STM32嵌入式系统实验教学方案的设计与实践
作者：黄培灿　赵铁柱　陶铭
来源：《计算机时代》2020年第08期
        摘要：嵌入式系统与工程应用紧密结合，对学生的实践动手能力有很高要求，而实验教学是提高学生实践动手能力的关键环节。虽然目前大多数嵌入式系统课程教学采用了理论与实践双结合的教学模式，但在实验教学上依然存在着实验平台与工程应用脱节、教学内容不能满足应用开发的需求，以及教学方法落后等问题。为此设计了STM32嵌入式系统的实验教学方案。实践证明，该方案对提高学生的实践动手能力有很大的帮助。
        关键词：嵌入式系统;实验教学;实践动手能力;STM32嵌入式系统开发前景
        中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章編号：1006-8228（2020）08-112-03
        0 引言
        嵌入式系统是一种专用计算机系统，有着广阔的市场前景，已广泛应用于通信、交通、工业控制、消费电子以及国防武器装备中。在市场对嵌入式系统技术人才的需求日益增加的形势下，国内许多高校都开设了嵌入式系统技术相关课程，旨在培养嵌入式系统方面的技术人才[1]。
        嵌入式系统与工程应用紧密结合，对开发者的实践动手能力有很高要求，嵌入式系统实
验教学应当把学生的实践动手能力培养作为核心的教学目标。为了提高学生的实践动手能力，对嵌入式系统实验教学方案进行重新设计是一项很有必要和意义的工作。
        1 现状分析
        嵌入式系统是软硬件结合的计算机系统，涉及电子学、计算机体系结构、实时操作系统以及软件设计开发等众多专业知识。目前大多数嵌入式系统课程教学是采用理论与实践结合的教学模式，然而在实验教学上依然存在着以下突出问题：
        （1）实验教学平台陈旧并缺少基础仪器仪表使用培训
        嵌入式系统实验教学，通常是以围绕一种微控制器制定教学内容，因此微控制器的选型至关重要。目前相对陈旧的实验平台大多基于C51系列单片机或ARM9核的嵌入式微处理器，导致所学的内容不能满足实际工程应用开发的技术要求嘲。另外缺乏对万用表、示波器与逻辑分析仪等基础工具的使用训练，不仅不利于学生理解实验结果和原理，也错失了锻炼学生运用工具解决实际问题能力的好机会，也不符合工程应用开发所需技能要求。
        （2）教学内容与工程应用开发的需求不一致
        实验项目的设计大多数为了验证理论知识，没有针对工程应用开发所需能力和知识进行合理设计。各实验项目的内在联系较少，缺少知识衔接，不利于形成整体知识框架，导致知识综合运用能力不足。另外，综合性和设计性实验项目的缺乏也不利于实践动手能力培养[3]。
        （3）教学方法落后与教学资源不足
        实验教学通常沿用理论教学的方法，即使用黑板、投影仪和PPT，在教学过程中用少量的实验学时讲授本次实验所需的知识，然后让学生动手完成实验[4]。由于嵌入式系统实验教学大多数涉及硬件操作，这种教学方法明显不适合嵌入式系统的实验教学。嵌入式系统的知识面非常广，内容也不易理解，仅靠课堂时间难以掌握。如果没有提供充足和优质的教学资源供课后学习，其教学效果难以达到预期目标。
        2 基于STM32的实验教学方案设计
        开展基于STM32的实验教学改革就是紧紧围绕着培养学生实践动手能力的核心任务实施一系列的改革措施。微控制器作为嵌入式系统教学的核心，是联系理论知识和实践应用开
发能力的纽带，在培养学生实践动手能力方面起到关键}生作用。选择STM32系列微控制器作为实验教学平台的核心，一方面是因为STM32系列微控制器所采用的ARM Cortex-M3内核是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的，是ARM公司新一代的指令集架构;另一方面是因为STM32系列微控制器功能强大、功耗低、产品型号丰富，应用非常广泛，更符合实际应用需求情况。
        改革的措施包括：①构建基于STM32的实验教学体系;②采用线上线下结合的方式，让学生可提前学习、课后可继续学习;③把常用仪器仪表的使用培训融入到实验教学项目，帮助学生快速掌握其使用方法;④建立常用电子模块资源库，拓展学生知识广度，促进学生对技术的积累。
        3 方案内容和实施过程
        （1）构建基于STM32的实验教学体系
        选择合适的实验平台。STM32系列微控制器是意法半导体（ST）公司生产的32位基于Cortex M3核的微控制器，主频最高可达72MHz，最高可配置64KBSRAM和512KB FLASH，
而且内部集成了丰富的片上外设，包括5个USART、3个SPI、2个12C、3个12位ADC以及1个CAN[5]，该系列微控制器在诸多领域都占据了主导的市场地位，非常适合作为实验平台的核心用于实验教学。基于以上情况最终选择了基于STM32Fl03ZET6微控制器的开发板作为实验平台。
        在实验项目的设置上综合考虑了知识点与实际应用需求相匹配[6]，从有利于学习与应用的角度综合考虑，在编排上循序渐进、注意知识的衔接，共设计了9个实验项目，合计22学时。大体上把实验项目分为五大部分：①基础实验，通过对GPIO口的读写操作来实现流水灯和按键功能，目的是为了熟悉嵌入式系统软件开发环境，掌握STM32的中断处理机制及系统启动过程;②片上外设驱动实验，主要介绍微控制器内部集成的ADC和定时器的工作原理及其相关寄存器的配置方法;③通信实验，介绍异步串行通信（UART）与同步串行通信（12C）两种基本通信方式的特点、接口、通信协议和实现方法;④嵌入式操作系统实验，以uCOSII为例，介绍嵌入式操作系统的原理、移植步骤和应用开发方法;⑤综合性和设计性实验，让学生熟悉整个嵌入式系统的开发流程和综合运用所学知识解决应用开发问题。实验教学计划表如表l所示。
        （2）建立线上教学平台优化教学流程和整合教学资源
        通过建立线上教学平台提供教学视频点播和教学资源共享下载的服务。由于嵌入式系统实验教学的内容非常丰富，且涉及硬件的各种操作;学生如果没有完成课前预习和课后复习，就很难掌握全部教学内容。为了解决这个问题，特别录制了实验教学视频，采用多场景整合的方式同步呈现硬件操作和电脑屏幕操作过程，更清楚地展示实验步骤。线上教学平台的应用缩短了在课堂上的内容讲述时间，使得有更多的时间用来开展讨论和答疑活动，活跃了教学气氛，提高了教学效率。另外，利用线上教学平台，教学资源也得到了有效管理和充分共享。
        （3）把常用仪器仪表的使用培训融入实验教学项目
        把常用仪器仪表的使用培训融入到具体的实验教学项目中，例如把万用表的使用方法安排在ADC实验中进行介绍，把示波器的使用方法穿插在GPIO接口和STM32中断实验中进行讲解，把逻辑分析仪作为协议分析的重要工具在串行通信、I2C通信以及温湿度传感器数据采集等实验中作充分的应用展示。这些工具在教学中的运用可大大加深学生对实验原理的理解，使学生快速掌握这些仪器仪表的使用。
        （4）建立常用电子模块资源库
        嵌入式系统设计需应用许多电子模块和零部件。掌握常用的电子模块和零部件的规格、性能指标及用法，是进行应用开发的前置条件，也是用人单位所看重的知识能力要求。通过对常用的电子模块等进行收集、分类和资料整理，建立了一个资源库，依托在线教学与资源共享平台，为学生提供了快速掌握常用的电子模块和零部件相关知识的有效途径。
        4 教學方案实施效果
        原来的嵌入式系统实验教学方案是基于ARM9微处理器实验平台开展的。学生普遍反映该微处理器的结构复杂、软件开发难度高，难以掌握核心的嵌入式系统技术。由于其成本高、配套硬件电路复杂，所以应用范围有限，尤其不适合许多学生创新项目和毕业设计项目。使用这个方案的实验教学效果不佳，学生的实际动手能力得不到有效提高。自实施新的实验教学方案以来，不仅学生再也没有反映以上问题，而且基于STM32的嵌入式系统设计方案在学生的创新项目和毕业设计项目中被大量使用。学生参与学术科技作品竞赛的积极性明显提高了，获奖的数量也大幅度增加。毕业后从事嵌入式系统应用开发工作的学生数量也呈明显增长态势。
        5 结束语
        根据嵌入式系统与工程应用紧密结合的特点，针对目前在嵌入式系统实验教学中存在的一些问题，以提高学生实践动手能力为核心教学目标，重新设计了嵌入式系统实验教学方案。该方案内容包括构建基于STM32的实验教学体系、利用线上教学平台优化教学流程和整合教学资源、把常用仪器仪表的使用培训融入实验教学项目以及建立常用电子模块资源库等一系列措施。实践证明，本方案对提高学生的实践动手能力有很大的促进作用。由于嵌入式系统应用非常广泛，应用需求的增加及变化加速了技术的迭代，也对嵌入式系统技术人才提出了更高的知识和能力要求，因此嵌入式系统的教学目标、内容和方法也应得到及时的改革。
        参考文献（References）：
        [1]邓小武.嵌入式系统教学模式的探索与实践[J].物联网技术，2017.7（7）：117-120
        [2]刘威，常瑞，谢耀滨.面向系统能力培养的嵌入式系统课程教学模式改革与实践[J].计算机教育，2019.1：39-43.47
        [3]付建梅，任国凤，邓雅媛.电子信息专业嵌入式系统的创新实验教学改革模式[J]计算机教育，2018.6：76-78
        [4]胡青，余嘉，苏玉刚.面向实践动手能力培养的嵌入式实验教学改革[J].实验技术与管理，2017.34（9）：160-163
        [5]徐晓霞.基于STM32的电压采集系统设计[J].电子设计工程.2019.27（17）：76-79
        [6]张辉，何青，刘铮.嵌入式系统实验教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2016.38（1）：135-137
        基金项目：2017年度校级教学研究与改革项目（教务[20171102号）;广东省教育科学规划课题（2018GXJK189）;广东省研究生教育创新计划项目（2019JGXM93）;广东省教育厅高等教育教学改革项目（粤教高函[2018]1号）
        作者简介：黄培灿（1983-），男，广东东莞人，汉族，实验师，主要研究方向：嵌入式系统课程教学与实验室管理。

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