面向工程實踐能力培養的嵌入式實驗教學改革

胡 青, 余 嘉, 蘇玉剛

(重慶大學 自動化學院, 重慶 400044)

面向工程實踐能力培養的嵌入式實驗教學改革

胡 青, 余 嘉, 蘇玉剛

(重慶大學 自動化學院, 重慶 400044)

配合自動化專業的“卓越工程師教育培養計劃”,對嵌入式系統課程做了全面、深刻的改革。將元器件和萬用表、焊臺等工具打包發給學生,打造學生的“隨身”實驗室,為后續教學改革提供了基礎。將MOOC和“翻轉”課堂教學方式引入實驗教學,獲得了學生的認可。增加實驗學時,課程實驗中包含了一個近1周的課程設計內容,每組學生規劃智能小車功能,并完成軟硬件設計,極大地鍛煉了學生的工程實踐能力。

嵌入式系統開發； “隨身”實驗室；“翻轉”課堂

“卓越工程師教育培養計劃”旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才,是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措[1-2]。而嵌入式系統因其在智能家電、汽車電子、醫療儀器,網絡設備等方面的廣泛應用,成為當前最熱門,最具前途的技術之一[3-5]。然而嵌入式課程普遍存在與實際脫節、實踐性不強等問題,需要進一步的改革和建設。

1 現狀分析

1.1 實驗平臺

嵌入式實驗平臺最初大多為購買或自制教學實驗箱。自制實驗板可以根據課程要求設計實驗箱,生產成本也能有所降低[6],但是實驗箱集成的硬件模塊種類有限,實驗內容受到局限,無法靈活拓展,而學生在實驗箱上只能做簡單的連線,實驗環節“偏軟”，直接導致了學生不重視、不理解硬件設計。此外實驗箱體積大,比較笨重,學生只能在實驗室才能進行嵌入式實驗,不利于激發學生利用碎片時間自主學習。

最近2年有教師提出“口袋”實驗室的概念,整個實驗平臺分為最小系統、輸入輸出模塊和交互接口3個模塊[7]。與實驗箱模式相比,口袋實驗室具有便攜性和靈活性,可以發給學生,方便學生充分利用課余時間,突破實驗教學的時間空間限制。也有教師以Proteus作為主要開發平臺,采用基于Cortex-M3的LM3S300系列微控制器,建設了虛擬實驗平臺,降低了實驗室建設成本,方便實驗內容的擴展和調整,學生只需要安裝相關軟件即可。缺點則是缺乏硬件設計和調試的實感。

1.2 實驗教學方法

從教學方法上來說,實驗教學沿用了理論教學的方法,通常也是利用黑板、投影儀和PPT,用少量的實驗學時講授完成本次實驗所需的知識。然而從教學內容上來說,實驗教學與理論教學有較大的差異。實驗教學是理論教學的有效補充,幫助學生將所學的理論知識“落地”,其教學內容包括實驗裝置的使用、程序調試方法、硬件設計、實驗題目分析等。

嵌入式系統具有軟硬件結合非常緊密的特點。理論課側重于講授各個知識點,通過理論課的學習,學生并不能很好地理解軟硬件協同設計的理念[8-10],那么嵌入式課程的實驗教學就需要幫助學生建立軟硬件協同設計的理念,應該側重于講授硬件設計和調試的方法,介紹萬用表、示波器、焊臺等相關儀器工具的使用。

PPT、投影儀這樣的授課方式不適合講授實驗教學內容。首先,儀器設備的使用步驟多且繁瑣,僅僅是課堂上講授一次,學生很難熟悉整個流程；其次,PPT是靜態的,而軟硬件結合的程序調試是動態的,需要根據代碼執行后的硬件情況來分析程序是否正確；最后,實驗室有實驗臺、各種實驗設備,很容易分散學生的注意力。從心情上來說,學生更希望自己動手做,而不想再繼續聽。此外,按知識點組織教學內容也不適合側重于動手實踐的實驗教學。從學習的角度來看,“問題驅動”的教學組織方式更有助于學生理解儀器設備“何時用,怎么用”。而“怎么用”常常需要經過多次重復講授,甚至是手把手地教,學生才能真正熟悉掌握。

2 改革措施

2.1 “隨身”實驗室

嵌入式技術實踐性非常強,需要大量的時間來動手實踐。大三上學期學生的學習任務非常重,需要方便學生利用空閑的“碎片”時間自主學習。嵌入式開發的硬件成本較低,硬件模塊具有重量輕、體積小、便攜性高的特點,完全可以將實驗元器件打包發給學生,實驗時由學生帶到實驗室。調查發現學生都有筆記本計算機(簡稱筆電),可以安裝課程實驗所需的開發軟件。“筆電+元件包”組成了學生自己的隨身實驗室。

嵌入式實驗以2個學生為一組,在第1次實驗課上將課程實驗所需的所有元器件以及常用工具,如萬用表、焊臺、吸焊槍、工具箱等,按組下發給學生。元器件包中的元件分為耗材和非耗材2大類,非耗材包括最小系統板、仿真器、液晶顯示模塊、超聲波測距模塊等,耗材包括電阻、連接線、LED小燈、按鍵等。表1是發給學生的元器件和工具列表。課程結束時，非耗材和工具需要交回實驗室。

表1 下發的元器件及工具列表

2.2 “翻轉”實驗課堂

MOOC和微課的模式適合應用于嵌入式課程的教學,因此將微視頻、微課應用于嵌入式實驗課教學,在一定程度上實現了“翻轉”課堂的教學模式。CMSIS庫函數、程序設計以及如何調試程序等內容,用PPT很難講解清楚,采用錄制視頻的方式來講解能夠取得較好的效果。課程組制作了20多個視頻,講解如何通過閱讀函數說明來了解庫函數功能、如何調用庫函數、如何調試測試工程等。

嵌入式開發需要在確定外部硬件設計或連接后才能編寫軟件,而在調試過程中又需要觀察外部硬件的狀態,確定程序是否完成指定功能。與外部硬件模塊相關的內容,用錄屏軟件加網絡攝像頭的方式錄制微視頻,例如“按鍵小燈示例”視頻講解如何調用GPIO接口庫函數、讀入按鍵狀態、根據按鍵狀態輸出控制小燈亮滅。視頻詳細講解了如何調用庫函數,并演示了如何單步調試程序,通過攝像頭可以看到外部硬件的變化情況。

將微視頻上傳到網絡平臺上,學生可以根據自己的學習進度隨時隨地通過觀看視頻來學習。通過微視頻完成實驗教學任務,不但教學效果要優于傳統的“黑板+PPT”模式,而且可以突破實驗課的時間空間限制,教師可以提前上傳視頻,布置實驗內容。到實驗室時學生基本都已經努力做過實驗,實驗課上主要是與指導教師交流自己遇到的問題,尤其是硬件故障以及調試程序的問題。

2.3 綜合“實戰”項目

將工程或科研項目引入課堂或實驗教學中,對于培養學生的創新實踐能力具有積極作用[11-12],所以通常對于實踐性強又比較重要的專業基礎課,大多采取“課程+課程設計”的模式,在課程設計中學生完成一個綜合項目的設計。然而課程設計通常滯后課程教學1學期甚至2學期,從時間上來說斷層太大，因此改為采用“課程包含課程設計”的模式,將實驗學時提高到64學時,最后20學時要求每組學生完成智能小車設計。小車要具備基本的運動和避障功能,提升功能由個小組自己設計。下發的元器件包中有一個小車套件,套件中有小車底盤、直流減速電機和輪子。課程最后的綜合“實戰”項目要求每個小組設計并實現自己的智能小車。智能小車的具體功能由小組自己決定,鼓勵使用課程中沒有講解過的硬件模塊。越復雜的功能分值越高,例如躲避障礙物為30分、遙控功能為60分,課程沒講解過的硬件模塊根據復雜度分值在40～60分之間。每個小組錄制3 min的視頻,演示說明自己小車的性能和特點。

學生對于智能小車設計表現出了極大的熱情,有小組用藍牙和紅外實現了遙控、有小組嘗試使用無線NRF24L01模塊(雖然失敗了但學生很有收獲)、有小組將聲音模塊用于小車控制、有小組將設計重點定為避障控制算法并在視頻中演示了完美避障過彎。

由于預先說明了會將視頻保留并上傳到網上,供學弟學妹學習借鑒,所以本屆學生的演示視頻制作得相當不錯(見圖1)。

2.4 考核方式的配套改革

教師大多認為學生過于追求分數,“功利心過重”,然而分數的確能比較客觀地反映學生的學習情況,學生在找工作或聯系研究生導師時,除了用作品說話,也只能用成績證明自己的能力,所以作為學生,追求分數正常自然。作為教師,應理解學生,努力改革課程考核方式,讓課程成績更能夠反映學生綜合應用能力和實踐能力。為此增大了實驗實踐環節在課程成績中的比重,課程成績由平時成績(10%)、實驗成績(20%)、綜合項目設計(20%)和筆試成績(50%)組成。

圖1 部分小組的智能小車

綜合項目設計成績的評定方法極大地影響各小組完成綜合項目的積極性,需要客觀公正,不能由教師一人評分。要求每個小組錄制一個3～4 min的視頻,演示小組作品的完成情況,教師和所有小組學生觀看視頻,為其評分。評分的加權平均值作為該小組最終得分,教師評分權重為0.4,學生評分權重為0.6。這種考核方式有助于激發學生的主動性,讓學生重視實踐及學習過程,有效地避免了“期末突擊”的學習方式。

3 改革成效

課程結束后,以不記名問卷形式,請學生評價學習效果,其統計結果如圖2所示。

圖2 問卷調查統計結果

92.9%的學生認為微視頻對于他的學習有幫助,在實驗課上也觀察到學生會在實驗過程中反復觀看視

頻片段,說明學生是在遇到問題時有針對性地通過視頻自主學習。82.1%的學生認為學習本課程后,他們掌握了基于C語言的嵌入式開發技術,提升了嵌入式項目開發能力。

綜合“實戰”項目環節不但幫助學生及時鞏固、深化所學知識,積累了項目開發的經驗,更重要的是,在這個環節中學生獨立完成了一個小項目,從功能規劃到硬件、軟件設計的全過程,讓學生比較客觀地了解了自己的實踐能力,幫助學生建立了信心。

4 結語

嵌入式系統軟硬件結合緊密、工程實踐性強,為培養學生的動手實踐能力,在嵌入式課程的實驗平臺、教學方法、實驗內容等方面做了全面深入的改革。新建設的嵌入式課程面向自動化學院“卓越工程師”教學班的學生授課,取得了良好的教學效果。

References)

[1] 教育部.卓越工程師教育培養計劃：教高函[2011]17號[Z].2011.

[2] 教育部,中國工程院.卓越工程師教育培養計劃通用標準：教高函[2013]15號[Z].2013.

[3] 霍華.嵌入式技術課程教學方法改革[J].計算機教育,2012(6):48-50.

[4] 呂燚,劉偉,葉立威.嵌入式工程實踐課程與實踐教學平臺建設[J].計算機教育,2016(7):159-162.

[5] 曹欲曉,韓磊,吳曉彬.應用型本科嵌入式軟件課程理論教學體系研究與探索[J].計算機教育,2015(16):74-77.

[6] 陳凱,魏文博,鄧明.嵌入式系統教學實驗板開發[J].實驗技術與管理,2016, 33(1):82-85,95.

[7] 漆強,劉爽.基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理, 2015,32(12):97-102.

[8] 唐思章,黃勇.SoPC與嵌入式系統軟硬件協同設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2005(12):5-8.

[9] 沈珊瑚,姚茂群.面向實踐創新人才培養的嵌入式系統教學研究[J].計算機教育, 2016(7):27-30.

[10] 鄢秋榮,王玉皞,王艷慶,等.面向軟硬件協同設計的嵌入式系統教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2016,35(6):190-193.

[11] 趙丹丹,李錫祚,宋海玉,等.項目驅動教學模式在計算機類人才培養中的實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(7):244-247.

[12] 王成勇,周慧杰,朱曉勇.基于科研項目驅動的大學生創新能力培養新途徑[J].高教論壇,2011(10):23-25.

Reform on embedded experimental teaching oriented for cultivation of engineering practical ability

Hu Qing, Yu Jia, Su Yugang

(School of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

To assist the “Excellent engineer education program” of the Automation major, a comprehensive and profound reform is made on the Embedded System course. The components, multi-meters, welding tools, etc., are packaged and distributed to the students so as to set up the students’portable laboratory, providing a foundation for the successive teaching reform. Innovative teaching modes such as MOOC and the flipped classroom are introduced to the experimental teaching, and the student’s approval is

. The classroom hours for experiments are increased, and the course experiment includes a course design for nearly one week. Each group of the students work out a plan on the functions of the intelligent car, and complete the design of the hardware and software, which greatly improves the students’ engineering practical ability.

embedded system development; portable laboratory; flipped classroom

G642.0

: A

: 1002-4956(2017)09-0160-04

2017-02-17

胡青(1975—),女,重慶,博士,副教授,研究方向為模式識別與智能控制.

E-mail:huqing@cqu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.040