基于STM32自開發實驗板的第二課堂創新能力培養

黨會

[摘要]

為了探索學生創新能力和實際動手能力培養的教學模式，在教學計劃規定的必修課程之外開設了第二課堂。基于積木式模塊化結構開發了教學實驗板，在滿足基礎實驗課程的同時，通過外接各種功能模塊，實現常見電子設備、測量儀器、家用電器等的設計。通過“電子精英班”、“ STM32基礎實驗教學”、“創新一學分培養”等環節的學習，誘發學生創新思維，培養學生工程實踐能力，鼓勵學生參加各種大學生競賽。經過 3年的實踐，第二課堂創新能力培養取得了優異的成績。

[關鍵詞]STM32嵌入式實驗板;第二課堂;創新能力培養

[中圖分類號]G64[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2015）02-0106-03

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》把“創新人才培養方式”列為重中之重，明確了著力培養一大批拔尖創新人才的教育改革發展目標。學生創新能力的培養關系到國家建設的后繼有人、社會發展的穩定秩序、學生個人的未來發展，作為人才培養主要陣地的高校理應擔負起這一重要的責任。培養學生創新能力和實際動手能力是社會發展和目前就業形勢對高校教育的更高要求[1-3]。針對本科生的創新能力培養，提出采用基礎實驗教學和第二課堂培養的方式，開設了“基于STM32的創新一學分”課程設計[4-6]。

嵌入式系統是一個針對特定的應用而“量身定做”的專用計算機系統，涉及先進的計算機技術、自動控制技術、通信、電子信息等領域，知識覆蓋面廣，綜合性、實踐性強，應用領域廣[7]。目前，隨著我國嵌入式系統市場需求的快速增長，對嵌入式領域的人才需求旺盛。但由于普通高校嵌入式方向師資力量薄弱，教師軟硬件知識兼通的較少，資金設備投入小，只是針對個別專業開設了嵌入式系統的相關課程，且實踐環節多采用外購的實驗箱，成本高、利用率低、不易維護。

本文應用STM32F103ZCT6開發了嵌入式系統教學實驗板，包括LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，支持JTAG/JLINK調試，滿足嵌入式系統的基礎實驗教學。設備采用積木式模塊化結構，通過外接溫濕度檢測、超聲波測距等硬件模塊，便于不斷擴充和更新的同時減少了后續經費的投入額度，與傳統的實驗設備相比有一定的設計理念，更利于學生工程實踐能力和創新能力的培養。該實驗板在燕山大學《嵌入式系統》的基礎實驗教學及本科生第二課堂創新能力的培養中，取得了很好的實踐效果。

1嵌入式系統教學實驗板開發

結合本科基礎實驗教學及創新培養的需要，采用積木式模塊化結構，開發了一套基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式系統教學實驗板。該實驗板針對性強，由于采用積木式模塊化結構，在主板的基礎上，通過不斷地擴充與創新能力及專業培養目標相關的硬件模塊，可以實現很多儀器儀表、工業控制等設備樣機。與傳統的實驗設備相比，包含了很好的設計理念，更有利于培養學生動手能力和創新能力，同時，便于根據嵌入式系統行業發展進行同步更新，極大的減小了后續投資成本，更適合高校發展的需要。

實驗板基于STM32F103ZCT6微控制器芯片，主要有LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，通過20引腳標準JTAG調試接口，結合IAR集成開發環境和JLINK調試器，進行程序下載及調試。實驗板實物圖如圖1所示。

1） CPU。采用ST公司的32位微控制器

STM32F103ZCT6，最高頻率可達72 MHz。

2） I2C接口，可外接ROM存儲器、溫度傳感器等。

3） JTAG調試接口，用于程序下載調試。

4） RS232串行口，采用最簡單的三線連接，通訊波特率最高可達115.2 kb/s。

5） 外設。包括4個按鍵開關，4個LED指示燈，1個蜂鳴器，可完成基礎實驗教學。

2第二課堂創新能力培養教學環節設計“基于STM32的創新一學分”課程設計是燕山大學電氣工程學院為探索學生創新能力和實際動手能力培養教學模式的一次教學改革，是對課堂教學內容的補充和延續，以學生興趣和自愿為前提，誘發學生創新思維，在實踐中將發現問題、解決問題的過程同創新的過程融為一體。從某種程度上來說，第二課堂培養是為學習能力較強的學生提供的精英教育。

2.1第二課堂創新能力培養教學環節

第二課堂以對該課程有興趣的學生為依托，自愿報名，應用自主開發的基于STM32F103ZCT6的實驗板，完成“電子精英班”、“STM32基礎實驗教學”、“創新一學分培養”等教學環節的學習。第二課堂創新能力培養教學環節如表1。

“電子精英班”采用學生自愿報名、擇優錄取的方式，以提高學生動手能力為中心，以培養學生建立工程概念為主導，利用業余時間分三階段完成。第一階段為基礎知識儲備階段，學習基本的理論知識，以模擬、數字課程為基礎認識基本的電子元器件及電子工藝焊接的簡單操作。理論知識之后學生自己動手設計一些簡易的電子小產品，如電平指示電路、微型搶答器、觸摸延時開關、照明定時器、腦波同步發生器等。題目任選，3人一組，資料查詢、電路設計均由學生完成，老師只負責理論指導和驗收。第一階段考核通過后，進入軟件環節的學習，以C語言為基礎，先進行為期2周的STM8軟件基礎培訓，然后過渡到STM32的學習。

基礎實驗教學

（基于STM32）

GPIO口實驗（寄存器、固件庫兩種方式）;中斷控制實驗;定時器實驗;串口通信實驗創新一學

分培養

溫濕度測量儀;超聲波測距儀;循跡車;無線通信;交通燈控制器;定時打鈴控制器;密碼插座;溫度控制器;射頻身份識別器;簡易手機競賽

1） 秦皇島市單片機程序設計大賽

2） “飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽

3） 全國大學生電子設計大賽

“STM32基礎實驗教學”，以IAR Embedded?Workbench for ARM V5.30軟件開發環境為基礎，完成簡單的GPIO口、中斷、定時和串口等基礎實驗，為創新環節打下基礎。

“創新一學分培養”側重于學生的動手能力和解決實際問題的工程能力，以實驗主板為基礎，通過外接各功能模塊實現，具體項目如表1所示。3人一組，題目任選，最后以結題報告和項目成果形式進行驗收。驗收合格，經學院審核，由學校批準通過，給予創新學分。

2.2創新一學分硬件模塊

根據創新一學分培養的需要，以實用的、常見的電子設備、測量儀器、家用電器為設計目標，設計了10個項目，如表1所示。每個項目配備相應的功能模塊，如在溫濕度測量儀項目中，為學生提供DHT11數字溫濕度傳感器模塊、相應的顯示模塊及報警模塊;在超聲測距儀項目中，為學生提供URM37超聲波傳感器模塊和相應的數碼顯示模塊，精度可達1cm;在循跡車項目中，為學生提供電機驅動模塊、四輪小車，可實現差速轉向、前進和倒退功能等等。

為完成相應項目功能，學生需要結合已學知識并查閱相關資料，補充適當的理論知識，了解各模塊功能、模塊間連接方式并編寫程序，通過反復下載程序進行調試，最終完成課題。項目完成后上交結題報告，并制作PPT進行答辯，由指導教師對實驗成果進行驗收，并給出成績上交教務處備案。

2.3創新一學分功能模塊實例

溫濕度測量在工業生產中是十分重要的被測對象，溫濕度測量儀選題貼合生產實際。該項目基于STM32實驗主板，提供集成溫濕度傳感器DHT11、數碼管顯示模塊、蜂鳴器報警模塊;項目要求每2秒鐘顯示一次溫濕度，溫度的測量精度為±1 ℃，濕度測量精度為±3相對濕度，設置溫濕度報警限，用蜂鳴器報警。項目結構示意圖如圖2。在系統正常工作情況下，顯示電路可以實時的顯示室內的溫度和濕度;當溫度和濕度超限時，報警電路通過蜂鳴器報警，以便實現溫度和濕度的調整。

第二課堂創新能力培養基于“金字塔”模式，錄取學生采取寬進嚴出的方式，通過層層選拔，最終選取綜合表現優秀的學生參加校、市、省乃至國家級比賽。選拔的優秀學生進入“飛思卡爾”車模實驗室，并以小組形式參加“飛思卡爾”全國大學生智能車競賽。基于STM32自開發實驗板的第二課堂創新能力培養已開展3年，取得了很好的效果，在“飛思卡爾”全國大學生智能車競賽中先后獲得全國一等獎1項、二等獎1項的優異成績。

第二課堂創新能力培養提供了一種全新的學習方式，建立了一個完整的集趣味性、實用性、創新性為一體的教學體系，為學生培養專業興趣、拓寬專業知識、開闊視野、培養創新能力搭建了一個廣泛的活動平臺。不僅能激發學習興趣，而且在實踐中培養了學生的創新能力，使學習由被動變為主動，在“發現問題解決問題再發現問題再解決問題”的過程中，達到創新能力培養的目的。而基于積木式模塊化的實驗設備模式，有極大的靈活性，降低了后期資金投入，符合各高校發展需要。

參考文獻

[1] 馬曉玲，劉美鳳，王小雪.美國9所院校教育技術學專業課程內容研究[J].中國電化教育，2013，（4）：6-12.

[2] 宋春林，劉富強，郭愛煌.“旨在提高工程實踐與創新能力”的多層次嵌入式系統實驗體系[J].計算機教育，2012，（22）：86-88.

[3] 徐武雄.基于CDIO的地方高校嵌入式系統仿真實驗室建設研究[J].中國電力教育，2012，（19）：98-99.

[4] 荀艷麗.嵌入式系統實驗教學方法的研究與改進[J].佳木斯教育學院學報，2012，（12）：11-14.

[5] 韓桂明.獨立學院嵌入式系統教學模式探討[J].電子世界，2012，（12）：166.

[6] 羅怡桂.基于問題解決的嵌入式系統實驗教學實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31（10）：377-379.

[7] 劉澤平，羊四清.計算機專業嵌入式方向課程體系建設[J].計算機教育，2013，（6）：103-105.

Second classroom innovation capability training

based on self-developed experimental board of STM32

DANG Hui

（Institute of Elecrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

AbstractIn order to explore the teaching mode of students′ innovative ability and practical ability，the second classroom was

offered in addition to the teaching plan compulsory courses. Cordwood system modularization structure was used to develop the

teaching experimental board，it can meet the basic experimental courses，at the same time，it can realize designing of common elec

tronic equipment，measuring instruments，household appliances etc.，through the external of various functional modules.Through

the study of "electronic elite class"，"STM32 basic experimental teaching"，"innovation one credit training" and so on，inducing

students′ innovation thinking，training students′ capability of engineering practice，encouraging students to participate in various

competitions.The second classroom innovation cap ability training has achieved excellent results by the practice of 3 years.

Key wordsSTM32 embedded experimental board;second classroom;innovation capability training