基于MOODLE的個(gè)性化嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

摘 要 實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生思維與動(dòng)手相結(jié)合能力的最佳場(chǎng)所，如何更好的提高實(shí)驗(yàn)室的效能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。為了克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定，一定程度上降低了培養(yǎng)效果的問(wèn)題，提出了一種個(gè)性化實(shí)驗(yàn)室的理念，討論了使用MOODLE實(shí)現(xiàn)個(gè)性化嵌入式實(shí)驗(yàn)室的方法和方案，實(shí)踐證明這種方法能夠維持實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生形成的培養(yǎng)效果。

關(guān)鍵詞 個(gè)性化 實(shí)驗(yàn) MOODLE嵌入式

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)生的教育過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室對(duì)于動(dòng)手能力的培養(yǎng)是一個(gè)重要組成部分。這種培養(yǎng)不是簡(jiǎn)單的動(dòng)手操作，而是需要通過(guò)學(xué)生的大腦對(duì)問(wèn)題的思索，提出一套解決問(wèn)題的方案。而很多實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定，年復(fù)一年的從上一屆學(xué)生傳到下一屆學(xué)生。這種狀況會(huì)降低實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)效果，因?yàn)槎嘧鰧?shí)驗(yàn)的學(xué)生存在思考的惰性，會(huì)拷貝上一屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。尤其是在嵌入式實(shí)驗(yàn)當(dāng)中， 實(shí)驗(yàn)程序很容易被復(fù)制。如果能夠靈活的配置實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的某些參數(shù)，使得結(jié)果不能被輕易復(fù)制，將保證實(shí)驗(yàn)的效果不被減弱。

MOODLE是一套開(kāi)源的是一套基于“社會(huì)建構(gòu)主義理論”設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。①本文將討論如何利用MOODLE為每個(gè)嵌入式實(shí)驗(yàn)小組建立互不相同的一套實(shí)驗(yàn)任務(wù)，建設(shè)一個(gè)動(dòng)態(tài)的個(gè)性化嵌入式實(shí)驗(yàn)室。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

嵌入式課程是讓學(xué)生了解嵌入式處理器的基本結(jié)構(gòu)和外設(shè)接口，熟練掌握基本的編程方法。例如STM32F103ZET6作為實(shí)驗(yàn)使用的嵌入式處理器，實(shí)驗(yàn)板的硬件外設(shè)包括ADC、DAC、GPIP、USART、按鍵輸入、TFT等。嵌入式實(shí)驗(yàn)需要的軟件有RealView MDK，調(diào)試工具采用JLINK V7。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)主要有掌握編程開(kāi)發(fā)軟件和調(diào)試軟件的使用，硬件外設(shè)的使用，終端服務(wù)程序編寫(xiě)等，下面列出幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為討論應(yīng)用MOODLE個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的例子。

1.1 實(shí)驗(yàn)1：跑馬燈實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)的關(guān)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(chuàng)建程序項(xiàng)目的過(guò)程，包括編譯、軟件仿真、硬件仿真等。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：（1）熟悉STM32的8種I/O端口的配置模式；（2）如何通過(guò)JLINK 連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)；（3）如何啟動(dòng)和使用Keil MDK開(kāi)發(fā)軟件；（4）如何輪流點(diǎn)亮和熄滅4個(gè)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(shí)驗(yàn)板上并運(yùn)行代碼。

1.2 實(shí)驗(yàn)2：按鍵輸入實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)硬件中斷如何發(fā)生以及中斷服務(wù)程序，如何用Keil MDK進(jìn)行調(diào)試。另一個(gè)目的是如何使用調(diào)試斷電。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：（1）如何變成 I/O寄存器，使I/O管腳產(chǎn)生外部輸入中斷；（2）如何編寫(xiě)和使用外部中斷程序；（3）如何在Keil MDK中使用斷點(diǎn)；（4）如何完成一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。

1.3 實(shí)驗(yàn)3：IIR濾波器實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是利用Matlab軟件的FDA工具設(shè)計(jì)IIR濾波器，掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)嵌入式算法的方法，如何使用STM32F103ZET的A/D與D/A變換器。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容有：（1）如何在Matlab的fdatool工具輔助下設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)；②（2）如何在fdatool工具中產(chǎn)生濾波器系數(shù)的頭文件以及在程序項(xiàng)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(hào)；（4）如何用編程的方法實(shí)現(xiàn)IIR濾波器。

1.4 實(shí)驗(yàn)4：PWM實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是掌握如何利用數(shù)字輸出控制模擬電路，學(xué)會(huì)配置定時(shí)器以產(chǎn)生PWM輸出。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)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(dòng)態(tài)修改PWM的占空比；（4）如何通過(guò)PWM輸出播放一個(gè)音樂(lè)波形文件。

2 基于MOODLE的實(shí)驗(yàn)室組成

嵌入式實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分成所述的四個(gè)部分組成，每一部分主要包含以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)的主要目的和學(xué)習(xí)內(nèi)容：詳細(xì)內(nèi)容已經(jīng)在前一節(jié)中說(shuō)明；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：列出實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備、軟件工具和測(cè)試儀器；（3）實(shí)驗(yàn)介紹：介紹要完成實(shí)驗(yàn)所需要的一些背景信息；（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：列出完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)需要的軟件和硬件配置的步驟；（5）實(shí)驗(yàn)任務(wù)：每個(gè)實(shí)驗(yàn)包括了一組試驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)提問(wèn)的方式要求學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入答案，激發(fā)學(xué)生摸索與嵌入式處理器的硬件和軟件相關(guān)的概念。在提問(wèn)設(shè)置中，允許學(xué)生多次回答問(wèn)題，但是每重復(fù)回答一次將會(huì)被扣分；（6）提交源程序：所有的實(shí)驗(yàn)完成以后，學(xué)生都必須通過(guò)MOODLE提交源程序的代碼。

前四個(gè)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(nèi)容傳遞給學(xué)生。每一課可以包含數(shù)個(gè)網(wǎng)頁(yè)，每頁(yè)結(jié)束都有一個(gè)或者幾個(gè)問(wèn)題，并提供可能的答案供學(xué)生選擇。根據(jù)學(xué)生回答問(wèn)題的情況，確定是否進(jìn)入下一步學(xué)習(xí)階段或者返回前面的內(nèi)容再?gòu)?fù)習(xí)一遍。整個(gè)學(xué)習(xí)的進(jìn)程要根據(jù)內(nèi)容的難以程度做合理的安排。

Quiz是MOODLE中的考試模塊，用于實(shí)驗(yàn)任務(wù)的測(cè)驗(yàn)，將在下一部分討論。實(shí)驗(yàn)的源程序代碼作為學(xué)生的作業(yè)，被上傳到MOODLE中Assingment模塊。作業(yè)可以指定到期日和最高成績(jī)， 學(xué)生可以上傳他們的作業(yè)（任何檔案格式）到服務(wù)器，而且記錄交件時(shí)間； 允許作業(yè)遲交，但是遲交時(shí)間會(huì)對(duì)教師詳細(xì)顯示；教師回饋會(huì)加在每個(gè)學(xué)生的作業(yè)后面，而且寄發(fā)通知， 教師可以選擇允許評(píng)分后重交作業(yè)（作業(yè)重新評(píng)分的依據(jù)）。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)的第1項(xiàng)到第5項(xiàng)都編制為L(zhǎng)aTeX文檔，③當(dāng)需要使用的時(shí)候?qū)⑥D(zhuǎn)換為MOODLE中的一個(gè)HTML文件。MathJax用于顯示LaTeX中的公式，④網(wǎng)頁(yè)中插入數(shù)學(xué)公式一直是比較麻煩的，對(duì)于開(kāi)發(fā)者和撰寫(xiě)者均如此，MathJax是一個(gè)開(kāi)源，基于Ajax技術(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式顯示解決方案。它能夠在HTMl頁(yè)面中高質(zhì)量的顯示LaTeX和MathML數(shù)學(xué)符號(hào)，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(fù)制和粘貼。

3 MOODLE Quizzes的題型

實(shí)驗(yàn)任務(wù)使用MOODLE Quiz模塊完成。⑤在教學(xué)過(guò)程中，教師可利用測(cè)驗(yàn)來(lái)評(píng)量學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。在Moodle系統(tǒng)，試題是儲(chǔ)存在題庫(kù)中，題庫(kù)內(nèi)可建立類(lèi)別為不同屬性的試題做分類(lèi)。要建立一份完整的測(cè)驗(yàn)卷，要先在題庫(kù)中選擇類(lèi)別，再?gòu)念?lèi)別中選擇試題。在測(cè)驗(yàn)進(jìn)行完后，教師可以利用moodle 系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析表，協(xié)助教師分析試題的性質(zhì)，這部份是教師在出題及試卷檢討時(shí)很好的參考指標(biāo)，知道哪些題目詞意不當(dāng)造成學(xué)生答題上的誤解、哪些題目答對(duì)率很低，需要對(duì)學(xué)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(shuō)明 （Description）用來(lái)描述測(cè)驗(yàn)卷的相關(guān)信息；（2）申論題 （Essay）學(xué)生答題時(shí)在編輯器中以文字撰寫(xiě)答案。此題型必須由教師檢閱過(guò)后手動(dòng)給分，系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)給分；（3）配合題 （Matching）題目提供一系列問(wèn)題和一系列答案，學(xué)生答題時(shí)將問(wèn)題和答案正確地配對(duì)起來(lái)。每個(gè)問(wèn)題都有一個(gè)正確答案且每個(gè)問(wèn)題在分?jǐn)?shù)上的得分比例都是一樣的；（4）填空題（Embedded answers）題目的編寫(xiě)必需要依據(jù)Moodle 格式來(lái)編寫(xiě)，題中嵌入著幾個(gè)不同的問(wèn)題，包括選擇、簡(jiǎn)答（填充）和數(shù)字題等；（5）選擇題 （Multiple Choice）學(xué)生答題時(shí)可從多個(gè)答案中選擇正確的。有兩種類(lèi)型的選擇題：?jiǎn)芜x題和復(fù)選題。也因?yàn)閺?fù)選題允許學(xué)生選擇多個(gè)答案，所以教師在答案配分時(shí)可以分配負(fù)的分?jǐn)?shù)，也就是倒扣，避免學(xué)生以全部答案都勾選的方式來(lái)猜題；（6）簡(jiǎn)答題 （Short Answer）學(xué)生答題時(shí)輸入一個(gè)詞作為答案。正確的答案可以有多個(gè)，每個(gè)答案都可依據(jù)完整性，而得到不同的分?jǐn)?shù)。教師可以設(shè)定答案是否要區(qū)分大小寫(xiě)；（7）數(shù)字題 （Numerical）從學(xué)生的角度來(lái)看，數(shù)字題和簡(jiǎn)答題差不多。不同點(diǎn)在于數(shù)字題的答案是數(shù)字并且可接受誤差，允許設(shè)定一個(gè)連續(xù)的數(shù)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(shù)字都可以作為正確答案；（8）隨機(jī)簡(jiǎn)答配合題（Random Short-Answer Matching）這種類(lèi)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(xiàn)有的簡(jiǎn)答題中隨機(jī)抽取的，所以每次進(jìn)入測(cè)驗(yàn)所看到的問(wèn)題也會(huì)不一樣；（9）判斷題 （True/False）學(xué)生答題時(shí)選擇“對(duì)”或“錯(cuò)誤”；（10）計(jì)算題 （Calculated）計(jì)算題提供了另一種快速建立多個(gè)不同數(shù)字問(wèn)題的方法。在此題型中教師要提供正確答案的計(jì)算公式，而數(shù)字的部份系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配置

嵌入式實(shí)驗(yàn)室的主要部分由MOODLE結(jié)構(gòu)建成，例如在IIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)任務(wù)分為A、B、C、D四類(lèi)，其中任務(wù)A、B、C完全由MOODLE Quiz完成，任務(wù)D是通過(guò)MOODLE Quiz的計(jì)算性問(wèn)題和Matlab描述相混合的方式完成以產(chǎn)生濾波器的響應(yīng)圖。

MOODLE Quiz中的不同題型用于測(cè)驗(yàn)任務(wù)A、B、C部分，如表1，總共有61個(gè)題可供學(xué)生回答：

表1 測(cè)驗(yàn)題型的分配

發(fā)展實(shí)驗(yàn)室的最初目的就是要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的個(gè)性化，只有任選和計(jì)算題（總共10題）實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，占所有題數(shù)的25%。因?yàn)閭€(gè)性化的題目需要加入很多隨機(jī)性，這是一個(gè)需要兩至三年的時(shí)間去建立的過(guò)程。

圖1 個(gè)性化任務(wù)的例子——IIR濾波器的設(shè)計(jì)

如圖1是一個(gè)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)任務(wù)的例子，要求用fdatool設(shè)計(jì)一個(gè)低通IIR濾波器，帶通的頻率和截止的頻率可以隨機(jī)的設(shè)置，這樣就會(huì)產(chǎn)生不同的濾波器階數(shù)和濾波器系數(shù)。不同實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)生的答案是完全不通的，因此將是學(xué)生必須要親自動(dòng)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(chǎn)生的結(jié)果，判斷答案的正確性。（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）（上接第2頁(yè)）因此MOODLE必須調(diào)用一個(gè)實(shí)現(xiàn)定義的MATLAB pcode函數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了如何用MOODLE建立個(gè)性化的嵌入式實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用LaTeX編寫(xiě)，保存為單個(gè)文件以便于訪問(wèn)。當(dāng)查看試文件被轉(zhuǎn)換為MOODLE文件的格式便于復(fù)制與粘貼。使用LaTeX便于編寫(xiě)數(shù)學(xué)公式并可在Moodle中直接使用。一開(kāi)始，個(gè)性化的程度為25%左右，在以后的使用中將逐步提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的個(gè)性化比例。實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)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.