王中明 秦工 周俊

摘  要： 文章结合“STM32+uC/OS-III”小型口袋实验平台，总结了“嵌入式系统”课程采用“口袋实验室”实施教学的办法，包括试验设备、配套教材选取，教学内容安排，具体实施过程和教学评价方式等。为现有“一个老师，多个学生”的教学模式下进行“口袋实验室”开放式教学提供一个成功案例。

关键词： 口袋实验室; 嵌入式系统; STM32; uC/OS-III; 开放式教学

中图分类号：G642          文献标识码：A           文章编号：1006-8228（2021）04-101-03

Abstract： With the "STM32+uC/OS-III" pocket experiment platform， this paper summarizes the methods of teaching the "Embedded System" course by using "pocket lab"， including the selection of test equipment and subsidiary teaching materials， teaching content arrangement， specific implementation process and teaching evaluation method. It provides a successful case for the open teaching of "pocket lab" under the teaching mode of "one teacher， multiple students".

Key words： pocket lab; embedded system; STM32; uC/OS-III; open teaching

0 引言

“口袋实验室”（pocket labs ）作为一种新型教学模式，其主要特点是学生可携带“口袋”化的实验设备，自选场合自选时间进行实验操作[1]。随着集成技术的迅猛发展，一些专业课的试验设备小型化、“口袋”化已成为一种必然趋势，如“单片机”、“嵌入式系统”等课程中用到的通用ARM芯片（BQFP128封装，大小为1.6cm*1.4cm），就可运行Linux等大型操作系统，并实现复杂应用。为紧跟科学技术发展，国内外高校中的一些工科专业都在快速推广“口袋实验室”的教学方式，如清华大学、西安交通大学、西北工业大学、华中科技大学等知名高校正在探索将模拟电路、数字电路、开关电源、单片机等“口袋”实验板引入到教学中[2-4]。

同时，教学工作者也在从不同角度探索如何提高“口袋实验室”教学效果，包括口袋实验室的课程建设、管理制度建設、平台建设等[5-7];特别是在现有“一个老师，多个学生”的教学模式下，如何保证开放式“口袋实验室”教学效果是急需研究的课题之一。2016年，作者获批湖北省教育厅项目《电信专业“口袋实验室”教学模式的探索》，在“嵌入式系统”课程中引入了“口袋实验室”教学方式，进行了为期3年的实践探索。

1 “嵌入式系统”课程教学介绍

1.1 教学内容

“嵌入式系统”是一门硬件和软件相结合的综合课程，包括硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层等知识点，几乎涉及到硬件开发和软件开发工程中的所有技术[8]。不同培养方向的侧重点会不同，表1列出主要的几个培养方向和教学内容。

我院电信专业的主要培养学生硬件软件综合开发能力，“嵌入式系统”课程的侧重点为中间层、系统软件层，即在嵌入式硬件平台，进行小型嵌入式实时系统的应用开发。

1.2 教学要求和目的

“嵌入式系统”课程要求学生能掌握嵌入式硬件开发平台方法，能够独立的在“嵌入式硬件+小型嵌入式实时操作系统”平台进行简单项目开发，包括：

⑴ 掌握嵌入式硬件平台开发方法;

⑵ 了解uC/OS-III操作系统的结构;

⑶ 掌握嵌入式操作系统中的基本概念;

⑷ 掌握uC/OS-III移植到嵌入式硬件平台的方法;

⑸ 掌握uC/OS-III系统的应用程序开发方法。

2 基于“口袋实验室”模式的“嵌入式系统”教学准备

2.1 实验设备准备

本次“口袋实验室”的设备沿用“单片机原理”课程中的“口袋”设备[9]：miniSTM32F1开发板，如图1所示。这样选取有许多好处。

⑴ 保证了教学的连续性，学生可在原有的平台上进一步学习。

⑵ 保证了教学的完整性，学生可把一个平台的知识学透彻、完整。

⑶ 可提高设备的利用率，降低设备的更新成本。

“miniSTM32F1开发板+uC/OS-III操作系统”平台具有如下特点：

口袋化 设备大小为8cmx 10cm，便于携带，且功耗低，可直接用笔记本USB接口供电;非常适合“口袋实验室”的要求，只需一个笔记本电脑，学生就可在实验室、教室、寝室等场地进行学习和实验。

实用性强 芯片为STM32F103RCT6，为ARM体系结构的COTEX-M3系列主流芯片，功能强大，接口丰富，可满足多种应用开发，完全满足uC/OS-III等操作系统的运行。

资料丰富 ARM系列芯片为当前最为流行芯片，uC/OS-III操作系统是经典的小型实时操作系统。网络上有丰富的电子资料、视频资源、MOOC资源、开发例程、交流平台等。

2.2 教材准备

教学材料主要以电子文档、网络资源为主。“嵌入式系统”是一门以实践为主课程，涉及大量硬件开发和软件工程中的知识，单一的纸质课本满足不了教学需要。“口袋实验室”的开放教学方式使学生可随时查询各种电子资源，网络资源，可实现以问题为导向的主动学习方式，而不是传统的灌输式被动教学。主要选用电子教材有以下。

⑴ STM32F103RCT6芯片数据手册。

⑵ uCOS-III源代码，开发板附带的例程源代码。

⑶ 《嵌入式实时操作系统uC/OS-III》电子教案、PPT及录播视频。

⑷ 江汉大学慕课教学平台上的《嵌入式系统——uC/OS-III》课程，访问地址为http：/jhun.fy.chaoxing.com/portal.

2.3 教师准备

以实践为主的“口袋实验室”教学需要教师具备充足的硬、软件专业知识，熟练应用嵌入式系统开发工具，具有丰富的嵌入式项目开发经验，能将教学内容与实践有机结合并设计出趣味性和实践性兼具的实验案例，同时能随时解决学生在遇到的各种问题或给出解决思路，教会学生嵌入式系统项目的开发过程;最终提升学生实践能力。

笔者长期从事嵌入式系统方向的教学和科研，有丰富的嵌入式项目开发经验。在实施“口袋实验室”教学模式过程中，从实验设备选取、教学内容安排上都紧密结合实际应用，并尽力提升该课程的趣味性。

3 基于“口袋实验室”的“嵌入式系统”教学实践

3.1 教学实施过程

从2017年至2019年在我院电信专业的大三学生进行了3次“嵌入式系统”课程教学改革，每次约20人，学生自带笔记本电脑，每人配备“口袋”开发板一套。教学学时为40学时，其中理论24学时，实验16学时，另外还有16学时的课程设计。

教学以嵌入式实时操作系统uC/OS-III及其应用为主线，培养学生项目开发能力为目的，其具体学内容如表2所示。在理论教学中，以uC/OS-III源代码分析为主，50%左右的时间为源程序分析，30%的时间为实验验证;只有20%左右的时间作PPT文字授课，使学生在程序中去理解操作系统的概念及应用。为了充分发挥“口袋实验室”模式的优势，实践操作主要在学时课外完成，具体实施过程如下。

⑴ 以智能停车系统的开发为主线，结合教学内容安排了8个知识点的实践训练，每次课外工作量为3小时左右。

⑵ 为保证学生按时完成任务，在慕课平台上提供了8个教学视屏，讲述训练的实现方法和注意事项，每个视频时长30分钟左右。

⑶ 为及时解决学生课外的问题，在慕课平台上，开设了专门讨论区，学生和老师一起讨论解决问题。

⑷ 为保证教学质量，每个知识点的课外实践操作都紧跟着至少一次的课内实验检查，对学生完成的工作进行评价、考核，并提出修改、优化要求。

⑸ 课程设计也主要以课外“口袋实验室”模式在该平台上完成，16个课内学时主要完成任务布置，个人完成情况汇报和总结。

⑹ 课程考核也主要以“口袋实验室”模式完成，学生课外在实验平台上完成开发项目，并提供纸质的项目开发文档、演示视频和个人体会视频。

3.2 实施成果

“口袋实验室”作为一种开放式教学模式，学生通过系统实践训练，逐步掌握嵌入式系统开发方法和应用技能，为后续工程应用和专业发展打下坚实基础。在2017年至2019这3学年的教学改革中，共有62名学生参加了“嵌入式系统”的学习，他们借助该“口袋”平台， 10人完成了校级科研项目六项; 3人在“湖北省大学生物理实验竞赛”中完成项目二项，获一等奖、二等奖各一项;6人在“大学生电子竞赛”中在完成项目三项，获省一等奖、二等奖、赛区二等奖各一项。12人完成毕业设计，其中成绩优秀5人;在已毕业的40名学生中有18人已成为嵌入式系统开发的专业技术人员。2020年，该教学方式已在我院电子信息专业的所有学生中推广。

4 结束语

与传统需固定时间、地点的实验室教学方式相比，“口袋实验室”教学模式可使学生有更多的时间和机会进行自主操作和学习，快速提高他们的动手能力和实践能力;且“口袋”设备和教学内容易于更新，使学习的内容符合社会需求，从而提高学生的专业技术能力，扩展学生就业方向。

参考文献（References）：

[1] 欧阳佳鹏，杨振南，刘亿民，李文.基于Android的口袋仪器实验室开发[J].电脑知识与技术，2020.16（10）：243-244

[2] 宫亚梅，朱俊，高飞.基于“口袋实验室”电工实验教学探索[J].电子制作，2020.7：78-80

[3] 王嵘，张元树，杨富琴，万永菁.基于FPGA的数字电路“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理，2020.37（3）：107-111

[4] 苗曙光，李峥，方振国，李淮江.基于口袋实验室的单片机实验教学改革研究[J].赤峰学院学报（自然科学版），2020.36（8）：101-104

[5] Kai Yang，Yang Kai，Li Jiayan. Cannon： A Pocket Laboratory for the Experiment of Short-Range Wireless Communication Course[J]. Journal of Physics： Conference Series，2020.1621（1）.

[6] 王嶸，张元树，杨富琴，万永菁.基于FPGA的数字电路“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理，2020.37（3）：107-111

[7] 王嵘，杨韫宁，张元树，韩志彦，万永菁.基于DSP的数字信号处理“口袋实验室”设计[J].实验技术与管理，2020.37（2）：111-116

[8] 张磊.口袋实验室的设计创建与应用[J].科学技术创新，2019.30：147-148

[9] 王中明.“口袋实验”教学方式探索——基于《单片机原理》课程[J].江汉大学学报（自然科学版），2019.3：265-269