虚实结合型嵌入式课程实验教学设计

2020-06-10王伟蔡燕杨永杰沈笑笑许鹏

电子技术与软件工程 2020年4期

关键词：嵌入式实验教学知识点

王伟蔡燕杨永杰沈笑笑许鹏

（南通大学信息科学技术学院江苏省南通市 226019）

目前，教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容是虚拟仿真实验教学，并在很多高校中广泛的应用，一些中小学也正在建设自己的虚拟仿真实验教学中心。现在，虚拟仿真实验教学已成为老师重要的教学方式。

虚拟仿真实验教学可以让抽象的实验过程形象逼真地演示出来，教师可结合实际的教学需求，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，提升教学效果。

还可以帮助教师安全、直观的展示复杂实验、危险性实验、极端破坏性实验、反应周期过长实验等内容。此外虚拟仿真实验还可以利用虚拟现实技术，使实验教学的互动性与情景化更强，极大限度地激发学生自主实验兴趣。

构建线上与线下相结合的教学模式，可以致力于学生自主学习与创新实践能力、信息素养的培养[1]。如何在现有教学过程中，有效地引入虚拟实验，处理好虚拟与实际、线上与线下的关系，成为许多教学工作者正在探索的教学研究课题之一。

1 虚实结合的实验教学设计

1.1 嵌入式系统课程特点

嵌入式课程目前主要采用ARM Cortex体系处理器为研究学习的主要对象，其教学主要内容包括：详细介绍编程模型、指令系统、程序设计基础和嵌入式开发应用等方面，使学生深入理解STM32处理器的体系结构与指令系统，熟练掌握应用I/O端口、中断和定时器、ADDA、串行通信、LCD 控制器等关键技术来进行开发研究，最终使学生从总体上把握嵌入式系统的框架结构和技术细节。

课程采用理论与实验交叉教学的方式，在掌握理论的基础上，训练学生的应用设计能力，对学生的实际动手能力要求较高。然而，由于学时数和实验设备的限制，学生往往没有足够时间来通过训练提升应用开发能力。

1.2 虚实结合实验的必要性

仿真工具选用英国Lab Center Electronics公司推出的Proteus电路仿真软件。目前仅该软件支持STM32系列芯片的虚拟仿真, 该软件不仅具有示波器、信号发生器、电压表、电流表等多种嵌入式实验所需的虚拟仪表, 还具有各种常用虚拟电子元件, 因此可使用这些虚拟仪表和虚拟电子元件能搭建出各种嵌入式实验所需的电路[2]。

Proteus8.0以上版本可以支持STM32处理器芯片，所以可以通过该软件进行嵌入式系统的软件仿真应用实验，为实验课程虚拟化提供了技术上的支持。当然，嵌入式系统实验不可能完全脱离实际电路的调试开发，一些元件参数对实验的影响也无法通过软件仿真来体现。

图1：混合型实验教学模式示意图

基于上述情况，嵌入式系统实验课程采用了虚实结合的混合型实验教学模式，经过重新设计调整，将每个实验项目分为基础内容、拓展内容和巩固内容三部分。其中基础内容为一些基本的知识点，要求学生在课前使用仿真软件设计完成，相当于完成了对实验的预习工作。拓展内容是一些综合性或复杂性的应用，放在实验室实操完成，并作为虚拟实验的考查与反馈。巩固内容要求学生在课后完成，可以作为拓展内容的补充，以帮助学生加深对实验的理解。混合型实验教学模式示意图如图1所示。

下面通过一个嵌入式系统的实验来介绍这种混合型实验教学模式。

2 虚实结合的实验实例研究

2.1 实验内容的分解与安排

嵌入式系统课程的第一个实验是LED灯显示，在硬件上8路LED灯的负极接在PB7-PB0脚，灯的正极接电源VCC。实验目的是掌握LED灯的电路结构和点亮方法，IO端口的配置与控制，以及延时函数的使用。

在混合式教学中，课前虚拟仿真软件完成的基础内容设计为：一个或多个LED灯的点亮和闪烁。课上实操完成的拓展内容为：实现一种流水灯效果，且灯亮时间是逐渐变短的。具体操作如下：

2.2 实验课程虚拟部分的实施

学生在进入实验室进行实际操作之前，利用Proteus进行ARM STM32的应用仿真。首先编程点亮一个或多个LED灯，这里需要学习并掌握IO端口初始化配置和编程控制的方法。然后在实现一个或多个LED灯的闪烁，这里则需要理解并掌握延时程序的调用方法。通过这些基础内容的虚拟训练，学生在课前已经对本实验项目的三个知识点有了较深的认识，为课上实验设计打好了坚实基础。

图2：实验原理和仿真效果图

图3：实验箱下载运行效果图

图2为Proteus软件中的实验原理和仿真效果图，当生成的目标代码导入虚拟芯片后，即可模拟仿真实验效果，其调试与观察也十分直观和便捷。不过由于是仿真软件，一些电路的细节问题无法体现。例如电路中LED灯的限流电阻，其值大小对灯的亮度会有影响，在软件中是无法看到的。所以在实际电路上的操作是必不可少的。

2.3 实验课程实操部分的实施

学生在完成课前仿真训练后，便可进入实验室进行实际操作。实操完成拓展内容，一种时间渐短的流水灯效果。要实现该效果，需要考虑使用移位操作来实现流水灯，同时将延迟的参数从常数改为变量，并在循环中逐渐减少。其减少值还应考虑到人眼是否能够观察到变化。

这个实验拓展内容将基础知识点综合到一起，且存在简单的算法设计，可以很好地考查学生对实验掌握程度。同时在实际实验中，还可以通过更换限流电阻，观察灯亮度变化，来估算LED灯适合的工作电流。在实验箱下载后运行效果如图3所示。

2.4 实验课程考查方法的探索

鉴于教学中的虚实相互结合，实验报告可以将虚拟实验内容作为实验预习报告，而实际实验内容作为正式实验报告。在实验考查时，可以在实验开始时就检查虚拟仿真实验情况，即对实验基本知识点的掌握情况。只有基本掌握的学生才可以进入实验室实验。实验过程更多地以启发和探索方式开展，以引导学生更深入地思考实验内容。而最后检查的拓展内容具有一定的复杂性，也利于进一步提升学生的设计能力。

当然，从教学大纲要求来看，考查成绩应以基本知识点掌握情况为主要依据，所以建议学生实验成绩以虚拟实验为主（占70%），实操实验为辅（占30%）的原则来打分。

在实验课程结束后，安排一些巩固内容让学生们使用Proteus软件去练习，作为课上拓展内容的补充。另外，学生若还有不懂或者来不及完成的地方，也可以利用仿真软件继续学习，随时随地进行虚拟仿真实验，来加强对实验内容的巩固。

3 混合式实验的实施效果与成效

嵌入式课程的虚实结合实验模式教学实施一年后，通过学生评教、抽样调查和期末实验考核情况来看：学生对课程相关知识点的认识有所加深，尤其在实践动手能力上得到了显著加强。学生普遍感觉，相较于其他课程，该实验课程的探索性和趣味性更加突出，对他们随后的创新实验及毕业设计帮助较大；同时还能够帮助学生在本科阶段接受科学研究与发明创造的训练，调动学生的主动性、积极性和创造性[3]。

当然从部分学生反馈来看，也存在一些问题。主要有：课前需要花费较多的时间完成虚拟实验；在虚拟实验中遇到问题时无法及时解决；课上实验拓展内容难度较大等。下一步的改进措施包括：建立虚拟仿真实验交流群，保持与学生的及时沟通；建立奖励措施，鼓励学生之间互帮互助，更加及时地解决虚拟实验中的问题；明确告知学生实验成绩以掌握基本知识点为主，即认真完成虚拟实验就可以拿到70%分数，减轻学生顾虑；提前告诉学生拓展实验的难度，多鼓励学生积极面对等。