国产芯片驱动下的嵌入式课程综合实验教学设计

摘要：在新工科背景下，国产芯片在嵌入式领域的应用逐渐增多，取得了显著进展和成就。本文针对长期以来高校嵌入式课程实验都采用国外芯片，而国内芯片应用较少的现状，契合培养国家急需的复合型嵌入式芯片应用人才的需求，提出采用国产芯片为主的综合实验设计，采用“国产微控制器+行业应用+AI算法+国产操作系统”的多学科融合的内容设置模式，同时与物联网、通信、人工智能等新兴技术交叉，要求学生在自主研学的同时，设计电路，调试完成系统制作，突破固有思维，挑战自己，以培养勇于实践探索、求知求真的创新精神及精益求精的工匠精神、一丝不苟的工程素养，树立科技报国、服务社会的信心和决心。

关键词：国产芯片；嵌入式；实践教学

中图分类号：TP368.1-4 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）18-0105-05

引言

国产芯片虽然起步较晚，但通过引进技术、培养人才以及加强创新研发等手段，正逐渐走上舞台。在国家政策支持下，如何提升芯片、操作系统、基础软件的国产化替代水平和应用规模，人才是关键。因此，在新工科建设背景下，培养出实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型嵌入式应用人才，满足国家战略需求，为国产芯片以及国产嵌入式操作系统的应用开发培育储备人才，成为高校人才培养的迫切需求。

嵌入式课程实验教学现状

嵌入式课程是高校计算机、电子信息专业领域重要的课程之一，嵌入式课程的实验教学重视学生的动手能力和实践操作，旨在培养学生的工程思维和解决问题的能力。长期以来，国内很多高校嵌入式课程实验教学主要采用国外芯片[1-3]，随着我国芯片产业的发展，嵌入式实验教学内容、方法亟须不断创新与改进，以适应嵌入式领域的国内产业需求和发展趋势。目前，嵌入式课程的实验教学环节存在一些不足之处（如图1）。

1.实验教学项目内容与企业需求脱节

嵌入式课程实验教学内容一般包括课程基础实验和综合设计实验，基础实验内容大多是根据章节主要知识点设置的实验，综合设计实验反映了课程的应用与创新，但随着社会对物联网、云计算以及人工智能等产业界新技术的应用要求的产生，以往的嵌入式综合性实验与企业需求脱节，导致人才培养难以满足产业发展需求。

2.实验课程学时不足，实验资源有限，阻碍了自主实践的积极性

嵌入式课程涉及的基础实验内容比较多，占用课时也较多，导致综合设计实验的学时较少，无法有效实现对学生综合能力与系统工程能力的培养。随着人工智能算法的发展，软硬件结合的嵌入式人工智能系统逐渐成为研究热点[4]，为了实现智能系统的底层控制功能，很多研究都采用基于STM32的低功耗微控制器方案。但现有的基于STM32的嵌入式实验教学，多采用实验箱的方式，实验教学资源受场地、时间等现实条件的限制，导致学生无法正常开展实践性学习，这在很大程度上打击了学生利用网络资源、碎片化时间进行课后自主实践的积极性。

3.课程融入国产嵌入式芯片与嵌入式操作系统实践应用案例不够

一直以来，很多高校嵌入式课程所用芯片都采用ARM芯片，教学所用操作系统为Linux和FreeTros实时操作系统[5-6]，课程融入国产嵌入式芯片与嵌入式操作系统实践应用案例较少，导致学生对国产芯片和操作系统的了解不够深入，更无法在实践中增强实现国产替代的信心和决心。

嵌入式综合实验案例设计

笔者尝试以国产芯片CH32V307（对应嵌入式课程教学的STM32F407）为核心设计一个智能门锁系统，以“软硬并重、学科交叉、创新应用”为原则，通过设计这一实验教学案例，来解决以下问题：

①创设易于入手的门锁这一实情实境，采用嵌入式技术设计一个智能门锁系统，系统由AI人脸识别模块、摄像头模块、RFID读写模块、指纹识别模块、串口屏模块、广和通4G模块等构成，利用国产RT-Thread操作系统进行并行线程接收各模块的数据并控制继电器和语音提醒实现多种开锁方式。案例旨在让学生在综合实践中将所学理论知识应用于真实的应用场景，及时发现问题、解决问题，增强工程实践能力。

②强化硬件设计，注重实用性、探究性、创新性、高阶性，让学生利用所学STM32的软硬件知识，采用CH32V307芯片[7]设计制作嵌入式最小系统，并完成焊接调试的整个过程，利用AI算法进行人脸识别实验，在设计过程中进行较复杂的功能扩展性实践（如通过腾讯云端以及微信小程序实现开锁），结合工程问题探究并开展有目的的创新。

③思政融入。本实验在课堂教学中采用STM32F407芯片，主要以欧美芯片为主，为了跟社会需求衔接，课程综合设计采用国产芯片与国产TR-Thread操作系统，对标国产替代之所需，培养国家急需的芯片与系统应用设计储备人才，增强学生实现国产替代的信心和决心。

1.实验内容

围绕新工科建设培养复合型人才的根本目标，发挥多学科“交叉融合”的优势，强调综合设计属性。本实验要求以国产芯片为主，采用“国产微控制器+行业应用+AI算法+国产操作系统”的多学科融合的内容设置，实验内容与物联网、通信、人工智能等新兴技术相结合，因此在实验内容设置上安排系统方案设计、系统硬件设计、软件设计、实验验证方案设计等多项设计内容，具体要求完成以下功能。

（1）硬件设计

设计并制作基于CH32V307VCT6的最小系统板，用于控制智能门锁的各个功能模块；设计人脸识别和摄像头模块、指纹模块、NFC读卡器、压力传感器、充放电电池模块、降压模块等硬件，并互相连接以实现各个功能。

（2）软件实现

设计多个并行的RT-Thread线程用以实现系统各个功能的连接；训练基于Yolov5s+insightface的深度神经网络并将其部署在m3axpi中；实现虚位密码功能，即只需密码或临时密码存在于输入数字串中即可开锁；实现应用微信小程序远程开锁、远程添加临时密码功能和添加指纹功能；结合压力传感器、CH32和m3axpi实现外卖物品监控拍照功能；同时，因人脸识别时背面屏幕可看到当前画面，亦可将其当作电子猫眼来使用。

（3）通信与网络

使用国产广和通4G通信模块，连接到腾讯云平台，云平台能将小程序数据发送到4G通信模块，实现随时随地远程控制开锁。

（4）用户界面与手机应用APP

开发门锁的用户界面，提供指纹录入、密码修改和添加临时密码等操作功能。其中，录入指纹可通过滑条选定指纹序号，添加临时密码可通过滑条设定临时密码，滑条滑动次数无需考虑。

（5）压力传感器控制拍照

将压力传感器与监控摄像头集成，实现当有物体悬挂于上施加压力然后离开，即产生下降信号，门锁自动拍照记录在储存卡中的功能。

2.实验过程

嵌入式产品的开发是一个迭代优化的过程，为了培养学生的工程综合实践能力，参照产业界的产品研发流程，营造出具备真实工程场景的实验过程，如图2所示。

①实验启动：在教师的引导下分组建立团队，教师讲授实验任务、内容、目标，引导学生理解设计任务，进行任务分解，查阅相关资料，了解实验平台的硬件资源、软件操作等。

②需求分析：教师讲授系统功能组成、所需接口、所需电路模块、扩展模块等。

③系统设计：在教师、学长的引导下完成系统软硬件的设计。

④系统集成：在教师的指导下进行系统组装、软硬件调试、整机测试，设计一个美观的外壳。

⑤系统验收：撰写设计报告、实物展示、分组答辩、教师评价、知识竞答、学生互评价。

3.教学设计

本案例采用“以学生为主、教师引导为辅”的教学模式，根据学校实验室开放式项目的要求，构建开放的实验环境。整个实验过程循序渐进，引导学生主动投入到实验中，充分利用线上作业、线上实验报告、线上答疑的优势，及时掌握学生实验进展情况，结合背景知识、前沿知识、技术细节提示等指导学生自主探究，让学生学会分析、讨论、思考，在实践与重构的多次迭代中培养综合设计与创新能力。

（1）理实结合开展教学

在基础知识教学过程中，针对每个重点、难点，首先讲理论，然后设置知识点案例，在自研的口袋实验板上完成任务，展示实验结果，让学生体验理论转换为实践的过程，增强教学效果，具体过程如图3所示。

（2）预设任务、启发式的课堂教学

在设计开始前，教师给定题目和设计内容，学生分组（3～6人/组）完成，每组根据设计需求，开展需求分析、小组讨论，完成初步的设计构想（列出预设创新点）。教师根据每组完成的初始化报告了解学生对相关知识的了解程度，有针对性地查漏补缺，并对实验中可能遇到的技术要点问题进行启发与展开讨论，为学生开展实验提供知识支持。

（3）强化国产芯片应用的需求牵引

结合在“国产替代”这一政策背景支持下，国家对芯片的需求、对国产芯片的支持，以及需要大量的芯片应用开发人才，逐步引导学生进入项目。在教学中，结合实际的门锁演示指出存在的问题，结合基础实验，先从简单的继电器控制、舵机控制入手，实现一个简单的开门锁的装置，紧接着，由简单到复杂，逐步深入扩展，逐步引导学生完成实验，增强学生学以致用的信心。

（4）软硬件协同综合设计

每个组根据实验任务，再分为软件开发和硬件开发两个组，软件组负责软件、算法的设计开发，硬件组负责电路设计、PCB制作、系统调试等任务，每组根据学习情况指定组长一人，组长有效组织负责软硬件的组员完成设计任务，开展协作开发，同时，教学过程中强调以强带弱、团队合作的重要性。

（5）基于高阶性设计学生探究式学习与教师引导

在完成基本功能设计的基础上，针对个别优秀组，引导学生根据工程实际需求和问题自主选题搜集资料，运用所学知识和方法解决新的问题，教师启发式提出创新点，如采用AI深度学习技术对人的性别、年龄进行识别，提高智能锁的智能水平。

（6）立体化思政融入

在整个实验教学过程中，以国产芯片与国产操作系统应用为内容，从课程引入、课程讲授、课后等不同教学阶段实施立体化思政融入，如图4所示。

4.实验报告

学生在完成实验后需要认真撰写实验报告，实验报告内容如左下表所示。案例实现的作品以组为单位进行演示交流，分组答辩。最后，教师组织学生根据各组作品的演示效果进行投票互评，互评成绩计入每组的综合成绩。

5.实验考核与评价

以提高学生综合素质和工程实践能力为目的，采用多元化的过程考核评价机制，同时融入学科竞赛的全过程（实物制作→撰写报告→实物展示→汇报答辩），既注重过程考核，又重视结果导向考核。综合考核分为三个部分：①教师结合日常表现、设计报告、团队合作、作品演示效果等方面进行考核，分值占总分的60%；

②引入学生组内自评和小组互评，以增加考核的科学性、客观性、合理性；③设置基础知识竞答，以抢答加分的形式，增加学生竞争意识。教师在考核过程中引导学生要善于审视自我、发现不足，强调项目实施过程中团队成员协作互助的重要性。多元化考核旨在促进学生学习积极性，使其发现不足、改善态度、提升自我，培养学生综合素质，评价体系如图5所示。

结语

嵌入式课程围绕新工科建设培养复合型人才的根本目标，发挥多学科“交叉融合”的优势，课程内容反映学科前沿和产业界的新兴技术，体现多学科与跨专业融合。课程注重理论与实践结合，实验教学内容在设置上，由原来的以STM32F4xx系列微控制器为主控，逐步转向为以“STM32F4xx系列微控制器+国产CH32系列芯片”的实验教学形式，其中，综合设计实验要求采用国产芯片为主，采用“国产微控制器+行业应用+AI算法+国产操作系统”的多学科融合的内容设置。“智能门锁系统”实验教学案例按照从理论到工程实践以及由简入深、循序渐进、逐步深入的原则，采用软硬结合的方法设计，对传统嵌入式实验进行了改革与创新，在当前“国产替代”政策这一大背景下，这样的设计重要性不言而喻。

参考文献：

[1]孙伟，李严，崔晓晗，等.面向应用的嵌入式系统教学改革与探索[J].工业和信息化教育，2016（01）：32-36.

[2]陆渊章.基于物联网ARM嵌入式系统教学体系探讨[J].工业和信息化教育，2013（11）：56-58.

[3]邢海霞，索明何.嵌入式技术教学改革与实践研究——以“MCU控制小灯闪烁”实验为例[J].工业和信息化教育，2019（05）：80-84.

[4]刘冰，付平，李君宝，等.基于嵌入式AI平台的自动测试系统实验课设计[J].教育现代化，2019（69）：96-97+109.

[5]武小平.面向系统综合能力培养的“嵌入式系统”教学探讨[J].计算机工程与科学，2014，36（S2）：238-241.

[6]邓招奇，郝亚茹，邓春健.面向嵌入式领域的Android教学方法探讨[J].计算机教育，2016（06）：4.

[7]南京沁恒微电子股份有限公司.CH32V208数据手册[EB/OL].https：//www.wch.cn/products/CH32V307.html.

作者简介：贾伟，男，甘肃陇西人，高级实验师，研究方向为嵌入式AI、物联网通信、机器人。谢明山（通讯作者）， 男，贵州遵义人，教授，研究方向为嵌入式AI、机器人、物联网通信。

基金项目：贵州大学高等教育研究项目（编号：GDGJYJ2020014）;贵州大学一流课程培育项目（编号：XJG2021023）；贵州大学实验室开放项目（编号：SYSKF2024-023）；嵌入式系统原理及应用校级课程思政示范项目（编号：kcsz2023006）；嵌入式系统原理及应用省级金课（编号：2024JKHH0034）。