OBE理念下的串口實驗改革探索

李 海，張 欽

（北京理工大學信息與電子學院，北京 100081）

0 引言

計算機原理與應用是電子信息類專業的基礎課程，該課程對于培養學生的實際動手能力、工程實踐能力和開發創新能力具有重要意義，需特別重視理論教學與上機實驗相互結合。通過開展實踐項目，提高學生分析解決問題、溝通合作、探索創新等能力，加強學生的信心。目前，教育部倡導全國高校積極開展“新工科”研究和實踐，主張深化工程教育改革，推動“新工科”建設與發展。“新工科”除了增加一些新的工科專業外，更多的是對原有工科專業提出了新的要求，因此要求在課程實驗設計中采用更多新型技術。

本文以串口課程實驗設計為例，基于成果導向的工程教育（OBE）理念，進行實驗教學改革，引導學生借助串口通信實現實用系統的開發和測試。通過實際教學檢驗，該方法取得了良好的效果。

1 實驗改革目標

1.1 實驗改革的迫切性

串口通信實驗是課程的核心內容之一。當前課堂實驗采用的實驗系統為TPC-ZK-II，該系統通過8250/8251串行通信模塊連接兩臺電腦或電腦和實驗箱實現雙機通信，雖然效果較好，但也存在著以下不足之處：①實驗箱擴展性不足，所支持的實驗模式較少，無法激發學生的興趣，不利于培養學生的自主創新能力；②課堂實驗與實際需求相互脫離，理論與實際聯系不緊密，不利于提高學生的綜合設計能力；③實驗地點固定，不利于學生課下自主學習和開展創新型研究。

因此，需要對實驗手段進行新的探索，改變實驗應用場景，培養學生用理論知識指導實踐的意識，切實提高學生的學習能力。

1.2 基于OBE的課程目標

畢業要求是教學內容的依據，教學內容是達成畢業要求的支撐。串口實驗課程支撐電子信息工程專業畢業要求指標點1.6（具有滿足電子信息領域需求的計算機技術及應用專業基礎知識，并能用于解決電子信息領域復雜工程問題）、指標點2.3（能通過文獻檢索與學術寫作、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息，并對信息進行提取、整理、分析和歸納）、指標點3.2（能設計滿足解決方案需要的、具有特定要求的單元、系統或工藝流程，并能通過設計性實踐環節檢驗設計的合理性）。

根據課程所支撐的指標點，確定了3 個實驗目標：①掌握串口通信的基礎知識，具備設計并實現串口通信應用程序能力；②通過查找相關技術資料，能夠自主解決實際軟件項目中的復雜問題；③能夠完成面向實際應用的系統設計和開發。

1.3 相關研究

近年來國內高校對該課程實驗教學改革進行了很多有益的探索。文獻［2-4］介紹了使用Proteus 軟件進行仿真實驗的方法，此方式可部分替代實驗，靈活性較好且交互性強。此外，在課程中引入FPGA 開發板進行實驗教學是另一種新的嘗試，該方法使學生在機器級代碼的調試執行中加強對計算機底層工作原理的理解。但這些方法也存在明顯不足，例如Proteus 軟件只能模擬8086CPU 和8250/8251 芯片，技術上較為落后，無法解決實驗擴展性和實驗模式不足的問題。并且，學生學習難度較大，需要長時間學習操作手冊，在教學課時有限的情況下，若學生基礎較差，則難以完成接口實驗。

為解決上述問題，本文方法不依賴于8086 平臺，而通過借助Windows 平臺實現更貼近實際應用的系統開發，且無需花費時間學習FPGA 開發，更容易實施實驗設計。

2 實驗設計整體思路

2.1 基本架構

實驗設計從“兩性一度”的角度出發，將課堂講授的接口技術原理和最新的工程實踐相結合。提供半命題式題目設計，讓學生自主確定研究內容和結果展現方式，發揮學生的主觀能動性。對自主選定的研究對象，通過查詢資料，運用所學的基礎知識設計實驗方案，搭建實驗系統，完成應用程序的開發和測試。實驗設計的整體架構如圖1所示。

Fig.1 Overall architecture of experimental design圖1 實驗設計整體架構

為突破教材限制，本文在采用常見的USB 轉串口連接線之外，還引入了虛擬串口軟件和藍牙串口的連接方式。虛擬串口軟件可使沒有串口的電腦模擬出一對一的虛擬串口，方便學生進行軟件開發調試試驗，無需借助外部硬件，實驗成本較低。然而，越來越多的數據采集設備支持藍牙連接，采用藍牙串口可實現無線連接外設并進行控制。通過引入這兩種新的連接方式，可擴展學生的研究范圍。

學生可根據自身興趣和能力水平選擇不同難度的實驗對象，設計實驗系統。所選擇的實驗對象都密切結合計算機專業未來的就業方向，其中部分實驗對象直接來源于科研工作。學生可通過實驗更好地了解計算機接口技術對本專業的支撐作用，也為未來進一步深造或就業奠定基礎。

2.2 虛擬串口技術

虛擬串口驅動程序是一個標準的Windows 設備驅動程序，它面向串口用戶程序提供虛擬串口設備接口。通過模擬標準串口方式實現讀寫控制操作，從用戶角度來看，虛擬串口的使用與普通串口沒有任何區別。虛擬串口工具大致可以分為以下兩種類型：

2.2.1 互聯型

在一臺計算機上創建一對虛擬串口，由于虛擬串口軟件將兩個虛擬串口相互連接，因此向其中任意一個虛擬串口發送數據都會被另外一個虛擬串口同步接收。該模式可實現在同一臺計算機上模擬雙機通信，這也是課程實驗中最為普遍的模式之一。

2.2.2 轉發型

虛擬串口工具可將收發的數據轉換為TCP/UDP 等網絡協議。該模式有兩種常見用途：①轉換后的數據可通過網絡進行傳輸，實現兩臺電腦的數據傳輸；②可支持網絡協議的應用程序進行通信。

虛擬串口軟件有許多，本文采用com0com 軟件，該軟件支持互聯型和轉發型兩種工作模式。實驗要求學生開發串口應用程序，通過虛擬串口和模擬應用程序建立通信，完成數據收發功能。圖2為虛擬串口應用結構。

Fig.2 Virtual serial port application structure圖2 虛擬串口應用結構

2.3 藍牙串口技術

藍牙是一種短距離無線通信技術，具有成本低、功耗小、傳輸速率高等優勢，但傳統藍牙通信的協議復雜，不易操作。藍牙串口模塊正是結合串口通信和藍牙通信的產物，在上位機的程序開發過程中直接調用虛擬串口即可實現無線通信。

2.4 編程環境設置

本課程以匯編語言為主講授CPU 的組成結構及其工作原理，在接口及應用部分也采用了匯編語言進行講解。MASM for Windows 實驗環境是目前在計算機原理與應用教學中所普遍使用的匯編語言開發工具。該實驗環境借助DOSBox 軟件進行的編譯和運行。DOSXBox 仿真的串行通信及接口芯片型號為8250，芯片提供了4 個串口，COM1-COM4對應的端口基地址分別為3F8H、2F8H、3E8H和2E8H。若在MASM for Windows 實驗環境中訪問串口，則需要修改JMSoftMasm 目錄下的basic.conf 文件，將“serial1=dummy”語句改為“serial1=directserial realport：COM1”。其中，COM1代表計算機的串口1。

由于匯編語言不適合編寫較長的程序，對開發復雜的應用程序具有一定局限性。因此，在串口通信實驗中，允許學生自由選擇編程語言進行實驗。表1 為某教學班學生自主選擇編程語言的情況。

由表1 可見，選擇Python 語言的學生最多，因為Python語言處理數據具有明顯的優勢，語法簡單，易于上手。但Python 語言本身不具備串口讀寫能力，需要借助第三方庫pyserial。此外，仍有少部分同學使用匯編語言，希望從底層開始熟悉串口通信程序設計。

Table 1 Selection of experimental programming language表1 實驗編程語言的選擇情況

3 實驗案例設計

3.1 基于虛擬串口的GPS計算機

為了使學生的應用程序符合實際應用需求，選取開源軟件gpsfeed+模擬GPS 接收機，輸出指定位置、指定運動軌跡的GPS坐標。由圖3可見，在該軟件的設置界面中，將選擇連接方式設置為串口，設置串口參數，并將gpsfeed+的串口輸出設置為COM2 口，通過COM1 口讀取GPS 模擬數據。由圖4 可見，當點擊主界面的開始按鈕后，即開始模擬GPS接收機的數據。

Fig.3 Set the serial port parameters of gpsfeed+圖3 設置gpsfeed+串口參數

Fig.4 Gpsfeed+simulation generated圖4 gpsfeed+模擬產生的數據

如圖5 所示，當運行學生編寫的GPS 接收程序就可顯示所接收的數據，通過對gpsfeed+Monitor 窗口顯示的發送數據進行比較，可驗證程序的正確性。此外，鼓勵學生采用各種方式，展示數據。圖6 為某同學采用Web 技術在百度地圖上顯示了所接收的GPS 數據，該技術與GPS 模擬接收機類似，可采用OpenSkipper模擬通用船載自動識別系統（Automatic Dentification System，AIS）。其中，AIS 是一種利用海上VHF 頻段的船載航行信息交換設備，數據格式遵從ITU-R M.1371-2，該系統不僅能自動發出本船的相關信息，還可以接收周圍其它船舶發出的信息。

Fig.5 GPS receiving program operation result圖5 GPS接收程序運行效果

Fig.6 Using Web technology to display the received GPS data圖6 采用Web技術顯示接收到的GPS數據

3.2 YModem協議傳輸軟件

YModem 是一種在串口通信中廣泛使用的異步文件傳輸協議，協議格式簡單，可完成文件傳輸等工作，適合剛入門的學生學習。在實驗中可使用Xshell、Tera Term 等軟件配合學生進行開發調試。

3.3 藍牙串口實驗

最基本的藍牙串口實驗是安卓手機上的藍牙串口助手，電腦和手機可借助藍牙串口實現簡單的文本消息收發。進階實驗設計是采用帶藍牙功能的ESP32 開發板，雖然ESP32 支持物理串口和USB 轉串口，但由于大多數ESP32 開發板不夠堅固，頻繁進行插拔會降低使用壽命，采用藍牙串口可以有效減少設備的人為損壞。現階段ESP32 設計實驗有以下兩種方式：①教師完成ESP32 開發板的連線和腳本編寫，學生完成計算機軟件開發，通過藍牙串口發送命令控制開發板的LED 燈或外部設備，該設計對學生而言難度較低；②由學生自行連線，完成腳本編寫，該設計要求學生自主學習ESP32 的開發，花費時間較多，但激發了學生的自主性和想象力，適合學有余力的學生。

4 結語

本文在計算機原理與應用課程中引入OBE 教學理念，結合虛擬串口技術和藍牙串口擴展了串口通信教學的實驗內容，突破了現有教學內容和手段的局限性。將實驗設計和應用場景相結合，拓展了學生的視野，有助于提高學生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。教學實踐表明，學生的主動性明顯增強，學生對計算機串口通信的理解顯著加深，最直觀的表現為期末筆試中串口通信相關內容的平均得分提升了1.2 分，評教分數提升至96 分以上。在今后的教學中，嘗試將教學和科研、競賽、相關課程等相互結合，進一步提升實驗教學對學生的引導作用。