新工科背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學探索

張歡　宋慧娜　滕旭陽　喬磊

關鍵詞：新工科；嵌入式系統(tǒng)；樹莓派；擴展項目；創(chuàng)新思維

中圖分類號： TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0166-03

1 引言

為應對新一輪的全球產業(yè)變革，支撐國家戰(zhàn)略發(fā)展，為國家培養(yǎng)高素質創(chuàng)新型人才，教育部于2017年先后形成了“復旦共識”[1]“天大行動”[2]和“北京指南”[3]，并發(fā)布了在全國范圍內開展新工科研究與實踐的通知。相比傳統(tǒng)的工科教育，“新工科”著力培養(yǎng)人才提出問題、分析問題和解決問題的工程能力，培養(yǎng)的人才應兼具理論基礎、創(chuàng)新性思維和工程實踐能力，更注重人才培養(yǎng)的社會滿意度[4]。

嵌入式系統(tǒng)實驗課程是計算機和電子類專業(yè)的專業(yè)課，這門課覆蓋了C語言編程、電子電路、Linux 操作系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等多門專業(yè)基礎課內容，在前置課程交叉融合的基礎上，培養(yǎng)學生綜合實踐能力。基于“新工科”教育理念設計嵌入式系統(tǒng)實驗課程，有利于提升學生解決工程問題的能力，拓展學生知識的廣度和深度，符合“大學本科要培養(yǎng)適應新時代中國特色社會主義現代化建設需要，有助于實現培養(yǎng)具有家國情懷、國際視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質人才”的目標[5]。

杭州電子科技大學通信工程學院已經連續(xù)多年開展了嵌入式系統(tǒng)實驗課程，并對該課程進行了一些積極的探索和實踐[6]。基于“新工科”教育理念，本次教學改革探索將實驗課程分成了基礎部分和擴展部分，在原有樹莓派開發(fā)的基礎上進行了一系列的完善與改進，增加學生獨立設計、思考與實踐在整個課程中的課時比例。

2 課程介紹

樹莓派是專為學生學習計算機原理而設計的，具有價格低廉、功耗低、體積小、功能完善等應用優(yōu)勢，受到了廣大計算機愛好者的歡迎，并作為一種嵌入式計算機平臺在社會的各個領域發(fā)揮著重要作用。樹莓派可以運行Linux等操作系統(tǒng)，便于在開發(fā)板上直接進行軟件編程和調試，并提供了以太網、藍牙、WIFI 和豐富的GPIO口，可以外接各類傳感器和遠程終端，兼具通用計算機的靈活性和嵌入式開發(fā)板的可擴展性[7]。因此將樹莓派引入嵌入式系統(tǒng)實驗教學是不二的選擇。

本次嵌入式實驗教學探索中，基于樹莓派開發(fā)板搭建智能小車，包括基礎平臺和擴展實現兩大模塊。首先，由教師講解原理及實驗方法，并帶做基礎平臺部分；然后在教師的引導下，學生獨立實現擴展部分。本課程采用項目制學習法，致力于引導學生基于基礎平臺發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，學生根據自己的學習基礎和興趣愛好，獨立擬定具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的項目主題，經過一個學期的開放性探索，最終形成一個完整的作品[8]。

3 實驗教學設計

3.1 教學目的

學生能夠掌握嵌入式Linux操作系統(tǒng)的鏡像燒寫與使用，學會使用Shell、C和Python等嵌入式常用編程語言，能夠通過GPIO接口和軟件開發(fā)實現對外圍傳感器的驅動。引導學生從經濟、環(huán)保、安全、實用等角度出發(fā)提出項目目標，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和分析、解決復雜工程問題的能力，提升團隊協作能力和溝通表達能力。

3.2 學情分析

課程面向通信工程學院大二下學期學生開設，這一階段的學生已經學習了C語言程序設計、電子電路基礎、Linux操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等前置專業(yè)課程，具備嵌入式計算機硬件基礎和軟件編程能力，學生抽象思維活躍，正在形成辯證思維[7]，已有的專業(yè)理論知識在頭腦中碰撞。在這個階段，依托嵌入式系統(tǒng)項目實踐對學生進行創(chuàng)新思維和設計能力的培養(yǎng)，有利于將理論知識進行融會貫通，進一步鞏固對知識的理解并靈活運用。

同時，學生之間的能力差距正在逐漸拉大，一部分學生基本掌握了理論知識，但是對知識的認知處于記憶和理解階段，欠缺實踐應用能力，處于學習的初級認知階段；另一部分學生已經靈活掌握了各個前置課程的知識，動手能力較強，可以將知識應用到實踐中，能夠對工程做出分析和評價，具備創(chuàng)造性，處于學習的高級認知階段。鑒于學生之間學習基礎和認知能力的差距，需要進行有層次的教學設計，使教學能夠兼顧各階段學生的學習需求。

3.3 教學方法

本實驗采用分散教學周的方式，將整個課程分散在一學期中的11個教學周內，每個教學周上三節(jié)課。采用自由組合的方式進行分組教學，每組3人。基于樹莓派小車基礎平臺，各組首先獨立擬定實現目標，指導老師根據學生的學習基礎和能力評估工作量以及項目實施難度，與學生共同確定最終的項目內容，然后再由組員分工合作進行硬件電路設計和軟件流程設計。

3.4 教學步驟

實驗教學主要分為基礎平臺和擴展項目兩部分，教學步驟與教學目的之間的對應關系如表1所示。

1） 樹莓派小車基礎平臺

樹莓派小車基礎平臺如圖1所示，包括樹莓派、車架、車輪、電機、L298N電機驅動、電池組和若干杜邦線等，這部分的搭建由教師講解并帶領學生完成。這部分的教學目的是使學生熟悉樹莓派系統(tǒng)開發(fā)流程，掌握GPIO接口驅動的編程方法，能夠獨立完成對小車運動的控制。

樹莓派小車基礎平臺部分的教學包括以下步驟：

（1） 安裝和配置開發(fā)環(huán)境，下載并燒寫Raspbian 操作系統(tǒng)，連接外接顯示器、鍵盤、鼠標等設備搭建一個小型計算機，熟悉Linux shell操作；

（2） 連接樹莓派GPIO與LED燈，并編寫C或Py?thon驅動程序控制LED燈亮滅，以掌握樹莓派GPIO口的控制；

（3） 組裝小車車架、車輪、電機和電機驅動，通過電機驅動與電池組的連接實現車輪轉動；

（4） 參考電機驅動原理圖，連接樹莓派GPIO口與組裝好的小車，并使用C語言或Python語言編程實現樹莓派通過GPIO口對電機驅動的控制，進而實現控制小車前進、后退、轉向、停止等功能，以及使用脈沖調制（PWM） 的方式控制小車的運動速度。

2） 智能小車擴展項目

樹莓派智能小車擴展項目由學生發(fā)揮創(chuàng)造力自擬題目，在基礎平臺之上加裝傳感器，實現一個完整的項目。這部分的教學目的是培養(yǎng)學生設計完整系統(tǒng)的能力，學會閱讀各類傳感器的使用手冊，能夠根據原理圖搭建硬件電路、設計軟件框架，掌握硬件和軟件調試流程，具備獨立解決問題的能力，提升在項目合作中必備的溝通交流能力。

3.5 考核方法

課程考核采用百分制，從項目驗收、個人表現和實驗報告三個方面進行考核。項目驗收從是否完成項目目標，項目方案的合理性和復雜性，已完成目標功能的難易程度，代碼的完整、規(guī)范程度，是否有創(chuàng)新性等方面對學生的項目做出綜合性評分；個人表現包括出勤率、課堂參與度、團隊配合能力、工作量比例和驗收答辯的表達能力等；實驗報告是每個小組學生提交的項目報告，分為設計目標、軟硬件設計思路、具體實施方案、實驗結果與分析等方面，考查學生的寫作能力、分析和整理資料的能力。

4 學生實現的優(yōu)秀作品展示

4.1 基于紅外傳感器的自動倒車入庫系統(tǒng)

學生設計的自動倒車入庫功能主要依靠放置在車輛兩側的紅外傳感器，借助Python編程的方式，不斷獲取紅外傳感器探測到的車輛與車庫邊界的距離，進而不斷調整車輪的運動軌跡，最終實現小車自動倒車進入車庫。圖2（a）展示了在小車右側配置三個紅外傳感器的系統(tǒng)，分別對車前部、中部、尾部進行距離探測，以此判定車身與車庫邊緣的相對位置關系，進而控制車輛行進路線，直到車輛右側與車庫右邊緣平齊，再調制車輛位置使其位于車庫中部。由于條件有限，該作品僅在車輛一側安裝了傳感器，后續(xù)可以在車身四周安裝更多傳感器，使定位更準確。

4.2 基于神經網絡的人臉口罩識別

在小車前部安裝攝像頭，樹莓派可采集小車行進途中的視頻圖像，進而實現圖像識別、人臉檢測、快照拍攝等功能。圖2（b）展示了基于卷積神經網絡的人臉口罩識別系統(tǒng)，該作品基于LeNet-5 模型架構和TensorFlow Lite庫，使用三層卷積神經網絡模型對各類佩戴口罩的圖片進行訓練，將訓練模型搭載到圖像識別模塊，對攝像頭采集的實時畫面進行人臉口罩識別，該作品可標記出正常、不規(guī)范和未佩戴三種類型。該作品的項目立意在當前防疫背景下為規(guī)范行人的口罩佩戴行為具有良好的實用價值。

4.3 基于藍牙的遠程控制

開發(fā)手機端應用程序，通過手機界面對小車進行運動控制，該項目還可結合攝像頭和視頻實時傳輸模塊，將獲取的圖像傳輸到手機端，實現視角清晰的車輛控制。圖2（c）展示的作品基于Android Studio平臺和Java語言開發(fā)手機應用程序，可通過屏幕按鍵實現對小車運行參數設置，以及運動狀態(tài)控制，還可以在手機屏幕顯示攝像頭采集的實時畫面。

4.4 基于多自由度云臺的智能拍照系統(tǒng)

圖2（d）展示的作品將兩個舵機和一個攝像頭組裝在一起，構成一個多自由度拍照云臺，可以智能控制云臺轉動使攝像頭畫面中心對準人臉面部。在樹莓派中編寫拍照控制程序，對接收到的USB攝像頭圖像進行分析，通過PID（比例-積分-微分）算法計算出舵機控制量，再通過PWM脈沖調制控制舵機轉動，進而實現對拍照角度的控制。

5 教學效果

經過一個學期的教學實踐，嵌入式系統(tǒng)實驗課程受到了學生的一致好評，學生們表現出了高漲的學習熱情和濃厚的探索興趣。在擴展項目開始初期，學生不斷查資料、摸索設計方案，根據自身能力并與教師交流后提出明確的設計目標；在項目開展后經常花大量時間進行實踐探索和軟硬件調試；在項目結束時，每個小組都能交出完整的項目作品，完成項目報告，并進行流暢的項目答辯。

6 結束語

在“新工科”教育改革背景下，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維人才為目標，設計了嵌入式系統(tǒng)實驗課程教學方法，以基于樹莓派的智能小車為基礎，采用項目制學習法，因材施教，開展開放探索的教學實踐，將培養(yǎng)學生設計、分析、解決工程問題能力貫徹教學始終。實踐證明，該課程可以激發(fā)學生的創(chuàng)造力，鍛煉工程實踐能力，培養(yǎng)團隊協作和溝通表達能力，從而增強專業(yè)自信心，有助于畢業(yè)后成為社會認可的高素質工程技術人才。