“口袋實驗室”在嵌入式系統教學中的應用

王中明 秦工 周俊

摘? 要： 文章結合“STM32+uC/OS-III”小型口袋實驗平臺，總結了“嵌入式系統”課程采用“口袋實驗室”實施教學的辦法，包括試驗設備、配套教材選取，教學內容安排，具體實施過程和教學評價方式等。為現有“一個老師，多個學生”的教學模式下進行“口袋實驗室”開放式教學提供一個成功案例。

關鍵詞： 口袋實驗室; 嵌入式系統; STM32; uC/OS-III; 開放式教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1006-8228（2021）04-101-03

Abstract： With the "STM32+uC/OS-III" pocket experiment platform， this paper summarizes the methods of teaching the "Embedded System" course by using "pocket lab"， including the selection of test equipment and subsidiary teaching materials， teaching content arrangement， specific implementation process and teaching evaluation method. It provides a successful case for the open teaching of "pocket lab" under the teaching mode of "one teacher， multiple students".

Key words： pocket lab; embedded system; STM32; uC/OS-III; open teaching

0 引言

“口袋實驗室”（pocket labs ）作為一種新型教學模式，其主要特點是學生可攜帶“口袋”化的實驗設備，自選場合自選時間進行實驗操作[1]。隨著集成技術的迅猛發展，一些專業課的試驗設備小型化、“口袋”化已成為一種必然趨勢，如“單片機”、“嵌入式系統”等課程中用到的通用ARM芯片（BQFP128封裝，大小為1.6cm*1.4cm），就可運行Linux等大型操作系統，并實現復雜應用。為緊跟科學技術發展，國內外高校中的一些工科專業都在快速推廣“口袋實驗室”的教學方式，如清華大學、西安交通大學、西北工業大學、華中科技大學等知名高校正在探索將模擬電路、數字電路、開關電源、單片機等“口袋”實驗板引入到教學中[2-4]。

同時，教學工作者也在從不同角度探索如何提高“口袋實驗室”教學效果，包括口袋實驗室的課程建設、管理制度建設、平臺建設等[5-7];特別是在現有“一個老師，多個學生”的教學模式下，如何保證開放式“口袋實驗室”教學效果是急需研究的課題之一。2016年，作者獲批湖北省教育廳項目《電信專業“口袋實驗室”教學模式的探索》，在“嵌入式系統”課程中引入了“口袋實驗室”教學方式，進行了為期3年的實踐探索。

1 “嵌入式系統”課程教學介紹

1.1 教學內容

“嵌入式系統”是一門硬件和軟件相結合的綜合課程，包括硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層等知識點，幾乎涉及到硬件開發和軟件開發工程中的所有技術[8]。不同培養方向的側重點會不同，表1列出主要的幾個培養方向和教學內容。

我院電信專業的主要培養學生硬件軟件綜合開發能力，“嵌入式系統”課程的側重點為中間層、系統軟件層，即在嵌入式硬件平臺，進行小型嵌入式實時系統的應用開發。

1.2 教學要求和目的

“嵌入式系統”課程要求學生能掌握嵌入式硬件開發平臺方法，能夠獨立的在“嵌入式硬件+小型嵌入式實時操作系統”平臺進行簡單項目開發，包括：

⑴ 掌握嵌入式硬件平臺開發方法;

⑵ 了解uC/OS-III操作系統的結構;

⑶ 掌握嵌入式操作系統中的基本概念;

⑷ 掌握uC/OS-III移植到嵌入式硬件平臺的方法;

⑸ 掌握uC/OS-III系統的應用程序開發方法。

2 基于“口袋實驗室”模式的“嵌入式系統”教學準備

2.1 實驗設備準備

本次“口袋實驗室”的設備沿用“單片機原理”課程中的“口袋”設備[9]：miniSTM32F1開發板，如圖1所示。這樣選取有許多好處。

⑴ 保證了教學的連續性，學生可在原有的平臺上進一步學習。

⑵ 保證了教學的完整性，學生可把一個平臺的知識學透徹、完整。

⑶ 可提高設備的利用率，降低設備的更新成本。

“miniSTM32F1開發板+uC/OS-III操作系統”平臺具有如下特點：

口袋化 設備大小為8cmx 10cm，便于攜帶，且功耗低，可直接用筆記本USB接口供電;非常適合“口袋實驗室”的要求，只需一個筆記本電腦，學生就可在實驗室、教室、寢室等場地進行學習和實驗。

實用性強 芯片為STM32F103RCT6，為ARM體系結構的COTEX-M3系列主流芯片，功能強大，接口豐富，可滿足多種應用開發，完全滿足uC/OS-III等操作系統的運行。

資料豐富 ARM系列芯片為當前最為流行芯片，uC/OS-III操作系統是經典的小型實時操作系統。網絡上有豐富的電子資料、視頻資源、MOOC資源、開發例程、交流平臺等。

2.2 教材準備

教學材料主要以電子文檔、網絡資源為主?！扒度胧较到y”是一門以實踐為主課程，涉及大量硬件開發和軟件工程中的知識，單一的紙質課本滿足不了教學需要?！翱诖鼘嶒炇摇钡拈_放教學方式使學生可隨時查詢各種電子資源，網絡資源，可實現以問題為導向的主動學習方式，而不是傳統的灌輸式被動教學。主要選用電子教材有以下。

⑴ STM32F103RCT6芯片數據手冊。

⑵ uCOS-III源代碼，開發板附帶的例程源代碼。

⑶ 《嵌入式實時操作系統uC/OS-III》電子教案、PPT及錄播視頻。

⑷ 江漢大學慕課教學平臺上的《嵌入式系統——uC/OS-III》課程，訪問地址為http：/jhun.fy.chaoxing.com/portal.

2.3 教師準備

以實踐為主的“口袋實驗室”教學需要教師具備充足的硬、軟件專業知識，熟練應用嵌入式系統開發工具，具有豐富的嵌入式項目開發經驗，能將教學內容與實踐有機結合并設計出趣味性和實踐性兼具的實驗案例，同時能隨時解決學生在遇到的各種問題或給出解決思路，教會學生嵌入式系統項目的開發過程;最終提升學生實踐能力。

筆者長期從事嵌入式系統方向的教學和科研，有豐富的嵌入式項目開發經驗。在實施“口袋實驗室”教學模式過程中，從實驗設備選取、教學內容安排上都緊密結合實際應用，并盡力提升該課程的趣味性。

3 基于“口袋實驗室”的“嵌入式系統”教學實踐

3.1 教學實施過程

從2017年至2019年在我院電信專業的大三學生進行了3次“嵌入式系統”課程教學改革，每次約20人，學生自帶筆記本電腦，每人配備“口袋”開發板一套。教學學時為40學時，其中理論24學時，實驗16學時，另外還有16學時的課程設計。

教學以嵌入式實時操作系統uC/OS-III及其應用為主線，培養學生項目開發能力為目的，其具體學內容如表2所示。在理論教學中，以uC/OS-III源代碼分析為主，50%左右的時間為源程序分析，30%的時間為實驗驗證;只有20%左右的時間作PPT文字授課，使學生在程序中去理解操作系統的概念及應用。為了充分發揮“口袋實驗室”模式的優勢，實踐操作主要在學時課外完成，具體實施過程如下。

⑴ 以智能停車系統的開發為主線，結合教學內容安排了8個知識點的實踐訓練，每次課外工作量為3小時左右。

⑵ 為保證學生按時完成任務，在慕課平臺上提供了8個教學視屏，講述訓練的實現方法和注意事項，每個視頻時長30分鐘左右。

⑶ 為及時解決學生課外的問題，在慕課平臺上，開設了專門討論區，學生和老師一起討論解決問題。

⑷ 為保證教學質量，每個知識點的課外實踐操作都緊跟著至少一次的課內實驗檢查，對學生完成的工作進行評價、考核，并提出修改、優化要求。

⑸ 課程設計也主要以課外“口袋實驗室”模式在該平臺上完成，16個課內學時主要完成任務布置，個人完成情況匯報和總結。

⑹ 課程考核也主要以“口袋實驗室”模式完成，學生課外在實驗平臺上完成開發項目，并提供紙質的項目開發文檔、演示視頻和個人體會視頻。

3.2 實施成果

“口袋實驗室”作為一種開放式教學模式，學生通過系統實踐訓練，逐步掌握嵌入式系統開發方法和應用技能，為后續工程應用和專業發展打下堅實基礎。在2017年至2019這3學年的教學改革中，共有62名學生參加了“嵌入式系統”的學習，他們借助該“口袋”平臺， 10人完成了校級科研項目六項; 3人在“湖北省大學生物理實驗競賽”中完成項目二項，獲一等獎、二等獎各一項;6人在“大學生電子競賽”中在完成項目三項，獲省一等獎、二等獎、賽區二等獎各一項。12人完成畢業設計，其中成績優秀5人;在已畢業的40名學生中有18人已成為嵌入式系統開發的專業技術人員。2020年，該教學方式已在我院電子信息專業的所有學生中推廣。

4 結束語

與傳統需固定時間、地點的實驗室教學方式相比，“口袋實驗室”教學模式可使學生有更多的時間和機會進行自主操作和學習，快速提高他們的動手能力和實踐能力;且“口袋”設備和教學內容易于更新，使學習的內容符合社會需求，從而提高學生的專業技術能力，擴展學生就業方向。

參考文獻（References）：

[1] 歐陽佳鵬，楊振南，劉億民，李文.基于Android的口袋儀器實驗室開發[J].電腦知識與技術，2020.16（10）：243-244

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[3] 王嶸，張元樹，楊富琴，萬永菁.基于FPGA的數字電路“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理，2020.37（3）：107-111

[4] 苗曙光，李崢，方振國，李淮江.基于口袋實驗室的單片機實驗教學改革研究[J].赤峰學院學報（自然科學版），2020.36（8）：101-104

[5] Kai Yang，Yang Kai，Li Jiayan. Cannon： A Pocket Laboratory for the Experiment of Short-Range Wireless Communication Course[J]. Journal of Physics： Conference Series，2020.1621（1）.

[6] 王嶸，張元樹，楊富琴，萬永菁.基于FPGA的數字電路“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理，2020.37（3）：107-111

[7] 王嶸，楊韞寧，張元樹，韓志彥，萬永菁.基于DSP的數字信號處理“口袋實驗室”設計[J].實驗技術與管理，2020.37（2）：111-116

[8] 張磊.口袋實驗室的設計創建與應用[J].科學技術創新，2019.30：147-148

[9] 王中明.“口袋實驗”教學方式探索——基于《單片機原理》課程[J].江漢大學學報（自然科學版），2019.3：265-269