基于“口袋机”与远程云端硬件实验平台的实验课程改革研究

王虹元 肖杨 王炜富

关键词：口袋机;远程云端;课程改革

1引言

目前，我院信息系开设了“单片机原理及嵌入式系统课程，其中自动化专业理论课程40学时，课程设计20学时，实验实训8学时：机械电子专业理论课程40学时，课程设计20学时，实验实训16学时。每年共计约有实验实践学生数260人。该课程是机电类专业的一门实用性很强的综合性课程之一，通过该课程的实验实践学习，可以培养学生的实践能力、分析能力、解决问题能力，提升学生的创新创意能力，为以后学生毕业设计、参加各种大赛和就业打下坚实的基础。但是，目前该课程总学时减少，理论课程和实验学时都被压缩，考虑到学生考研和就业等不同需求，理论学时不能过少，理论内容不能随意删减，只能在实验学时上进行大幅度压缩，减少实验次数，在有限的实验学时内，要求学生对理论知识深度理解，并熟练掌握单片机的使用方法，在此基础上完成实验创新变得异常困难，学生在短时间内“学不会、理解不了”，对该课程失去耐心和信心，开始放弃，开始怀疑学习这门课程的理论有什么用？授课效果大打折扣。

针对以上问题，我院申请与北京杰创永恒科技有限公司（简称杰创科技）共同完成教育部产学合作协同育人项目，共建STM32“口袋机”硬件平台和远程云端实验平台，以“单片机原理及嵌入式系统”课程为依托，通过“口袋机”硬件线下平台和远程云端线上平台相结合的教学方式，探索创新型的移动教学环境，推动实验课程改革。只要有网络，学生便可在线学习，教师也可同步在线指导学生。利用该线下线上相结合的方式，增加学生的实验实践学习机会，提高学生的动手能力、创新能力，培养学生的团队合作精神，丰富学生的课上、课余时间。通过实验课程改革，可以激发学生的创新思想，课下自己鼓动，课上好问，对理论课程的课程体系起到完善作用，促进整体教学改革，达到培养创新型应用型人才的目的。

2 STM32“口袋机”硬件线下平台

该产品如图1所示，从外观上看，其采用GUI人机交互界面，开机可显示设备信息、时间日期、实验例程等;按键采用圆盘电容式，具有震动体感反馈，可提高设备可靠性：显示屏采用65535真彩240x320的显示屏;板载TYPE-C接口，具有烧写、调试、仿真等功能：采用工程塑料模具进行全方位保护：尺寸为132mm×90mm×14mm，方便携带：MCU采用STM32F407ZG。

在学习本门课程的过程中，为学生配备此设备，带外设扩展模块功能，可完成22个实验例程，学生可根据自己的喜好选择扩展模块，完成相应的实验练习。在课程结束前，以小组为单位，每组学生负责保存此设备～学期，可带出实验室，用于学生课下根据自己的需求主动实验，以增加学生的创新思维和调动学生的创新积极性，也鼓励学生参加相关大赛，配备相关大赛指导教师。

这种不限地域和时间的实验方式，为积极好学的学生提供了便利，实验过程中，遇到问题可通过微信与任课教师积极沟通，增加了师生互动，拉近了学生与教师的距离，增进了师生之间的感情，对教师的课堂管理有了很大帮助。课程统一安排的实验学时，起到了启发作用，在课上仅有的几次实验，可以引导学生课后完成更多的实验，做好实验即可激发学生学习理论知识的兴趣，使其喜欢探索、喜欢动手，为熟练掌握本门课程提供了保证。

3单片机远程云端硬件实验平台

该实验平台是虚实一体实验系统，在传统单片机实验系统的基础上加人大数据、云计算技术，达到可远程操作实验的目的。学生将实验项目通过网络上传至云端服务器，该服务器与实验板卡相连，可实时反馈实验结果。该平台不受实验空间和时间的限制，建立基于“一套平台贯穿一系列课程体系，在校实践不断线”的创新实践教学体系。让学生在项目实践中学习和掌握理论知识体系，充分发挥学生的想象力和创造力，培养学生知识综合应用能力和工程实践能力。

基于云端的硬件实验平台架构如图2所示。

该平台由硬件和软件两部分组成，软件分为学生端和教师端。学生可根据学号密码登录软件后，看到相关作业信息、课件、实验面板等内容。实验面板为学生的主要操作区域，可在该区域完成自己的实验构思和验证。教师端可监控学生的实时操作，下载学生的实验代码，为学生找出问题所在，及时指导学生，为学生答疑解惑。

这种线上模拟实验场景的方式更容易被学生所接受，硬件实物操作时，有些学生理论知识掌握得不好，不敢轻易下手操作，怕有安全隐患，怕損坏硬件设备，以致被教师批评。而线上模拟实验环境可以避免此类事情的发生，学生变得更大胆，更积极，在设计连线时，有了自己的想法，不断改变自己的设计，看看能达到什么样的效果，实验效果翻倍。

利用“口袋机”硬件实验平台和远程云端实验平台，使学生能够在线上和线下多元化地完成20学时的课程设计，使学生完成课程安排的同时，也熟练掌握了本门课程，为学生参加大赛和就业打下了坚实的基础。

4实验课程改革成果

（1）学生满意度调查：经过1年时间的实验课程改革运行，对自动化专业、机械电子专业260名学生的满意度进行匿名调查，结果如图3所示。本次调查满意度主要体现在如下方面，即经过实验课程改革，学生对本门课程的掌握程度是否加深，学习本门课程是否不再枯燥和困难，是否激发了学生的创新思维，若达到以上效果，学生对本门课的学习是否满意。结果显示，大部分学生在实验课程改革后，是满意的，个别学生想提建议。根据调查结果，课上与学生积极沟通，学生对基于“口袋机”硬件实验平台和远程云端实验平台的实验方式是满意的，个别学生提建议希望增加课下学生与任课教师的面对面沟通机会。

（2）参加大赛获奖情况调查：经过1年时间的实验课程改革运行，提高了学生独立思考能力，激发了学生的创新思维，对自动化专业、机械电子专业260名学生中参加大赛的学生进行匿名调查，结果如图4和图5所示。参加大赛的学生较以往有所增加，且所获奖项较以往增多。该调查结果表明，实验课程改革对学生起到了积极的推动作用，使学生有信心，敢于参加大赛，学生的动手能力有所提高，学习兴趣浓厚，达到了教学目的。

5总结

结果显示，基于“口袋机”与远程云端硬件实验平台的实验课程改革效果显著，提高了学生的学习兴趣，激发了学生的创新创意思维，培养了学生解决问题的能力，拉近了学生与教师之间的关系。但有个别学生没有参与小程序的匿名调查，从中可以看出，个别学生在校期间，对学习上的事比较冷漠。因此，在实验课程改革的同时，还要关注所有学生的学习状态和心里想法，做到“不丢下一个学生”，多与学生交流，了解学生的想法，注重过程考核，利用企业优质资源，推动教学模式改革，促进现代化信息技术与实验教学深度融合，提升教学质量和水平，实现培养创新型应用型人才的目标。