新工科背景下的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

張歡　宋慧娜　滕旭陽(yáng)　喬磊

關(guān)鍵詞：新工科；嵌入式系統(tǒng)；樹(shù)莓派；擴(kuò)展項(xiàng)目；創(chuàng)新思維

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）03-0166-03

1 引言

為應(yīng)對(duì)新一輪的全球產(chǎn)業(yè)變革，支撐國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展，為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，教育部于2017年先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”[1]“天大行動(dòng)”[2]和“北京指南”[3]，并發(fā)布了在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知。相比傳統(tǒng)的工科教育，“新工科”著力培養(yǎng)人才提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工程能力，培養(yǎng)的人才應(yīng)兼具理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新性思維和工程實(shí)踐能力，更注重人才培養(yǎng)的社會(huì)滿(mǎn)意度[4]。

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程是計(jì)算機(jī)和電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課，這門(mén)課覆蓋了C語(yǔ)言編程、電子電路、Linux 操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等多門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容，在前置課程交叉融合的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力?；凇靶鹿た啤苯逃砟钤O(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程，有利于提升學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，拓展學(xué)生知識(shí)的廣度和深度，符合“大學(xué)本科要培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，有助于實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有家國(guó)情懷、國(guó)際視野、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才”的目標(biāo)[5]。

杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院已經(jīng)連續(xù)多年開(kāi)展了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程，并對(duì)該課程進(jìn)行了一些積極的探索和實(shí)踐[6]。基于“新工科”教育理念，本次教學(xué)改革探索將實(shí)驗(yàn)課程分成了基礎(chǔ)部分和擴(kuò)展部分，在原有樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的完善與改進(jìn)，增加學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)、思考與實(shí)踐在整個(gè)課程中的課時(shí)比例。

2 課程介紹

樹(shù)莓派是專(zhuān)為學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理而設(shè)計(jì)的，具有價(jià)格低廉、功耗低、體積小、功能完善等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，受到了廣大計(jì)算機(jī)愛(ài)好者的歡迎，并作為一種嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。樹(shù)莓派可以運(yùn)行Linux等操作系統(tǒng)，便于在開(kāi)發(fā)板上直接進(jìn)行軟件編程和調(diào)試，并提供了以太網(wǎng)、藍(lán)牙、WIFI 和豐富的GPIO口，可以外接各類(lèi)傳感器和遠(yuǎn)程終端，兼具通用計(jì)算機(jī)的靈活性和嵌入式開(kāi)發(fā)板的可擴(kuò)展性[7]。因此將樹(shù)莓派引入嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不二的選擇。

本次嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索中，基于樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板搭建智能小車(chē)，包括基礎(chǔ)平臺(tái)和擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)兩大模塊。首先，由教師講解原理及實(shí)驗(yàn)方法，并帶做基礎(chǔ)平臺(tái)部分；然后在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展部分。本課程采用項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法，致力于引導(dǎo)學(xué)生基于基礎(chǔ)平臺(tái)發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和興趣愛(ài)好，獨(dú)立擬定具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目主題，經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的開(kāi)放性探索，最終形成一個(gè)完整的作品[8]。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)目的

學(xué)生能夠掌握嵌入式Linux操作系統(tǒng)的鏡像燒寫(xiě)與使用，學(xué)會(huì)使用Shell、C和Python等嵌入式常用編程語(yǔ)言，能夠通過(guò)GPIO接口和軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍傳感器的驅(qū)動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、實(shí)用等角度出發(fā)提出項(xiàng)目目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通表達(dá)能力。

3.2 學(xué)情分析

課程面向通信工程學(xué)院大二下學(xué)期學(xué)生開(kāi)設(shè)，這一階段的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、電子電路基礎(chǔ)、Linux操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等前置專(zhuān)業(yè)課程，具備嵌入式計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)和軟件編程能力，學(xué)生抽象思維活躍，正在形成辯證思維[7]，已有的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)在頭腦中碰撞。在這個(gè)階段，依托嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，有利于將理論知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，進(jìn)一步鞏固對(duì)知識(shí)的理解并靈活運(yùn)用。

同時(shí)，學(xué)生之間的能力差距正在逐漸拉大，一部分學(xué)生基本掌握了理論知識(shí)，但是對(duì)知識(shí)的認(rèn)知處于記憶和理解階段，欠缺實(shí)踐應(yīng)用能力，處于學(xué)習(xí)的初級(jí)認(rèn)知階段；另一部分學(xué)生已經(jīng)靈活掌握了各個(gè)前置課程的知識(shí)，動(dòng)手能力較強(qiáng)，可以將知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，能夠?qū)こ套龀龇治龊驮u(píng)價(jià)，具備創(chuàng)造性，處于學(xué)習(xí)的高級(jí)認(rèn)知階段。鑒于學(xué)生之間學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和認(rèn)知能力的差距，需要進(jìn)行有層次的教學(xué)設(shè)計(jì)，使教學(xué)能夠兼顧各階段學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

3.3 教學(xué)方法

本實(shí)驗(yàn)采用分散教學(xué)周的方式，將整個(gè)課程分散在一學(xué)期中的11個(gè)教學(xué)周內(nèi)，每個(gè)教學(xué)周上三節(jié)課。采用自由組合的方式進(jìn)行分組教學(xué)，每組3人。基于樹(shù)莓派小車(chē)基礎(chǔ)平臺(tái)，各組首先獨(dú)立擬定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力評(píng)估工作量以及項(xiàng)目實(shí)施難度，與學(xué)生共同確定最終的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，然后再由組員分工合作進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)。

3.4 教學(xué)步驟

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為基礎(chǔ)平臺(tái)和擴(kuò)展項(xiàng)目?jī)刹糠?，教學(xué)步驟與教學(xué)目的之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1） 樹(shù)莓派小車(chē)基礎(chǔ)平臺(tái)

樹(shù)莓派小車(chē)基礎(chǔ)平臺(tái)如圖1所示，包括樹(shù)莓派、車(chē)架、車(chē)輪、電機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池組和若干杜邦線(xiàn)等，這部分的搭建由教師講解并帶領(lǐng)學(xué)生完成。這部分的教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉樹(shù)莓派系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，掌握GPIO接口驅(qū)動(dòng)的編程方法，能夠獨(dú)立完成對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的控制。

樹(shù)莓派小車(chē)基礎(chǔ)平臺(tái)部分的教學(xué)包括以下步驟：

（1） 安裝和配置開(kāi)發(fā)環(huán)境，下載并燒寫(xiě)Raspbian 操作系統(tǒng)，連接外接顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等設(shè)備搭建一個(gè)小型計(jì)算機(jī)，熟悉Linux shell操作；

（2） 連接樹(shù)莓派GPIO與LED燈，并編寫(xiě)C或Py?thon驅(qū)動(dòng)程序控制LED燈亮滅，以掌握樹(shù)莓派GPIO口的控制；

（3） 組裝小車(chē)車(chē)架、車(chē)輪、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電池組的連接實(shí)現(xiàn)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；

（4） 參考電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖，連接樹(shù)莓派GPIO口與組裝好的小車(chē)，并使用C語(yǔ)言或Python語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派通過(guò)GPIO口對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止等功能，以及使用脈沖調(diào)制（PWM） 的方式控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度。

2） 智能小車(chē)擴(kuò)展項(xiàng)目

樹(shù)莓派智能小車(chē)擴(kuò)展項(xiàng)目由學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力自擬題目，在基礎(chǔ)平臺(tái)之上加裝傳感器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的項(xiàng)目。這部分的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)完整系統(tǒng)的能力，學(xué)會(huì)閱讀各類(lèi)傳感器的使用手冊(cè)，能夠根據(jù)原理圖搭建硬件電路、設(shè)計(jì)軟件框架，掌握硬件和軟件調(diào)試流程，具備獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，提升在項(xiàng)目合作中必備的溝通交流能力。

3.5 考核方法

課程考核采用百分制，從項(xiàng)目驗(yàn)收、個(gè)人表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三個(gè)方面進(jìn)行考核。項(xiàng)目驗(yàn)收從是否完成項(xiàng)目目標(biāo)，項(xiàng)目方案的合理性和復(fù)雜性，已完成目標(biāo)功能的難易程度，代碼的完整、規(guī)范程度，是否有創(chuàng)新性等方面對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目做出綜合性評(píng)分；個(gè)人表現(xiàn)包括出勤率、課堂參與度、團(tuán)隊(duì)配合能力、工作量比例和驗(yàn)收答辯的表達(dá)能力等；實(shí)驗(yàn)報(bào)告是每個(gè)小組學(xué)生提交的項(xiàng)目報(bào)告，分為設(shè)計(jì)目標(biāo)、軟硬件設(shè)計(jì)思路、具體實(shí)施方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析等方面，考查學(xué)生的寫(xiě)作能力、分析和整理資料的能力。

4 學(xué)生實(shí)現(xiàn)的優(yōu)秀作品展示

4.1 基于紅外傳感器的自動(dòng)倒車(chē)入庫(kù)系統(tǒng)

學(xué)生設(shè)計(jì)的自動(dòng)倒車(chē)入庫(kù)功能主要依靠放置在車(chē)輛兩側(cè)的紅外傳感器，借助Python編程的方式，不斷獲取紅外傳感器探測(cè)到的車(chē)輛與車(chē)庫(kù)邊界的距離，進(jìn)而不斷調(diào)整車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)倒車(chē)進(jìn)入車(chē)庫(kù)。圖2（a）展示了在小車(chē)右側(cè)配置三個(gè)紅外傳感器的系統(tǒng)，分別對(duì)車(chē)前部、中部、尾部進(jìn)行距離探測(cè)，以此判定車(chē)身與車(chē)庫(kù)邊緣的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而控制車(chē)輛行進(jìn)路線(xiàn)，直到車(chē)輛右側(cè)與車(chē)庫(kù)右邊緣平齊，再調(diào)制車(chē)輛位置使其位于車(chē)庫(kù)中部。由于條件有限，該作品僅在車(chē)輛一側(cè)安裝了傳感器，后續(xù)可以在車(chē)身四周安裝更多傳感器，使定位更準(zhǔn)確。

4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉口罩識(shí)別

在小車(chē)前部安裝攝像頭，樹(shù)莓派可采集小車(chē)行進(jìn)途中的視頻圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、人臉檢測(cè)、快照拍攝等功能。圖2（b）展示了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉口罩識(shí)別系統(tǒng)，該作品基于LeNet-5 模型架構(gòu)和TensorFlow Lite庫(kù)，使用三層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)各類(lèi)佩戴口罩的圖片進(jìn)行訓(xùn)練，將訓(xùn)練模型搭載到圖像識(shí)別模塊，對(duì)攝像頭采集的實(shí)時(shí)畫(huà)面進(jìn)行人臉口罩識(shí)別，該作品可標(biāo)記出正常、不規(guī)范和未佩戴三種類(lèi)型。該作品的項(xiàng)目立意在當(dāng)前防疫背景下為規(guī)范行人的口罩佩戴行為具有良好的實(shí)用價(jià)值。

4.3 基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制

開(kāi)發(fā)手機(jī)端應(yīng)用程序，通過(guò)手機(jī)界面對(duì)小車(chē)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，該項(xiàng)目還可結(jié)合攝像頭和視頻實(shí)時(shí)傳輸模塊，將獲取的圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)端，實(shí)現(xiàn)視角清晰的車(chē)輛控制。圖2（c）展示的作品基于Android Studio平臺(tái)和Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序，可通過(guò)屏幕按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，還可以在手機(jī)屏幕顯示攝像頭采集的實(shí)時(shí)畫(huà)面。

4.4 基于多自由度云臺(tái)的智能拍照系統(tǒng)

圖2（d）展示的作品將兩個(gè)舵機(jī)和一個(gè)攝像頭組裝在一起，構(gòu)成一個(gè)多自由度拍照云臺(tái)，可以智能控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使攝像頭畫(huà)面中心對(duì)準(zhǔn)人臉面部。在樹(shù)莓派中編寫(xiě)拍照控制程序，對(duì)接收到的USB攝像頭圖像進(jìn)行分析，通過(guò)PID（比例-積分-微分）算法計(jì)算出舵機(jī)控制量，再通過(guò)PWM脈沖調(diào)制控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)拍照角度的控制。

5 教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程受到了學(xué)生的一致好評(píng)，學(xué)生們表現(xiàn)出了高漲的學(xué)習(xí)熱情和濃厚的探索興趣。在擴(kuò)展項(xiàng)目開(kāi)始初期，學(xué)生不斷查資料、摸索設(shè)計(jì)方案，根據(jù)自身能力并與教師交流后提出明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)；在項(xiàng)目開(kāi)展后經(jīng)?；ù罅繒r(shí)間進(jìn)行實(shí)踐探索和軟硬件調(diào)試；在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，每個(gè)小組都能交出完整的項(xiàng)目作品，完成項(xiàng)目報(bào)告，并進(jìn)行流暢的項(xiàng)目答辯。

6 結(jié)束語(yǔ)

在“新工科”教育改革背景下，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維人才為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法，以基于樹(shù)莓派的智能小車(chē)為基礎(chǔ)，采用項(xiàng)目制學(xué)習(xí)法，因材施教，開(kāi)展開(kāi)放探索的教學(xué)實(shí)踐，將培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、分析、解決工程問(wèn)題能力貫徹教學(xué)始終。實(shí)踐證明，該課程可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通表達(dá)能力，從而增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)自信心，有助于畢業(yè)后成為社會(huì)認(rèn)可的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。