基于“口袋機”與遠程云端硬件實驗平臺的實驗課程改革研究

王虹元 肖楊 王煒富

關鍵詞：口袋機;遠程云端;課程改革

1引言

目前，我院信息系開設了“單片機原理及嵌入式系統課程，其中自動化專業理論課程40學時，課程設計20學時，實驗實訓8學時：機械電子專業理論課程40學時，課程設計20學時，實驗實訓16學時。每年共計約有實驗實踐學生數260人。該課程是機電類專業的一門實用性很強的綜合性課程之一，通過該課程的實驗實踐學習，可以培養學生的實踐能力、分析能力、解決問題能力，提升學生的創新創意能力，為以后學生畢業設計、參加各種大賽和就業打下堅實的基礎。但是，目前該課程總學時減少，理論課程和實驗學時都被壓縮，考慮到學生考研和就業等不同需求，理論學時不能過少，理論內容不能隨意刪減，只能在實驗學時上進行大幅度壓縮，減少實驗次數，在有限的實驗學時內，要求學生對理論知識深度理解，并熟練掌握單片機的使用方法，在此基礎上完成實驗創新變得異常困難，學生在短時間內“學不會、理解不了”，對該課程失去耐心和信心，開始放棄，開始懷疑學習這門課程的理論有什么用？授課效果大打折扣。

針對以上問題，我院申請與北京杰創永恒科技有限公司（簡稱杰創科技）共同完成教育部產學合作協同育人項目，共建STM32“口袋機”硬件平臺和遠程云端實驗平臺，以“單片機原理及嵌入式系統”課程為依托，通過“口袋機”硬件線下平臺和遠程云端線上平臺相結合的教學方式，探索創新型的移動教學環境，推動實驗課程改革。只要有網絡，學生便可在線學習，教師也可同步在線指導學生。利用該線下線上相結合的方式，增加學生的實驗實踐學習機會，提高學生的動手能力、創新能力，培養學生的團隊合作精神，豐富學生的課上、課余時間。通過實驗課程改革，可以激發學生的創新思想，課下自己鼓動，課上好問，對理論課程的課程體系起到完善作用，促進整體教學改革，達到培養創新型應用型人才的目的。

2 STM32“口袋機”硬件線下平臺

該產品如圖1所示，從外觀上看，其采用GUI人機交互界面，開機可顯示設備信息、時間日期、實驗例程等;按鍵采用圓盤電容式，具有震動體感反饋，可提高設備可靠性：顯示屏采用65535真彩240x320的顯示屏;板載TYPE-C接口，具有燒寫、調試、仿真等功能：采用工程塑料模具進行全方位保護：尺寸為132mm×90mm×14mm，方便攜帶：MCU采用STM32F407ZG。

在學習本門課程的過程中，為學生配備此設備，帶外設擴展模塊功能，可完成22個實驗例程，學生可根據自己的喜好選擇擴展模塊，完成相應的實驗練習。在課程結束前，以小組為單位，每組學生負責保存此設備～學期，可帶出實驗室，用于學生課下根據自己的需求主動實驗，以增加學生的創新思維和調動學生的創新積極性，也鼓勵學生參加相關大賽，配備相關大賽指導教師。

這種不限地域和時間的實驗方式，為積極好學的學生提供了便利，實驗過程中，遇到問題可通過微信與任課教師積極溝通，增加了師生互動，拉近了學生與教師的距離，增進了師生之間的感情，對教師的課堂管理有了很大幫助。課程統一安排的實驗學時，起到了啟發作用，在課上僅有的幾次實驗，可以引導學生課后完成更多的實驗，做好實驗即可激發學生學習理論知識的興趣，使其喜歡探索、喜歡動手，為熟練掌握本門課程提供了保證。

3單片機遠程云端硬件實驗平臺

該實驗平臺是虛實一體實驗系統，在傳統單片機實驗系統的基礎上加人大數據、云計算技術，達到可遠程操作實驗的目的。學生將實驗項目通過網絡上傳至云端服務器，該服務器與實驗板卡相連，可實時反饋實驗結果。該平臺不受實驗空間和時間的限制，建立基于“一套平臺貫穿一系列課程體系，在校實踐不斷線”的創新實踐教學體系。讓學生在項目實踐中學習和掌握理論知識體系，充分發揮學生的想象力和創造力，培養學生知識綜合應用能力和工程實踐能力。

基于云端的硬件實驗平臺架構如圖2所示。

該平臺由硬件和軟件兩部分組成，軟件分為學生端和教師端。學生可根據學號密碼登錄軟件后，看到相關作業信息、課件、實驗面板等內容。實驗面板為學生的主要操作區域，可在該區域完成自己的實驗構思和驗證。教師端可監控學生的實時操作，下載學生的實驗代碼，為學生找出問題所在，及時指導學生，為學生答疑解惑。

這種線上模擬實驗場景的方式更容易被學生所接受，硬件實物操作時，有些學生理論知識掌握得不好，不敢輕易下手操作，怕有安全隱患，怕損壞硬件設備，以致被教師批評。而線上模擬實驗環境可以避免此類事情的發生，學生變得更大膽，更積極，在設計連線時，有了自己的想法，不斷改變自己的設計，看看能達到什么樣的效果，實驗效果翻倍。

利用“口袋機”硬件實驗平臺和遠程云端實驗平臺，使學生能夠在線上和線下多元化地完成20學時的課程設計，使學生完成課程安排的同時，也熟練掌握了本門課程，為學生參加大賽和就業打下了堅實的基礎。

4實驗課程改革成果

（1）學生滿意度調查：經過1年時間的實驗課程改革運行，對自動化專業、機械電子專業260名學生的滿意度進行匿名調查，結果如圖3所示。本次調查滿意度主要體現在如下方面，即經過實驗課程改革，學生對本門課程的掌握程度是否加深，學習本門課程是否不再枯燥和困難，是否激發了學生的創新思維，若達到以上效果，學生對本門課的學習是否滿意。結果顯示，大部分學生在實驗課程改革后，是滿意的，個別學生想提建議。根據調查結果，課上與學生積極溝通，學生對基于“口袋機”硬件實驗平臺和遠程云端實驗平臺的實驗方式是滿意的，個別學生提建議希望增加課下學生與任課教師的面對面溝通機會。

（2）參加大賽獲獎情況調查：經過1年時間的實驗課程改革運行，提高了學生獨立思考能力，激發了學生的創新思維，對自動化專業、機械電子專業260名學生中參加大賽的學生進行匿名調查，結果如圖4和圖5所示。參加大賽的學生較以往有所增加，且所獲獎項較以往增多。該調查結果表明，實驗課程改革對學生起到了積極的推動作用，使學生有信心，敢于參加大賽，學生的動手能力有所提高，學習興趣濃厚，達到了教學目的。

5總結

結果顯示，基于“口袋機”與遠程云端硬件實驗平臺的實驗課程改革效果顯著，提高了學生的學習興趣，激發了學生的創新創意思維，培養了學生解決問題的能力，拉近了學生與教師之間的關系。但有個別學生沒有參與小程序的匿名調查，從中可以看出，個別學生在校期間，對學習上的事比較冷漠。因此，在實驗課程改革的同時，還要關注所有學生的學習狀態和心里想法，做到“不丟下一個學生”，多與學生交流，了解學生的想法，注重過程考核，利用企業優質資源，推動教學模式改革，促進現代化信息技術與實驗教學深度融合，提升教學質量和水平，實現培養創新型應用型人才的目標。