基于MOODLE的個性化嵌入式實驗室建設

摘 要 實驗室是培養學生思維與動手相結合能力的最佳場所，如何更好的提高實驗室的效能是一個具有挑戰性的課題。為了克服實驗內容相對固定，一定程度上降低了培養效果的問題，提出了一種個性化實驗室的理念，討論了使用MOODLE實現個性化嵌入式實驗室的方法和方案，實踐證明這種方法能夠維持實驗對學生形成的培養效果。

關鍵詞 個性化 實驗 MOODLE嵌入式

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

Personalized Embedded Laboratory Building Based on MOODLE

TANG Zhiling

(School of Electrical Engineering and Automation，

Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi 541004)

Abstract Laboratory is the best place to develop students' thinking and hands-on combination ability， how to better improve laboratory performance is a challenging task. In order to overcome the experiment content is relatively fixed， to some extent reduce the effect of training issues， proposed a concept of individual laboratories， discussed the use of MOODLE personalize embedded laboratory methods and programs， this method proved to experiment to maintain the training effect on the formation of students.

Key words personalized; experiment; MOODLE; embedded

0 引言

工科學生的教育過程中，實驗室對于動手能力的培養是一個重要組成部分。這種培養不是簡單的動手操作，而是需要通過學生的大腦對問題的思索，提出一套解決問題的方案。而很多實驗室的實驗內容相對固定，年復一年的從上一屆學生傳到下一屆學生。這種狀況會降低實驗室的培養效果，因為多做實驗的學生存在思考的惰性，會拷貝上一屆學生的實驗結果。尤其是在嵌入式實驗當中， 實驗程序很容易被復制。如果能夠靈活的配置實驗當中的某些參數，使得結果不能被輕易復制，將保證實驗的效果不被減弱。

MOODLE是一套開源的是一套基于“社會建構主義理論”設計開發的開放源代碼的網絡教學平臺。①本文將討論如何利用MOODLE為每個嵌入式實驗小組建立互不相同的一套實驗任務，建設一個動態的個性化嵌入式實驗室。

1 實驗內容

嵌入式課程是讓學生了解嵌入式處理器的基本結構和外設接口，熟練掌握基本的編程方法。例如STM32F103ZET6作為實驗使用的嵌入式處理器，實驗板的硬件外設包括ADC、DAC、GPIP、USART、按鍵輸入、TFT等。嵌入式實驗需要的軟件有RealView MDK，調試工具采用JLINK V7。實驗的目標主要有掌握編程開發軟件和調試軟件的使用，硬件外設的使用，終端服務程序編寫等，下面列出幾個實驗內容作為討論應用MOODLE個性化實驗的例子。

1.1 實驗1：跑馬燈實驗

該實驗的關鍵在于如何控制 STM32 的I/O 口輸出，了解STM32 的IO 口如何輸出的。初步掌握Keil MDK創建程序項目的過程，包括編譯、軟件仿真、硬件仿真等。實驗的主要內容包括：（1）熟悉STM32的8種I/O端口的配置模式；（2）如何通過JLINK 連接實驗系統與計算機；（3）如何啟動和使用Keil MDK開發軟件；（4）如何輪流點亮和熄滅4個LED燈；（5）如何使用Keil MDK中的模擬仿真查看I/O端口的仿真波形；（6）如何將編譯生成的代碼下載到實驗板上并運行代碼。

1.2 實驗2：按鍵輸入實驗

這個實驗主要學習硬件中斷如何發生以及中斷服務程序，如何用Keil MDK進行調試。另一個目的是如何使用調試斷電。實驗的主要內容包括：（1）如何變成 I/O寄存器，使I/O管腳產生外部輸入中斷；（2）如何編寫和使用外部中斷程序；（3）如何在Keil MDK中使用斷點；（4）如何完成一個簡單的計數器。

1.3 實驗3：IIR濾波器實驗

這個實驗的目的是利用Matlab軟件的FDA工具設計IIR濾波器，掌握計算機輔助設計嵌入式算法的方法，如何使用STM32F103ZET的A/D與D/A變換器。實驗的主要內容有：（1）如何在Matlab的fdatool工具輔助下設計濾波器參數；②（2）如何在fdatool工具中產生濾波器系數的頭文件以及在程序項目中使用該文件；（3）如何使用A/D與D/A讀取和輸出模擬信號；（4）如何用編程的方法實現IIR濾波器。

1.4 實驗4：PWM實驗

這個實驗的目的是掌握如何利用數字輸出控制模擬電路，學會配置定時器以產生PWM輸出。實驗的主要內容有：（1）如何配置I/O端口的寄存器，是的端口作為PWM的輸出；（2）如何配置寄存器控制PWM的周期；（3）如何動態修改PWM的占空比；（4）如何通過PWM輸出播放一個音樂波形文件。

2 基于MOODLE的實驗室組成

嵌入式實驗室的實驗內容主要分成所述的四個部分組成，每一部分主要包含以下幾個方面：（1）實驗的主要目的和學習內容：詳細內容已經在前一節中說明；（2）實驗設備：列出實驗所需要的實驗硬件設備、軟件工具和測試儀器；（3）實驗介紹：介紹要完成實驗所需要的一些背景信息；（4）實驗過程：列出完成實驗任務需要的軟件和硬件配置的步驟；（5）實驗任務：每個實驗包括了一組試驗任務，通過提問的方式要求學生通過計算機輸入答案，激發學生摸索與嵌入式處理器的硬件和軟件相關的概念。在提問設置中，允許學生多次回答問題，但是每重復回答一次將會被扣分；（6）提交源程序：所有的實驗完成以后，學生都必須通過MOODLE提交源程序的代碼。

前四個組成部分以課程的方式完成，在MOODLE中課程講授可以以有趣和靈活的方式將內容傳遞給學生。每一課可以包含數個網頁，每頁結束都有一個或者幾個問題，并提供可能的答案供學生選擇。根據學生回答問題的情況，確定是否進入下一步學習階段或者返回前面的內容再復習一遍。整個學習的進程要根據內容的難以程度做合理的安排。

Quiz是MOODLE中的考試模塊，用于實驗任務的測驗，將在下一部分討論。實驗的源程序代碼作為學生的作業，被上傳到MOODLE中Assingment模塊。作業可以指定到期日和最高成績， 學生可以上傳他們的作業（任何檔案格式）到服務器，而且記錄交件時間； 允許作業遲交，但是遲交時間會對教師詳細顯示；教師回饋會加在每個學生的作業后面，而且寄發通知， 教師可以選擇允許評分后重交作業（作業重新評分的依據）。

每個實驗的第1項到第5項都編制為LaTeX文檔，③當需要使用的時候將轉換為MOODLE中的一個HTML文件。MathJax用于顯示LaTeX中的公式，④網頁中插入數學公式一直是比較麻煩的，對于開發者和撰寫者均如此，MathJax是一個開源，基于Ajax技術的數學表達式顯示解決方案。它能夠在HTMl頁面中高質量的顯示LaTeX和MathML數學符號，支持大部分瀏覽器，不需要插件、額外字體或安裝特殊的閱讀器，支持復制和粘貼。

3 MOODLE Quizzes的題型

實驗任務使用MOODLE Quiz模塊完成。⑤在教學過程中，教師可利用測驗來評量學生的學習成效。在Moodle系統，試題是儲存在題庫中，題庫內可建立類別為不同屬性的試題做分類。要建立一份完整的測驗卷，要先在題庫中選擇類別，再從類別中選擇試題。在測驗進行完后，教師可以利用moodle 系統的統計分析表，協助教師分析試題的性質，這部份是教師在出題及試卷檢討時很好的參考指標，知道哪些題目詞意不當造成學生答題上的誤解、哪些題目答對率很低，需要對學生做講解。

Moodle 提供10 種不同的題型，教師可依需求建立：（1）試卷說明 （Description）用來描述測驗卷的相關信息；（2）申論題 （Essay）學生答題時在編輯器中以文字撰寫答案。此題型必須由教師檢閱過后手動給分，系統不會自動給分；（3）配合題 （Matching）題目提供一系列問題和一系列答案，學生答題時將問題和答案正確地配對起來。每個問題都有一個正確答案且每個問題在分數上的得分比例都是一樣的；（4）填空題（Embedded answers）題目的編寫必需要依據Moodle 格式來編寫，題中嵌入著幾個不同的問題，包括選擇、簡答（填充）和數字題等；（5）選擇題 （Multiple Choice）學生答題時可從多個答案中選擇正確的。有兩種類型的選擇題：單選題和復選題。也因為復選題允許學生選擇多個答案，所以教師在答案配分時可以分配負的分數，也就是倒扣，避免學生以全部答案都勾選的方式來猜題；（6）簡答題 （Short Answer）學生答題時輸入一個詞作為答案。正確的答案可以有多個，每個答案都可依據完整性，而得到不同的分數。教師可以設定答案是否要區分大小寫；（7）數字題 （Numerical）從學生的角度來看，數字題和簡答題差不多。不同點在于數字題的答案是數字并且可接受誤差，允許設定一個連續的數值范圍作為答案。如，答案是30，誤差范圍5，則25 到35 之間的數字都可以作為正確答案；（8）隨機簡答配合題（Random Short-Answer Matching）這種類型的題目和配合題差不多。其中差別在于，所使用的試題是從現有的簡答題中隨機抽取的，所以每次進入測驗所看到的問題也會不一樣；（9）判斷題 （True/False）學生答題時選擇“對”或“錯誤”；（10）計算題 （Calculated）計算題提供了另一種快速建立多個不同數字問題的方法。在此題型中教師要提供正確答案的計算公式，而數字的部份系統會自動產生。

4 實驗內容配置

嵌入式實驗室的主要部分由MOODLE結構建成，例如在IIR濾波器設計實驗中，試驗任務分為A、B、C、D四類，其中任務A、B、C完全由MOODLE Quiz完成，任務D是通過MOODLE Quiz的計算性問題和Matlab描述相混合的方式完成以產生濾波器的響應圖。

MOODLE Quiz中的不同題型用于測驗任務A、B、C部分，如表1，總共有61個題可供學生回答：

表1 測驗題型的分配

發展實驗室的最初目的就是要能夠實現實驗任務的個性化，只有任選和計算題（總共10題）實現個性化，占所有題數的25%。因為個性化的題目需要加入很多隨機性，這是一個需要兩至三年的時間去建立的過程。

圖1 個性化任務的例子——IIR濾波器的設計

如圖1是一個個性化實驗任務的例子，要求用fdatool設計一個低通IIR濾波器，帶通的頻率和截止的頻率可以隨機的設置，這樣就會產生不同的濾波器階數和濾波器系數。不同實驗組的產生的答案是完全不通的，因此將是學生必須要親自動手去操作才能夠得到正確的答案。

一旦“回答”按鍵被按下以后，MOODLE將比較答案與MATLAB產生的結果，判斷答案的正確性。（下轉第24頁）（上接第2頁）因此MOODLE必須調用一個實現定義的MATLAB pcode函數。

5 結束語

本文討論了如何用MOODLE建立個性化的嵌入式實驗室。實驗內容使用LaTeX編寫，保存為單個文件以便于訪問。當查看試文件被轉換為MOODLE文件的格式便于復制與粘貼。使用LaTeX便于編寫數學公式并可在Moodle中直接使用。一開始，個性化的程度為25%左右，在以后的使用中將逐步提高實驗內容的個性化比例。實踐證明，學生對這種方式也是歡迎的。

注釋

① http://www.moodle.org

② http://www.mathworks.com.

③ http://www.latex-project.org

④ http://www.mathjax.org

⑤ William Rice，Susan Smith Nash. Moodle 1.9 Teaching Techniques. Packt Publishing Ltd， Birmingham， 2010.