 3人在“湖北省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽”中完成項(xiàng)目二項(xiàng)，獲一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng);6人在“大學(xué)生電子競賽”中在完成項(xiàng)目三項(xiàng)，獲省一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、賽區(qū)二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。12人完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，其中成績優(yōu)秀5人;在已畢業(yè)的40名學(xué)生中有18人已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的專業(yè)技術(shù)人員。2020年，該教學(xué)方式已在我院電子信息專業(yè)的所有學(xué)生中推廣。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)需固定時(shí)間、地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式相比，“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式可使學(xué)生有更多的時(shí)間和機(jī)會(huì)進(jìn)行自主操作和學(xué)習(xí)，快速提高他們的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力;且“口袋”設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容易于更新，使學(xué)習(xí)的內(nèi)容符合社會(huì)需求，從而提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力，擴(kuò)展學(xué)生就業(yè)方向。

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