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(guān)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(shè)了“單片機原理及嵌入式系統(tǒng)課程，其中自動化專業(yè)理論課程40學(xué)時，課程設(shè)計20學(xué)時，實驗實訓(xùn)8學(xué)時：機械電子專業(yè)理論課程40學(xué)時，課程設(shè)計20學(xué)時，實驗實訓(xùn)16學(xué)時。每年共計約有實驗實踐學(xué)生數(shù)260人。該課程是機電類專業(yè)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(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、分析能力、解決問題能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意能力，為以后學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、參加各種大賽和就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。但是，目前該課程總學(xué)時減少，理論課程和實驗學(xué)時都被壓縮，考慮到學(xué)生考研和就業(yè)等不同需求，理論學(xué)時不能過少，理論內(nèi)容不能隨意刪減，只能在實驗學(xué)時上進行大幅度壓縮，減少實驗次數(shù)，在有限的實驗學(xué)時內(nèi)，要求學(xué)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(chǔ)上完成實驗創(chuàng)新變得異常困難，學(xué)生在短時間內(nèi)“學(xué)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(xué)習(xí)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(chuàng)永恒科技有限公司（簡稱杰創(chuàng)科技）共同完成教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)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(tǒng)”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(jié)合的教學(xué)方式，探索創(chuàng)新型的移動教學(xué)環(huán)境，推動實驗課程改革。只要有網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生便可在線學(xué)習(xí)，教師也可同步在線指導(dǎo)學(xué)生。利用該線下線上相結(jié)合的方式，增加學(xué)生的實驗實踐學(xué)習(xí)機會，提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，豐富學(xué)生的課上、課余時間。通過實驗課程改革，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)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(xué)改革，達到培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的目的。

2 STM32“口袋機”硬件線下平臺

該產(chǎn)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(shè)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(shè)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(diào)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(xué)習(xí)本門課程的過程中，為學(xué)生配備此設(shè)備，帶外設(shè)擴展模塊功能，可完成22個實驗例程，學(xué)生可根據(jù)自己的喜好選擇擴展模塊，完成相應(yīng)的實驗練習(xí)。在課程結(jié)束前，以小組為單位，每組學(xué)生負責(zé)保存此設(shè)備～學(xué)期，可帶出實驗室，用于學(xué)生課下根據(jù)自己的需求主動實驗，以增加學(xué)生的創(chuàng)新思維和調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新積極性，也鼓勵學(xué)生參加相關(guān)大賽，配備相關(guān)大賽指導(dǎo)教師。

這種不限地域和時間的實驗方式，為積極好學(xué)的學(xué)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(xué)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(tǒng)一安排的實驗學(xué)時，起到了啟發(fā)作用，在課上僅有的幾次實驗，可以引導(dǎo)學(xué)生課后完成更多的實驗，做好實驗即可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(tǒng)，在傳統(tǒng)單片機實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加人大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)，達到可遠程操作實驗的目的。學(xué)生將實驗項目通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器，該服務(wù)器與實驗板卡相連，可實時反饋實驗結(jié)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(chuàng)新實踐教學(xué)體系。讓學(xué)生在項目實踐中學(xué)習(xí)和掌握理論知識體系，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力和工程實踐能力。

基于云端的硬件實驗平臺架構(gòu)如圖2所示。

該平臺由硬件和軟件兩部分組成，軟件分為學(xué)生端和教師端。學(xué)生可根據(jù)學(xué)號密碼登錄軟件后，看到相關(guān)作業(yè)信息、課件、實驗面板等內(nèi)容。實驗面板為學(xué)生的主要操作區(qū)域，可在該區(qū)域完成自己的實驗構(gòu)思和驗證。教師端可監(jiān)控學(xué)生的實時操作，下載學(xué)生的實驗代碼，為學(xué)生找出問題所在，及時指導(dǎo)學(xué)生，為學(xué)生答疑解惑。

這種線上模擬實驗場景的方式更容易被學(xué)生所接受，硬件實物操作時，有些學(xué)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?lián)p壞硬件設(shè)備，以致被教師批評。而線上模擬實驗環(huán)境可以避免此類事情的發(fā)生，學(xué)生變得更大膽，更積極，在設(shè)計連線時，有了自己的想法，不斷改變自己的設(shè)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(xué)生能夠在線上和線下多元化地完成20學(xué)時的課程設(shè)計，使學(xué)生完成課程安排的同時，也熟練掌握了本門課程，為學(xué)生參加大賽和就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。

4實驗課程改革成果

（1）學(xué)生滿意度調(diào)查：經(jīng)過1年時間的實驗課程改革運行，對自動化專業(yè)、機械電子專業(yè)260名學(xué)生的滿意度進行匿名調(diào)查，結(jié)果如圖3所示。本次調(diào)查滿意度主要體現(xiàn)在如下方面，即經(jīng)過實驗課程改革，學(xué)生對本門課程的掌握程度是否加深，學(xué)習(xí)本門課程是否不再枯燥和困難，是否激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，若達到以上效果，學(xué)生對本門課的學(xué)習(xí)是否滿意。結(jié)果顯示，大部分學(xué)生在實驗課程改革后，是滿意的，個別學(xué)生想提建議。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，課上與學(xué)生積極溝通，學(xué)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(xué)生提建議希望增加課下學(xué)生與任課教師的面對面溝通機會。

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

5總結(jié)

結(jié)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意思維，培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力，拉近了學(xué)生與教師之間的關(guān)系。但有個別學(xué)生沒有參與小程序的匿名調(diào)查，從中可以看出，個別學(xué)生在校期間，對學(xué)習(xí)上的事比較冷漠。因此，在實驗課程改革的同時，還要關(guān)注所有學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和心里想法，做到“不丟下一個學(xué)生”，多與學(xué)生交流，了解學(xué)生的想法，注重過程考核，利用企業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，推動教學(xué)模式改革，促進現(xiàn)代化信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合，提升教學(xué)質(zhì)量和水平，實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的目標。