基于MicroPython的微機原理與接口技術實驗教學改革研究

史蓓蕾,余恒

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430023)

0 引言

隨著新一代信息技術的快速發展及其與各類專業不斷交叉與融合，為滿足信息化社會的建設對高級人才的需要，高校各專業也以培養跨學科、綜合型、創新型人才為育人目標。微機原理與接口技術課程作為高校計算機、電子技術和自動化等相關專業的一門重要專業基礎課程，讓學生理解和掌握微型計算機內部結構和工作原理，奠定其硬件系統設計和應用能力具有重要的作用[1]。目前該課程傳統的實驗手段和內容已經不適合當前的發展需要。一方面，現行的微機原理與接口技術課程的實踐內容多以認知和驗證性為主，實驗內容的深度和廣度不足，設計型和創新型實驗很少；另一方面，隨著新一代信息技術的快速發展、人臉識別、語音導航、智能家居、智能機器人等已經深入人們生活的方方面面，但支撐微機原理與接口技術課程的實驗環境和實驗手段還比較落后和單一，難以支撐學生利用物聯網、機器視覺、人工智能等信息化手段解決實際問題[2]。

為了讓微機原理與接口技術課程實驗體系更契合當前專業培養的需求、課程組嘗試把人工智能、機器視覺、物聯網等新一代信息技術融合到實驗內容中，將MicroPython 與微機原理與接口技術實驗教學相結合，以實現對學生的融合應用能力和創新能力培養的教學目標。

1 基于MicroPython 的微機原理與接口技術實驗教學改革

1.1 簡單而強大的實驗工具

面向硬件的傳統編程語言多是以C、C++和匯編語言為主導。但隨著新一代信息技術的快速發展，硬件系統開發的復雜性日漸增加，基于這些語言的傳統開發模式缺點顯得越來越突出。例如：設計系統過于復雜會導致編譯時間變長；開發包多為閉源軟件庫而導致調試困難；需要專門的工具設備進行開發調試；要求有較高的知識儲備導致入門門檻過高等問題。一些學生由于編程基礎差，理解模塊代碼較慢，加上編譯調試耗時長，而課堂時間又有限，難以感受到硬件實驗所帶來的樂趣，因而失去學習課程的興趣[3]。

近年來，由于Python 編程語言開始被納入高考項目中，越來越多的學生開始學習Python，而且在本校大學計算機基礎和程序設計語言兩門公共基礎課程中，均開設有Python 編程的相關內容的課時，在此基礎之上，我們選擇引入MicroPython語言到計算機硬件技術基礎實驗課程中。我們可以把MicroPython 理解為一個可以運行在微處理器上的Python解釋器，它使得我們可以通過編寫Python 腳本就能實現對硬件的控制，因此，有Python 編程語言經驗的學生，在使用MicroPython 語言進行硬件開發編程時，會更加得心應手[4]。

由于Python 語言易于理解、操作靈活等特點，使得它在許多領域都得到了應用，特別是在近幾年流行的數據挖掘、機器視覺、人工智能以及區塊鏈技術等前沿領域，也都占據一定地位。Python語言有多種實現方式，如CPython、Jython、PyPy 等，而MicroPython 也是Python大家族中的一員，但它與其他Python成員不同的地方在于，它更適用于嵌入式系統的開發（如ESP8266、ESP32等物聯網開發板）。MicroPython封裝了C 語言中的大部分函數，并為一些常用的傳感器和組件都編寫了專門的驅動程序，用戶只需通過調用相關的函數，就可以直接控制各類傳感器和使用各種功能。因此無論是控制電機、獲取傳感器信息還是使用HTTP 協議或MQTT 協議實現物聯網操作，MicroPython 都提供了豐富的開源庫供我們使用。我們不用再去研究底層硬件的控制方法，這樣一來，學生對于底層設備的操作更容易上手，降低了開發難度。另外，MicroPython 是一種動態語言，我們無須編譯就可以直接讓開發板運行程序內容，并在程序執行過程中動態的調整程序參數，這大大地簡化了編程和調試的過程，學生可以把更多精力放在功能的設計開發上，為進一步的創新實踐打下堅實的基礎。

課程組選用了pyAI-OpenMV4 Plus 開發套件作為實驗開發工具（如圖1 所示），該套件是基于Micropython 開發平臺量身定制而成，其主控芯片使用的STM32H743IIK6，在此基礎上集成了OV7725 攝像頭芯片，并將核心的機器視覺算法封裝在主控芯片上（如：包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標志跟蹤等常用算法），給用戶提供靈活簡單的Python編程接口。在此套件提供的基礎上，用戶僅需要通過編寫一些簡單的代碼，即可輕松地完成各種機器視覺相關的任務。在外圍接口方面，該套件提供了UART、I2C、SPI、PWM、ADC、DAC以及GPIO等豐富的資源，為用戶提供了方便的外圍擴展的功能，同時，它還可以支持與其他的單片機模塊（如Arduino、RaspberryPi等）進行配合使用。套件提供配套的集成開發環境OpenMVIDE，主控板只需通過USB 接口直接連接到電腦上，就能通過該集成開發環境實時進行編程、調試和更新固件等工作。除此以外，該套件還提供開源線上神經網絡模型訓練工具，能夠方便高效地進行在線算法模型訓練。由于擁有以上豐富強大的功能，使得該套件為學員利用融合人工智能、機器視覺和物聯網等信息化手段來解決問題提供了支撐手段[5]。

圖1 pyAI-OpenMV4 Plus開發套件

1.2 多層次遞進的實驗教學內容

在構建微機原理與接口技術課程的實驗內容時，為符合學生在學習過程中由淺入深、由易到難、由硬件到軟件、由基礎到綜合、由驗證到創新的規律，將微機原理與接口技術課程內容分為3個層次，即基礎型實驗、綜合性型實驗和創新型實驗[6]。

首先，學生需要掌握最基礎的原理知識和熟悉硬件各個基礎的功能模塊的實現方法，圍繞這個目標，課程組設計了基礎型實驗；其次，在完成該目標的基礎上，進一步為學生設計了綜合型實驗，以實現學生能通過選擇用已有的技術方案進行編程實踐來解決實際問題的目標；最后，創新型實驗在此基礎上再次遞進，實現學生能夠對已有的解決問題的思路和方法，進行進一步的探索和創新的最終教學目標。

1)基礎型實驗

基礎性實驗主要為驗證性實驗，教學目標主要為：①能熟悉各類接口的工作原理，數據的輸入輸出格式和方式等基本知識；②能熟練掌握用MicroPython 快速編寫、調試程序的方法。該類實驗可包括控制LED 燈亮滅實驗、PWM 呼吸燈實驗、流水燈實驗、ADC 實驗、OLED 液晶屏顯示實驗等。

2)綜合型實驗

綜合型實驗主要通過學習和應用多種新一代的信息技術來解決已知問題的實驗，解決的方法多是已有的成熟的方案。教學目標主要為：①能知曉機器視覺、物聯網、人工智能相關概念和技術，并理解它們的典型應用；②能熟練的引用機器視覺各個算法庫中的模塊，并融合傳感器、Wi-Fi 等模塊功能，通過完成基于物聯網思想的實驗以解決實際問題。該類實驗可包括特征檢測、顏色追蹤、人臉檢測、眼球追追蹤、Wi-Fi通信等實驗等。

3)創新型實驗

創新型實驗主要通過多種新技術的融合應用，來嘗試解決一個不確定的問題。教學目標主要為：①通過結合其他單片機模塊，集成各類系統（如機器人、手機、云服務等）來解決問題。②能夠熟練運用信息網絡搜集專業資料和參與開源社區的交流，并能合理的利用開源代碼，自主的解決遇到的技術難題。該類實驗可由學生自定義，為開放性實驗。

改革后的實驗內容涉及的新技術知識較多，學生在進行設計開發時候，容易出現只會依葫蘆畫瓢，不知其所以然的現象。但是微機原理與接口技術的理論課時有限，故在保持課程學時盡量不變的前提下，考慮在下一步圍繞微機原理與接口技術課程，層級遞進的構建相關的選修課程群，該課程群可以包含人工智能導論、機器視覺、邊緣計算和智能傳感技術等相關課程，這些課程是目標是讓學生了解最新的人工智能，數據采集和數據處理技術，從而更好地設計和開發各類先進和智能的應用系統。

1.3 多技術融合的實驗案例庫

微機原理與接口技術課程與時俱進，將新一代信息技術融入實驗教學內容中，在培養學生硬件開發實踐能力的同時，促進物聯網、機器視覺、人工智能等新一代信息技術的普及，為培養學生的融合應用能力和創新能力提供支撐。根據課程目標具體設計了18個實驗案例（表1) 。這些案例分為基礎和綜合2 個層次。

基本實驗一共設置有10個案例，其目的是讓學生熟悉輸入/輸出接口基本結構和GPIO，掌握中斷系統、串行接口、定時器DA/AD 轉換等基本原理及其應用。在此基礎上，進一步設置了8個綜合實驗，其目的是讓學生掌握各類已有的機器視覺算法的基本實現方法，了解神經網絡模型訓練方法，并能在Wi-Fi 模塊的支持下，完成基于物聯網思想的實驗。在每個案例中，均給出了對實驗的基本要求，學生可以在此要求上進一步拓展實驗內容，因此，該案例庫為學生進一步完成創新型實驗提供了堅實的基礎。

創新型實驗屬于開放型實驗，由學生自定義內容，因此不在以上案例庫中。學生以3～4 人組成團隊，在基于套件的核心板上可搭配其他控制板，實現一個較為復雜的應用系統，例如：智能門禁系統，智能實驗室、智能農業大棚、智能小車等。該實驗環節的設置目的，是讓學生能將從案例庫中所學習和積累的知識和技術進行融會貫通，從實際生活角度出發，從創新性、實用性、趣味性等方向進行創意產品設計與開發，旨在探索用一種新的技術方式解決實際問題。實驗創新實驗環節的設置，以學生為主體，倡導自主學習、合作學習、探究學習，以培養學生的協作意識、團隊精神和創新精神。

1.4 以評為主的實驗考核方式

目前課程的考核方式為：形成性考核50%+終結性考核50%。其中形成性考核組成為：基礎實驗占比10%,綜合實驗占比20%，創新實驗設計占比20%。終結性考核形式以筆試閉卷形式進行理論考核。由此可見，實驗成績所占比重較大，特別是對創新型實驗的考評，要從產品實用性、完整度、創新性和技術難度多方進行考量。為了能對創新實驗進行客觀而有效的考核，我們提出了以評為主的考核方式。

以評為主的考核方式是指，讓學生對創新實驗的成果進行匯報展示，然后對其進行評分。匯報以小組為單位，對產品功能進行現場演示，并以PPT 形式對產品設計的各個環節進行講解，并提交包含硬件、源代碼，演示視頻和技術文檔一整套完整的產品資料。考核分數由專家評分(40%)+小組互評(40%)+線上評分(20%)三部分組成。其中專家評分和小組互評為現場評分，專家由課程組教師擔任，線上評分為校園網上各作品視頻的投票結果。

2 結論

在新一代信息技術的驅動下，計算機類實踐課程的教學改革變得尤其迫切。鑒于微機原理與接口技術課程在計算機類相關專業中的重要作用，針對該實驗課程內容和方法存在的不足，將MicroPython 與微機原理與接口技術實驗教學相結合，使學生能夠以一種新的模式學習硬件開發編程，以實現融合應用能力和創新能力培養的教學目標。