高校軟硬件協(xié)同開發(fā)實驗教學(xué)模式探索

張晶

（同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海 201804）

1 引言

當(dāng)今社會正處在新一輪科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)變革時期，信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展呈現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的特點，進(jìn)入萬物互聯(lián)的時代，軟件和硬件之間協(xié)同工作更加緊密，嵌入式開發(fā)成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。資料顯示，2020年中國軟件業(yè)務(wù)收入81616億元，其中嵌入式系統(tǒng)軟件收入為7492億元，占比9.2%，并保持高速增長[1]。

嵌入式系統(tǒng)要求開發(fā)人員能夠統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品功能、成本、功耗、可靠性等多方面因素。目前人才市場招聘嵌入式開發(fā)人員，要求熟悉編程語言、操作系統(tǒng)、驅(qū)動開發(fā)、硬件調(diào)試等多方面技術(shù)，符合要求的人才存在一些缺口，尤其是高校應(yīng)屆畢業(yè)生更為緊缺[2]。分析其主要原因，是目前大多數(shù)高校信息學(xué)科課程設(shè)置與市場對人才的需求存在一定的偏差。因此，培養(yǎng)一大批具備軟硬件協(xié)同開發(fā)能力的專業(yè)技術(shù)人才是高校教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急。本文圍繞軟硬件協(xié)同開發(fā)的實驗教學(xué)模式及相關(guān)配套機(jī)制展開一些思考，旨在更好地培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。

2 軟硬件實驗教學(xué)現(xiàn)狀

實驗是掌握科學(xué)知識和技能的重要手段，實驗教學(xué)是理論教學(xué)的有效延伸。高校信息學(xué)科相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)的實踐性都很強(qiáng)，各種軟件和硬件實驗更是課程體系中不可缺少的環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)專業(yè)技能的必修課。

2.1 軟件類實驗教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)高校計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本科培養(yǎng)方案中，軟件類課程體系建設(shè)都比較完善，涵蓋了編程語言、算法、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等，軟件類課程的實踐環(huán)節(jié)通常是采用課程項目設(shè)計的形式。經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，高校的實驗室計算機(jī)配備普遍充足，學(xué)生上機(jī)進(jìn)行軟件開發(fā)實踐的機(jī)會能夠得到充分保障。

2.2 硬件類實驗教學(xué)現(xiàn)狀

相對于軟件類課程而言，各校硬件課程設(shè)置差別較大。學(xué)生普遍反映硬件類課程學(xué)習(xí)內(nèi)容較為抽象，比如計算機(jī)各部件的運行原理、數(shù)據(jù)信號的調(diào)試過程等等，必須有合適的實踐環(huán)節(jié)支持以保證學(xué)習(xí)效果。硬件類實踐環(huán)節(jié)主要采用實驗教學(xué)的形式，有專門的實驗設(shè)備，在專門的實驗教學(xué)場地進(jìn)行，開設(shè)的實驗課程包括數(shù)字邏輯、組成原理、接口技術(shù)、單片機(jī)等。但很多實驗設(shè)備對綜合性、設(shè)計性實驗支持度不夠，難以滿足教學(xué)需要。有些學(xué)校采用Matlab、Multi-SIM等軟件仿真平臺進(jìn)行輔助教學(xué)，一般也只是對物理層面的實驗結(jié)果進(jìn)行驗證和比較，這只是一種教學(xué)方式的結(jié)合，而不能認(rèn)為是真正意義上的軟硬件協(xié)同開發(fā)[3,4]。

2.3 問題分析

綜上，高校信息類專業(yè)的課程體系中軟硬件課程基本上還是“分而治之”，課程設(shè)置“偏軟”和“偏硬”之間的分水嶺仍比較明顯，專業(yè)理論和工程實踐之間缺乏必要的聯(lián)系和相互支持，傳統(tǒng)方式培養(yǎng)的學(xué)生很難同時具備軟硬件開發(fā)兩手都硬的本領(lǐng)。

在“新工科”建設(shè)、工程教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的改革背景下，對學(xué)生的工程實踐能力、解決復(fù)雜問題能力和服務(wù)行業(yè)能力提出新的要求。各高校針對軟硬件融合教學(xué)開展廣泛的探索和研究，這些舉措包括：基于復(fù)雜工程問題的實驗案例設(shè)計、出版軟硬件協(xié)同開發(fā)的教材專著、開設(shè)創(chuàng)客專題慕課講座等等，確實取得一定效果。但總體而言，所面向的學(xué)生受眾群體還不夠廣泛，課程中的軟硬件協(xié)同教學(xué)內(nèi)容偏于簡單，人才培養(yǎng)仍不能很好適應(yīng)現(xiàn)階段社會對軟硬件開發(fā)兼才的迫切需求。我們需要探索一種可推廣的軟硬件協(xié)同實驗教學(xué)模式，讓信息學(xué)科相關(guān)專業(yè)更多的學(xué)生都能有所獲益[5]。

3 軟硬件協(xié)同實驗教學(xué)

計算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，硬件和軟件之間的界限日趨模糊，硬件和軟件系統(tǒng)的協(xié)同更加密切。軟硬件融合最顯著的例子就是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，從智慧城市等大規(guī)模系統(tǒng)，到智能家居這樣的小型單元，在整個系統(tǒng)中，軟件不僅僅是“運行程序”，硬件也不只是“提供驅(qū)動”，由此帶來的開發(fā)工作比以往更為復(fù)雜。

3.1 思路和方法

現(xiàn)階段高校開展軟硬件協(xié)同開發(fā)實驗教學(xué)模式，應(yīng)當(dāng)圍繞物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。實施過程中需要注意以下幾點：

（1）學(xué)生應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，先修課程包括：程序設(shè)計（C語言為主）、操作系統(tǒng)（Linux為主）、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、傳感器原理、單片機(jī)原理等。軟硬件協(xié)同教學(xué)內(nèi)容可以安排在本科第三學(xué)年進(jìn)行。

（2）單片機(jī)入門學(xué)習(xí)建議從51系列開始。51單片機(jī)是經(jīng)典的8位單片機(jī)，指令系統(tǒng)豐富，還有豐富的增強(qiáng)或兼容型號。51單片機(jī)編程語言可以是匯編或C語言。C語言編程效率高，可讀性和可移植性遠(yuǎn)超匯編語言，高校C語言教學(xué)更為普及，因此C語言是單片機(jī)編程語言學(xué)習(xí)首選。

（3）軟硬件協(xié)同開發(fā)實驗教學(xué)與傳統(tǒng)單片機(jī)課程的主要區(qū)別在于，對硬件開發(fā)板不僅限于通訊調(diào)試，也不只是執(zhí)行諸如點亮LED、馬達(dá)運轉(zhuǎn)的簡單實驗操作，而是需要通過軟件設(shè)計，對硬件獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后形成特定的系統(tǒng)響應(yīng)，構(gòu)建具備一定復(fù)雜度的工程系統(tǒng)，以適應(yīng)“新工科”教育的要求。

3.2 硬件選型

單片機(jī)架構(gòu)和型號繁多，對教學(xué)實驗用硬件平臺的選型，要從配套資源、設(shè)備成本、接口配置、編程語言等多方面統(tǒng)籌考慮。經(jīng)比較，適用于軟硬件協(xié)同開發(fā)實驗教學(xué)的硬件包括：STM32單片機(jī)開發(fā)板、Arduino開發(fā)平臺和樹莓派開發(fā)平臺，以及相關(guān)通訊模塊和傳感器模塊。

（1）STM32單片機(jī)開發(fā)板

STM32是基于ARMCortex-M內(nèi)核的32位系列單片機(jī)，具有高性能、低成本、低功耗的特點。片上集成Flash存儲器和SRAM存儲器，支持串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。

STM32單片機(jī)的優(yōu)勢：STM32單片機(jī)各種片上外設(shè)操作簡單，可以處理模數(shù)信號，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)了解底層硬件。增強(qiáng)型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，屬同類產(chǎn)品中性能最高，支持單周期乘法和硬件除法；基本型時鐘頻率為36MHz。市面上基于STM32的開發(fā)板，可選野火、正點原子等廠家產(chǎn)品，配套學(xué)習(xí)資源較齊全。

（2）Arduino開源硬件平臺（基于AVR）

AVR是精簡指令集8位單片機(jī)，基于哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開。AVR指令大部分為單周期指令，常用時鐘頻率為4 MHz～8MHz。

Arduino是基于AVRATmega8核心的開源電子原型平臺，包含硬件部分（Arduino開發(fā)板）和軟件部分（ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境），具有跨平臺和開源的特點，采用類C語言開發(fā)。Arduino能通過各種類型的傳感器來感知環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過執(zhí)行裝置來反饋、影響環(huán)境。

相對傳統(tǒng)單片機(jī)，Arduino的優(yōu)勢：開發(fā)人員不再需要關(guān)注寄存器等底層硬件內(nèi)容，通過編寫代碼就能實現(xiàn)對外設(shè)的控制。Arduino簡單的開發(fā)方式使得開發(fā)人員把更多的精力放在創(chuàng)意與實現(xiàn)上，通過快速原型法達(dá)到項目目標(biāo)，有利于節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開發(fā)周期，非常適用于軟硬件協(xié)同開發(fā)。Arduino還可以與Flash、Processing、Max/MSP等軟件進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)更多的創(chuàng)意應(yīng)用。

（3）樹莓派開發(fā)平臺

樹莓派是基于ARM的微型電腦主板，操作系統(tǒng)基于Linux，以SD/MicroSD卡為存儲器，配有USB和以太網(wǎng)接口，擁有視頻模擬信號輸出和HDMI高清視頻輸出接口，基本具備了PC的所有功能。樹莓派以Python為主要編程語言，也支持Java、C等主流編程語言。

與單片機(jī)相比，樹莓派可以完成更復(fù)雜的任務(wù)管理與調(diào)度，還可以連接豐富的開源硬件庫，為開發(fā)人員提供了更廣闊的應(yīng)用開發(fā)空間，包括連接底層硬件與上層應(yīng)用、實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云管理、圖像識別/視覺處理，以及復(fù)雜數(shù)據(jù)處理等。

（4）通訊模塊

模塊間的通訊是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，常見的無線通信方式有：射頻識別RFID、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、3G/4G等，實驗教學(xué)可選用CC2630作為ZigBee連接模塊，CC2640作為藍(lán)牙連接模塊，ESP8266作為WiFi連接模塊。

3.3 開發(fā)語言

（1）C語言與匯編語言

C語言面向過程，具有處理內(nèi)存分配的能力，執(zhí)行效率高，可移植性好。大多數(shù)單片機(jī)都支持C語言進(jìn)行開發(fā)，因此C語言是軟硬件協(xié)同開發(fā)的首選。

匯編允許用戶直接訪問底層硬件，可以實現(xiàn)精確的計時應(yīng)用。匯編還提供了一些C語言不支持的指令集，例如使用BIT指令進(jìn)行位操作。但匯編課程在高校開設(shè)較少。

（2）MicroPython

Python是一種解釋型語言，近年來改編產(chǎn)生了適用于單片機(jī)的輕量級開源MicroPython。MicroPython使用標(biāo)準(zhǔn)Python庫的子集，可以控制底層硬件，但只能操作256K的空間和16K的RAM。MicroPython目前主要支持ARM系列單片機(jī)，也支持部分51系列邏輯部件。

（3）類C語言

Arduino是用經(jīng)過封裝的C語言進(jìn)行開發(fā)的，Arduino核心庫文件提供各種應(yīng)用程序編程接口API，這些API是對底層單片機(jī)（通常是AVR）支持庫進(jìn)行二次封裝所形成的。封裝好的API屏蔽了單片機(jī)中繁雜的寄存器配置，可通過程序直觀地控制Arduino，增強(qiáng)了程序的可讀性，也提高了開發(fā)效率。

3.4 教學(xué)模式

針對信息學(xué)科專業(yè)特點，對軟硬件協(xié)同開發(fā)應(yīng)用的實驗教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行設(shè)計，主要教學(xué)模式如下：

（1）可以借鑒STEM的先進(jìn)教育理念來開展軟硬件協(xié)同開發(fā)實驗教學(xué)。STEM教育將科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）內(nèi)容進(jìn)行整合，是一種運用所學(xué)綜合知識解決真實情境問題的教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉和知識融合，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、創(chuàng)新的能力、跨界的綜合能力。信息學(xué)科的專業(yè)實踐性強(qiáng)，與其他學(xué)科交叉應(yīng)用廣泛，非常符合STEM理念開展實踐教學(xué)。

（2）采取基于案例的實驗教學(xué)方式。通過對2～3個基礎(chǔ)案例的講解和演示，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會對實驗所需的硬件設(shè)備及配件進(jìn)行選型、配置和調(diào)試。為適應(yīng)課時需要，每個基礎(chǔ)案例架構(gòu)不宜太復(fù)雜，模塊數(shù)量控制在5～10個（包括傳感器和通訊模塊），比如：基于溫濕度的自動澆灌系統(tǒng)、基于紅外探測的避障小車、通過無線控制的機(jī)械臂等等，讓學(xué)生接觸到不同模塊的工作原理和配置方法。

（3）在完成基礎(chǔ)案例學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，注重對綜合設(shè)計性實驗內(nèi)容的支持，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。由學(xué)生自行組隊、自行討論項目方案、自行完成硬件選型和軟件設(shè)計，并調(diào)試運行，教師在此環(huán)節(jié)充當(dāng)協(xié)助角色。

（4）采取項目答辯方式進(jìn)行驗收（PPT展示+系統(tǒng)演示），重點考查系統(tǒng)實際運行效果、學(xué)生對軟硬件協(xié)同開發(fā)理念的理解和綜合應(yīng)用能力。軟硬件協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計要求達(dá)到一定的復(fù)雜度，復(fù)雜度的指標(biāo)包含但不限于：所用硬件模塊的數(shù)量、軟件代碼的有效行數(shù)、模塊間的邏輯關(guān)系的合理性、系統(tǒng)的功耗和穩(wěn)定性等。

（5）軟硬件協(xié)同開發(fā)的實驗教學(xué)平臺不僅可以作為傳統(tǒng)實驗課程的延展，也可以為學(xué)生的專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新項目等環(huán)節(jié)提供支持，從而豐富本科實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

4 結(jié)語

新時期物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)蓬勃發(fā)展，各行業(yè)之間相互融合，學(xué)科交叉已成常態(tài)，良好的軟硬件協(xié)同開發(fā)能力是對技術(shù)開發(fā)人員的一項基本要求。國內(nèi)高校應(yīng)當(dāng)大力在信息學(xué)科本科專業(yè)中推廣軟硬件協(xié)同開發(fā)教學(xué)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)人才市場的需求，也為國家信息化戰(zhàn)略儲備人才。軟硬件協(xié)同開發(fā)的實驗教學(xué)模式以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計、自主管理為主線，開發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，旨在更好地培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才；同時，也引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家和社會的重大戰(zhàn)略問題，增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感和整體意識。