面向工程实践能力培养的嵌入式实验教学改革

胡 青, 余 嘉, 苏玉刚

(重庆大学 自动化学院, 重庆 400044)

面向工程实践能力培养的嵌入式实验教学改革

胡 青, 余 嘉, 苏玉刚

(重庆大学 自动化学院, 重庆 400044)

配合自动化专业的“卓越工程师教育培养计划”,对嵌入式系统课程做了全面、深刻的改革。将元器件和万用表、焊台等工具打包发给学生,打造学生的“随身”实验室,为后续教学改革提供了基础。将MOOC和“翻转”课堂教学方式引入实验教学,获得了学生的认可。增加实验学时,课程实验中包含了一个近1周的课程设计内容,每组学生规划智能小车功能,并完成软硬件设计,极大地锻炼了学生的工程实践能力。

嵌入式系统开发； “随身”实验室；“翻转”课堂

“卓越工程师教育培养计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才,是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措[1-2]。而嵌入式系统因其在智能家电、汽车电子、医疗仪器,网络设备等方面的广泛应用,成为当前最热门,最具前途的技术之一[3-5]。然而嵌入式课程普遍存在与实际脱节、实践性不强等问题,需要进一步的改革和建设。

1 现状分析

1.1 实验平台

嵌入式实验平台最初大多为购买或自制教学实验箱。自制实验板可以根据课程要求设计实验箱,生产成本也能有所降低[6],但是实验箱集成的硬件模块种类有限,实验内容受到局限,无法灵活拓展,而学生在实验箱上只能做简单的连线,实验环节“偏软”，直接导致了学生不重视、不理解硬件设计。此外实验箱体积大,比较笨重,学生只能在实验室才能进行嵌入式实验,不利于激发学生利用碎片时间自主学习。

最近2年有教师提出“口袋”实验室的概念,整个实验平台分为最小系统、输入输出模块和交互接口3个模块[7]。与实验箱模式相比,口袋实验室具有便携性和灵活性,可以发给学生,方便学生充分利用课余时间,突破实验教学的时间空间限制。也有教师以Proteus作为主要开发平台,采用基于Cortex-M3的LM3S300系列微控制器,建设了虚拟实验平台,降低了实验室建设成本,方便实验内容的扩展和调整,学生只需要安装相关软件即可。缺点则是缺乏硬件设计和调试的实感。

1.2 实验教学方法

从教学方法上来说,实验教学沿用了理论教学的方法,通常也是利用黑板、投影仪和PPT,用少量的实验学时讲授完成本次实验所需的知识。然而从教学内容上来说,实验教学与理论教学有较大的差异。实验教学是理论教学的有效补充,帮助学生将所学的理论知识“落地”,其教学内容包括实验装置的使用、程序调试方法、硬件设计、实验题目分析等。

嵌入式系统具有软硬件结合非常紧密的特点。理论课侧重于讲授各个知识点,通过理论课的学习,学生并不能很好地理解软硬件协同设计的理念[8-10],那么嵌入式课程的实验教学就需要帮助学生建立软硬件协同设计的理念,应该侧重于讲授硬件设计和调试的方法,介绍万用表、示波器、焊台等相关仪器工具的使用。

PPT、投影仪这样的授课方式不适合讲授实验教学内容。首先,仪器设备的使用步骤多且繁琐,仅仅是课堂上讲授一次,学生很难熟悉整个流程；其次,PPT是静态的,而软硬件结合的程序调试是动态的,需要根据代码执行后的硬件情况来分析程序是否正确；最后,实验室有实验台、各种实验设备,很容易分散学生的注意力。从心情上来说,学生更希望自己动手做,而不想再继续听。此外,按知识点组织教学内容也不适合侧重于动手实践的实验教学。从学习的角度来看,“问题驱动”的教学组织方式更有助于学生理解仪器设备“何时用,怎么用”。而“怎么用”常常需要经过多次重复讲授,甚至是手把手地教,学生才能真正熟悉掌握。

2 改革措施

2.1 “随身”实验室

嵌入式技术实践性非常强,需要大量的时间来动手实践。大三上学期学生的学习任务非常重,需要方便学生利用空闲的“碎片”时间自主学习。嵌入式开发的硬件成本较低,硬件模块具有重量轻、体积小、便携性高的特点,完全可以将实验元器件打包发给学生,实验时由学生带到实验室。调查发现学生都有笔记本计算机(简称笔电),可以安装课程实验所需的开发软件。“笔电+元件包”组成了学生自己的随身实验室。

嵌入式实验以2个学生为一组,在第1次实验课上将课程实验所需的所有元器件以及常用工具,如万用表、焊台、吸焊枪、工具箱等,按组下发给学生。元器件包中的元件分为耗材和非耗材2大类,非耗材包括最小系统板、仿真器、液晶显示模块、超声波测距模块等,耗材包括电阻、连接线、LED小灯、按键等。表1是发给学生的元器件和工具列表。课程结束时，非耗材和工具需要交回实验室。

表1 下发的元器件及工具列表

2.2 “翻转”实验课堂

MOOC和微课的模式适合应用于嵌入式课程的教学,因此将微视频、微课应用于嵌入式实验课教学,在一定程度上实现了“翻转”课堂的教学模式。CMSIS库函数、程序设计以及如何调试程序等内容,用PPT很难讲解清楚,采用录制视频的方式来讲解能够取得较好的效果。课程组制作了20多个视频,讲解如何通过阅读函数说明来了解库函数功能、如何调用库函数、如何调试测试工程等。

嵌入式开发需要在确定外部硬件设计或连接后才能编写软件,而在调试过程中又需要观察外部硬件的状态,确定程序是否完成指定功能。与外部硬件模块相关的内容,用录屏软件加网络摄像头的方式录制微视频,例如“按键小灯示例”视频讲解如何调用GPIO接口库函数、读入按键状态、根据按键状态输出控制小灯亮灭。视频详细讲解了如何调用库函数,并演示了如何单步调试程序,通过摄像头可以看到外部硬件的变化情况。

将微视频上传到网络平台上,学生可以根据自己的学习进度随时随地通过观看视频来学习。通过微视频完成实验教学任务,不但教学效果要优于传统的“黑板+PPT”模式,而且可以突破实验课的时间空间限制,教师可以提前上传视频,布置实验内容。到实验室时学生基本都已经努力做过实验,实验课上主要是与指导教师交流自己遇到的问题,尤其是硬件故障以及调试程序的问题。

2.3 综合“实战”项目

将工程或科研项目引入课堂或实验教学中,对于培养学生的创新实践能力具有积极作用[11-12],所以通常对于实践性强又比较重要的专业基础课,大多采取“课程+课程设计”的模式,在课程设计中学生完成一个综合项目的设计。然而课程设计通常滞后课程教学1学期甚至2学期,从时间上来说断层太大，因此改为采用“课程包含课程设计”的模式,将实验学时提高到64学时,最后20学时要求每组学生完成智能小车设计。小车要具备基本的运动和避障功能,提升功能由个小组自己设计。下发的元器件包中有一个小车套件,套件中有小车底盘、直流减速电机和轮子。课程最后的综合“实战”项目要求每个小组设计并实现自己的智能小车。智能小车的具体功能由小组自己决定,鼓励使用课程中没有讲解过的硬件模块。越复杂的功能分值越高,例如躲避障碍物为30分、遥控功能为60分,课程没讲解过的硬件模块根据复杂度分值在40～60分之间。每个小组录制3 min的视频,演示说明自己小车的性能和特点。

学生对于智能小车设计表现出了极大的热情,有小组用蓝牙和红外实现了遥控、有小组尝试使用无线NRF24L01模块(虽然失败了但学生很有收获)、有小组将声音模块用于小车控制、有小组将设计重点定为避障控制算法并在视频中演示了完美避障过弯。

由于预先说明了会将视频保留并上传到网上,供学弟学妹学习借鉴,所以本届学生的演示视频制作得相当不错(见图1)。

2.4 考核方式的配套改革

教师大多认为学生过于追求分数,“功利心过重”,然而分数的确能比较客观地反映学生的学习情况,学生在找工作或联系研究生导师时,除了用作品说话,也只能用成绩证明自己的能力,所以作为学生,追求分数正常自然。作为教师,应理解学生,努力改革课程考核方式,让课程成绩更能够反映学生综合应用能力和实践能力。为此增大了实验实践环节在课程成绩中的比重,课程成绩由平时成绩(10%)、实验成绩(20%)、综合项目设计(20%)和笔试成绩(50%)组成。

图1 部分小组的智能小车

综合项目设计成绩的评定方法极大地影响各小组完成综合项目的积极性,需要客观公正,不能由教师一人评分。要求每个小组录制一个3～4 min的视频,演示小组作品的完成情况,教师和所有小组学生观看视频,为其评分。评分的加权平均值作为该小组最终得分,教师评分权重为0.4,学生评分权重为0.6。这种考核方式有助于激发学生的主动性,让学生重视实践及学习过程,有效地避免了“期末突击”的学习方式。

3 改革成效

课程结束后,以不记名问卷形式,请学生评价学习效果,其统计结果如图2所示。

图2 问卷调查统计结果

92.9%的学生认为微视频对于他的学习有帮助,在实验课上也观察到学生会在实验过程中反复观看视

频片段,说明学生是在遇到问题时有针对性地通过视频自主学习。82.1%的学生认为学习本课程后,他们掌握了基于C语言的嵌入式开发技术,提升了嵌入式项目开发能力。

综合“实战”项目环节不但帮助学生及时巩固、深化所学知识,积累了项目开发的经验,更重要的是,在这个环节中学生独立完成了一个小项目,从功能规划到硬件、软件设计的全过程,让学生比较客观地了解了自己的实践能力,帮助学生建立了信心。

4 结语

嵌入式系统软硬件结合紧密、工程实践性强,为培养学生的动手实践能力,在嵌入式课程的实验平台、教学方法、实验内容等方面做了全面深入的改革。新建设的嵌入式课程面向自动化学院“卓越工程师”教学班的学生授课,取得了良好的教学效果。

References)

[1] 教育部.卓越工程师教育培养计划：教高函[2011]17号[Z].2011.

[2] 教育部,中国工程院.卓越工程师教育培养计划通用标准：教高函[2013]15号[Z].2013.

[3] 霍华.嵌入式技术课程教学方法改革[J].计算机教育,2012(6):48-50.

[4] 吕燚,刘伟,叶立威.嵌入式工程实践课程与实践教学平台建设[J].计算机教育,2016(7):159-162.

[5] 曹欲晓,韩磊,吴晓彬.应用型本科嵌入式软件课程理论教学体系研究与探索[J].计算机教育,2015(16):74-77.

[6] 陈凯,魏文博,邓明.嵌入式系统教学实验板开发[J].实验技术与管理,2016, 33(1):82-85,95.

[7] 漆强,刘爽.基于嵌入式系统的“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理, 2015,32(12):97-102.

[8] 唐思章,黄勇.SoPC与嵌入式系统软硬件协同设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2005(12):5-8.

[9] 沈珊瑚,姚茂群.面向实践创新人才培养的嵌入式系统教学研究[J].计算机教育, 2016(7):27-30.

[10] 鄢秋荣,王玉皞,王艳庆,等.面向软硬件协同设计的嵌入式系统教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索,2016,35(6):190-193.

[11] 赵丹丹,李锡祚,宋海玉,等.项目驱动教学模式在计算机类人才培养中的实践[J].实验技术与管理,2011,28(7):244-247.

[12] 王成勇,周慧杰,朱晓勇.基于科研项目驱动的大学生创新能力培养新途径[J].高教论坛,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,重庆,博士,副教授,研究方向为模式识别与智能控制.

E-mail:huqing@cqu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.040