基于MicroPython的微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

史蓓蕾,余恒

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430023)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展及其與各類專業(yè)不斷交叉與融合，為滿足信息化社會(huì)的建設(shè)對(duì)高級(jí)人才的需要，高校各專業(yè)也以培養(yǎng)跨學(xué)科、綜合型、創(chuàng)新型人才為育人目標(biāo)。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程作為高校計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)和自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，讓學(xué)生理解和掌握微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，奠定其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力具有重要的作用[1]。目前該課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段和內(nèi)容已經(jīng)不適合當(dāng)前的發(fā)展需要。一方面，現(xiàn)行的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的實(shí)踐內(nèi)容多以認(rèn)知和驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度不足，設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)很少；另一方面，隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展、人臉識(shí)別、語(yǔ)音導(dǎo)航、智能家居、智能機(jī)器人等已經(jīng)深入人們生活的方方面面，但支撐微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)手段還比較落后和單一，難以支撐學(xué)生利用物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺、人工智能等信息化手段解決實(shí)際問(wèn)題[2]。

為了讓微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)體系更契合當(dāng)前專業(yè)培養(yǎng)的需求、課程組嘗試把人工智能、機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)融合到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，將MicroPython 與微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的融合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

1 基于MicroPython 的微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1.1 簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)工具

面向硬件的傳統(tǒng)編程語(yǔ)言多是以C、C++和匯編語(yǔ)言為主導(dǎo)。但隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，硬件系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性日漸增加，基于這些語(yǔ)言的傳統(tǒng)開發(fā)模式缺點(diǎn)顯得越來(lái)越突出。例如：設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致編譯時(shí)間變長(zhǎng)；開發(fā)包多為閉源軟件庫(kù)而導(dǎo)致調(diào)試?yán)щy；需要專門的工具設(shè)備進(jìn)行開發(fā)調(diào)試；要求有較高的知識(shí)儲(chǔ)備導(dǎo)致入門門檻過(guò)高等問(wèn)題。一些學(xué)生由于編程基礎(chǔ)差，理解模塊代碼較慢，加上編譯調(diào)試耗時(shí)長(zhǎng)，而課堂時(shí)間又有限，難以感受到硬件實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的樂(lè)趣，因而失去學(xué)習(xí)課程的興趣[3]。

近年來(lái)，由于Python 編程語(yǔ)言開始被納入高考項(xiàng)目中，越來(lái)越多的學(xué)生開始學(xué)習(xí)Python，而且在本校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言兩門公共基礎(chǔ)課程中，均開設(shè)有Python 編程的相關(guān)內(nèi)容的課時(shí)，在此基礎(chǔ)之上，我們選擇引入MicroPython語(yǔ)言到計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中。我們可以把MicroPython 理解為一個(gè)可以運(yùn)行在微處理器上的Python解釋器，它使得我們可以通過(guò)編寫Python 腳本就能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，因此，有Python 編程語(yǔ)言經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，在使用MicroPython 語(yǔ)言進(jìn)行硬件開發(fā)編程時(shí)，會(huì)更加得心應(yīng)手[4]。

由于Python 語(yǔ)言易于理解、操作靈活等特點(diǎn)，使得它在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，特別是在近幾年流行的數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器視覺、人工智能以及區(qū)塊鏈技術(shù)等前沿領(lǐng)域，也都占據(jù)一定地位。Python語(yǔ)言有多種實(shí)現(xiàn)方式，如CPython、Jython、PyPy 等，而MicroPython 也是Python大家族中的一員，但它與其他Python成員不同的地方在于，它更適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)（如ESP8266、ESP32等物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板）。MicroPython封裝了C 語(yǔ)言中的大部分函數(shù)，并為一些常用的傳感器和組件都編寫了專門的驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需通過(guò)調(diào)用相關(guān)的函數(shù)，就可以直接控制各類傳感器和使用各種功能。因此無(wú)論是控制電機(jī)、獲取傳感器信息還是使用HTTP 協(xié)議或MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)操作，MicroPython 都提供了豐富的開源庫(kù)供我們使用。我們不用再去研究底層硬件的控制方法，這樣一來(lái)，學(xué)生對(duì)于底層設(shè)備的操作更容易上手，降低了開發(fā)難度。另外，MicroPython 是一種動(dòng)態(tài)語(yǔ)言，我們無(wú)須編譯就可以直接讓開發(fā)板運(yùn)行程序內(nèi)容，并在程序執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)的調(diào)整程序參數(shù)，這大大地簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試的過(guò)程，學(xué)生可以把更多精力放在功能的設(shè)計(jì)開發(fā)上，為進(jìn)一步的創(chuàng)新實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

課程組選用了pyAI-OpenMV4 Plus 開發(fā)套件作為實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具（如圖1 所示），該套件是基于Micropython 開發(fā)平臺(tái)量身定制而成，其主控芯片使用的STM32H743IIK6，在此基礎(chǔ)上集成了OV7725 攝像頭芯片，并將核心的機(jī)器視覺算法封裝在主控芯片上（如：包括尋找色塊、人臉檢測(cè)、眼球跟蹤、邊緣檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤等常用算法），給用戶提供靈活簡(jiǎn)單的Python編程接口。在此套件提供的基礎(chǔ)上，用戶僅需要通過(guò)編寫一些簡(jiǎn)單的代碼，即可輕松地完成各種機(jī)器視覺相關(guān)的任務(wù)。在外圍接口方面，該套件提供了UART、I2C、SPI、PWM、ADC、DAC以及GPIO等豐富的資源，為用戶提供了方便的外圍擴(kuò)展的功能，同時(shí)，它還可以支持與其他的單片機(jī)模塊（如Arduino、RaspberryPi等）進(jìn)行配合使用。套件提供配套的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，主控板只需通過(guò)USB 接口直接連接到電腦上，就能通過(guò)該集成開發(fā)環(huán)境實(shí)時(shí)進(jìn)行編程、調(diào)試和更新固件等工作。除此以外，該套件還提供開源線上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練工具，能夠方便高效地進(jìn)行在線算法模型訓(xùn)練。由于擁有以上豐富強(qiáng)大的功能，使得該套件為學(xué)員利用融合人工智能、機(jī)器視覺和物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段來(lái)解決問(wèn)題提供了支撐手段[5]。

圖1 pyAI-OpenMV4 Plus開發(fā)套件

1.2 多層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在構(gòu)建微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，為符合學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中由淺入深、由易到難、由硬件到軟件、由基礎(chǔ)到綜合、由驗(yàn)證到創(chuàng)新的規(guī)律，將微機(jī)原理與接口技術(shù)課程內(nèi)容分為3個(gè)層次，即基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、綜合性型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)[6]。

首先，學(xué)生需要掌握最基礎(chǔ)的原理知識(shí)和熟悉硬件各個(gè)基礎(chǔ)的功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，圍繞這個(gè)目標(biāo)，課程組設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)；其次，在完成該目標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為學(xué)生設(shè)計(jì)了綜合型實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生能通過(guò)選擇用已有的技術(shù)方案進(jìn)行編程實(shí)踐來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的目標(biāo)；最后，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上再次遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能夠?qū)σ延械慕鉀Q問(wèn)題的思路和方法，進(jìn)行進(jìn)一步的探索和創(chuàng)新的最終教學(xué)目標(biāo)。

1)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)目標(biāo)主要為：①能熟悉各類接口的工作原理，數(shù)據(jù)的輸入輸出格式和方式等基本知識(shí)；②能熟練掌握用MicroPython 快速編寫、調(diào)試程序的方法。該類實(shí)驗(yàn)可包括控制LED 燈亮滅實(shí)驗(yàn)、PWM 呼吸燈實(shí)驗(yàn)、流水燈實(shí)驗(yàn)、ADC 實(shí)驗(yàn)、OLED 液晶屏顯示實(shí)驗(yàn)等。

2)綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)學(xué)習(xí)和應(yīng)用多種新一代的信息技術(shù)來(lái)解決已知問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，解決的方法多是已有的成熟的方案。教學(xué)目標(biāo)主要為：①能知曉機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能相關(guān)概念和技術(shù)，并理解它們的典型應(yīng)用；②能熟練的引用機(jī)器視覺各個(gè)算法庫(kù)中的模塊，并融合傳感器、Wi-Fi 等模塊功能，通過(guò)完成基于物聯(lián)網(wǎng)思想的實(shí)驗(yàn)以解決實(shí)際問(wèn)題。該類實(shí)驗(yàn)可包括特征檢測(cè)、顏色追蹤、人臉檢測(cè)、眼球追追蹤、Wi-Fi通信等實(shí)驗(yàn)等。

3)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)多種新技術(shù)的融合應(yīng)用，來(lái)嘗試解決一個(gè)不確定的問(wèn)題。教學(xué)目標(biāo)主要為：①通過(guò)結(jié)合其他單片機(jī)模塊，集成各類系統(tǒng)（如機(jī)器人、手機(jī)、云服務(wù)等）來(lái)解決問(wèn)題。②能夠熟練運(yùn)用信息網(wǎng)絡(luò)搜集專業(yè)資料和參與開源社區(qū)的交流，并能合理的利用開源代碼，自主的解決遇到的技術(shù)難題。該類實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生自定義，為開放性實(shí)驗(yàn)。

改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及的新技術(shù)知識(shí)較多，學(xué)生在進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)候，容易出現(xiàn)只會(huì)依葫蘆畫瓢，不知其所以然的現(xiàn)象。但是微機(jī)原理與接口技術(shù)的理論課時(shí)有限，故在保持課程學(xué)時(shí)盡量不變的前提下，考慮在下一步圍繞微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，層級(jí)遞進(jìn)的構(gòu)建相關(guān)的選修課程群，該課程群可以包含人工智能導(dǎo)論、機(jī)器視覺、邊緣計(jì)算和智能傳感技術(shù)等相關(guān)課程，這些課程是目標(biāo)是讓學(xué)生了解最新的人工智能，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從而更好地設(shè)計(jì)和開發(fā)各類先進(jìn)和智能的應(yīng)用系統(tǒng)。

1.3 多技術(shù)融合的實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程與時(shí)俱進(jìn)，將新一代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，在培養(yǎng)學(xué)生硬件開發(fā)實(shí)踐能力的同時(shí)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺、人工智能等新一代信息技術(shù)的普及，為培養(yǎng)學(xué)生的融合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力提供支撐。根據(jù)課程目標(biāo)具體設(shè)計(jì)了18個(gè)實(shí)驗(yàn)案例（表1) 。這些案例分為基礎(chǔ)和綜合2 個(gè)層次。

基本實(shí)驗(yàn)一共設(shè)置有10個(gè)案例，其目的是讓學(xué)生熟悉輸入/輸出接口基本結(jié)構(gòu)和GPIO，掌握中斷系統(tǒng)、串行接口、定時(shí)器DA/AD 轉(zhuǎn)換等基本原理及其應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)置了8個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，其目的是讓學(xué)生掌握各類已有的機(jī)器視覺算法的基本實(shí)現(xiàn)方法，了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練方法，并能在Wi-Fi 模塊的支持下，完成基于物聯(lián)網(wǎng)思想的實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)案例中，均給出了對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本要求，學(xué)生可以在此要求上進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此，該案例庫(kù)為學(xué)生進(jìn)一步完成創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)屬于開放型實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自定義內(nèi)容，因此不在以上案例庫(kù)中。學(xué)生以3～4 人組成團(tuán)隊(duì)，在基于套件的核心板上可搭配其他控制板，實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，例如：智能門禁系統(tǒng)，智能實(shí)驗(yàn)室、智能農(nóng)業(yè)大棚、智能小車等。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置目的，是讓學(xué)生能將從案例庫(kù)中所學(xué)習(xí)和積累的知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行融會(huì)貫通，從實(shí)際生活角度出發(fā)，從創(chuàng)新性、實(shí)用性、趣味性等方向進(jìn)行創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)，旨在探索用一種新的技術(shù)方式解決實(shí)際問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置，以學(xué)生為主體，倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新精神。

1.4 以評(píng)為主的實(shí)驗(yàn)考核方式

目前課程的考核方式為：形成性考核50%+終結(jié)性考核50%。其中形成性考核組成為：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)占比10%,綜合實(shí)驗(yàn)占比20%，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)占比20%。終結(jié)性考核形式以筆試閉卷形式進(jìn)行理論考核。由此可見，實(shí)驗(yàn)成績(jī)所占比重較大，特別是對(duì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的考評(píng)，要從產(chǎn)品實(shí)用性、完整度、創(chuàng)新性和技術(shù)難度多方進(jìn)行考量。為了能對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行客觀而有效的考核，我們提出了以評(píng)為主的考核方式。

以評(píng)為主的考核方式是指，讓學(xué)生對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的成果進(jìn)行匯報(bào)展示，然后對(duì)其進(jìn)行評(píng)分。匯報(bào)以小組為單位，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，并以PPT 形式對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行講解，并提交包含硬件、源代碼，演示視頻和技術(shù)文檔一整套完整的產(chǎn)品資料。考核分?jǐn)?shù)由專家評(píng)分(40%)+小組互評(píng)(40%)+線上評(píng)分(20%)三部分組成。其中專家評(píng)分和小組互評(píng)為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分，專家由課程組教師擔(dān)任，線上評(píng)分為校園網(wǎng)上各作品視頻的投票結(jié)果。

2 結(jié)論

在新一代信息技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算機(jī)類實(shí)踐課程的教學(xué)改革變得尤其迫切。鑒于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程在計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)中的重要作用，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和方法存在的不足，將MicroPython 與微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生能夠以一種新的模式學(xué)習(xí)硬件開發(fā)編程，以實(shí)現(xiàn)融合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。