張歡　宋慧娜　滕旭陽　喬磊

關(guān)鍵詞：新工科；嵌入式系統(tǒng)；樹莓派；擴(kuò)展項目；創(chuàng)新思維

中圖分類號： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0166-03

1 引言

為應(yīng)對新一輪的全球產(chǎn)業(yè)變革，支撐國家戰(zhàn)略發(fā)展，為國家培養(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”[1]“天大行動”[2]和“北京指南”[3]，并發(fā)布了在全國范圍內(nèi)開展新工科研究與實踐的通知。相比傳統(tǒng)的工科教育，“新工科”著力培養(yǎng)人才提出問題、分析問題和解決問題的工程能力，培養(yǎng)的人才應(yīng)兼具理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新性思維和工程實踐能力，更注重人才培養(yǎng)的社會滿意度[4]。

嵌入式系統(tǒng)實驗課程是計算機(jī)和電子類專業(yè)的專業(yè)課，這門課覆蓋了C語言編程、電子電路、Linux 操作系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等多門專業(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)生綜合實踐能力。基于“新工科”教育理念設(shè)計嵌入式系統(tǒng)實驗課程，有利于提升學(xué)生解決工程問題的能力，拓展學(xué)生知識的廣度和深度，符合“大學(xué)本科要培養(yǎng)適應(yīng)新時代中國特色社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，有助于實現(xiàn)培養(yǎng)具有家國情懷、國際視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(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)多年開展了嵌入式系統(tǒng)實驗課程，并對該課程進(jìn)行了一些積極的探索和實踐[6]。基于“新工科”教育理念，本次教學(xué)改革探索將實驗課程分成了基礎(chǔ)部分和擴(kuò)展部分，在原有樹莓派開發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的完善與改進(jìn)，增加學(xué)生獨立設(shè)計、思考與實踐在整個課程中的課時比例。

2 課程介紹

樹莓派是專為學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)原理而設(shè)計的，具有價格低廉、功耗低、體積小、功能完善等應(yīng)用優(yōu)勢，受到了廣大計算機(jī)愛好者的歡迎，并作為一種嵌入式計算機(jī)平臺在社會的各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。樹莓派可以運(yùn)行Linux等操作系統(tǒng)，便于在開發(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，可以外接各類傳感器和遠(yuǎn)程終端，兼具通用計算機(jī)的靈活性和嵌入式開發(fā)板的可擴(kuò)展性[7]。因此將樹莓派引入嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)是不二的選擇。

本次嵌入式實驗教學(xué)探索中，基于樹莓派開發(fā)板搭建智能小車，包括基礎(chǔ)平臺和擴(kuò)展實現(xiàn)兩大模塊。首先，由教師講解原理及實驗方法，并帶做基礎(chǔ)平臺部分；然后在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生獨立實現(xiàn)擴(kuò)展部分。本課程采用項目制學(xué)習(xí)法，致力于引導(dǎo)學(xué)生基于基礎(chǔ)平臺發(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)和興趣愛好，獨立擬定具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的項目主題，經(jīng)過一個學(xué)期的開放性探索，最終形成一個完整的作品[8]。

3 實驗教學(xué)設(shè)計

3.1 教學(xué)目的

學(xué)生能夠掌握嵌入式Linux操作系統(tǒng)的鏡像燒寫與使用，學(xué)會使用Shell、C和Python等嵌入式常用編程語言，能夠通過GPIO接口和軟件開發(fā)實現(xiàn)對外圍傳感器的驅(qū)動。引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、實用等角度出發(fā)提出項目目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析、解決復(fù)雜工程問題的能力，提升團(tuán)隊協(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)生開設(shè)，這一階段的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語言程序設(shè)計、電子電路基礎(chǔ)、Linux操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等前置專業(yè)課程，具備嵌入式計算機(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]，已有的專業(yè)理論知識在頭腦中碰撞。在這個階段，依托嵌入式系統(tǒng)項目實踐對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維和設(shè)計能力的培養(yǎng)，有利于將理論知識進(jìn)行融會貫通，進(jìn)一步鞏固對知識的理解并靈活運(yùn)用。

同時，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，但是對知識的認(rèn)知處于記憶和理解階段，欠缺實踐應(yīng)用能力，處于學(xué)習(xí)的初級認(rèn)知階段；另一部分學(xué)生已經(jīng)靈活掌握了各個前置課程的知識，動手能力較強(qiáng)，可以將知識應(yīng)用到實踐中，能夠?qū)こ套龀龇治龊驮u價，具備創(chuàng)造性，處于學(xué)習(xí)的高級認(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，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

本實驗采用分散教學(xué)周的方式，將整個課程分散在一學(xué)期中的11個教學(xué)周內(nèi)，每個教學(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。基于樹莓派小車基礎(chǔ)平臺，各組首先獨立擬定實現(xiàn)目標(biāo)，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力評估工作量以及項目實施難度，與學(xué)生共同確定最終的項目內(nèi)容，然后再由組員分工合作進(jìn)行硬件電路設(shè)計和軟件流程設(shè)計。

3.4 教學(xué)步驟

實驗教學(xué)主要分為基礎(chǔ)平臺和擴(kuò)展項目兩部分，教學(xué)步驟與教學(xué)目的之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1） 樹莓派小車基礎(chǔ)平臺

樹莓派小車基礎(chǔ)平臺如圖1所示，包括樹莓派、車架、車輪、電機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動、電池組和若干杜邦線等，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)生熟悉樹莓派系統(tǒng)開發(fā)流程，掌握GPIO接口驅(qū)動的編程方法，能夠獨立完成對小車運(yùn)動的控制。

樹莓派小車基礎(chǔ)平臺部分的教學(xué)包括以下步驟：

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

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

（3） 組裝小車車架、車輪、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動，通過電機(jī)驅(qū)動與電池組的連接實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動；

（4） 參考電機(jī)驅(qū)動原理圖，連接樹莓派GPIO口與組裝好的小車，并使用C語言或Python語言編程實現(xiàn)樹莓派通過GPIO口對電機(jī)驅(qū)動的控制，進(jìn)而實現(xiàn)控制小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止等功能，以及使用脈沖調(diào)制（PWM） 的方式控制小車的運(yùn)動速度。

2） 智能小車擴(kuò)展項目

樹莓派智能小車擴(kuò)展項目由學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力自擬題目，在基礎(chǔ)平臺之上加裝傳感器，實現(xiàn)一個完整的項目。這部分的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計完整系統(tǒng)的能力，學(xué)會閱讀各類傳感器的使用手冊，能夠根據(jù)原理圖搭建硬件電路、設(shè)計軟件框架，掌握硬件和軟件調(diào)試流程，具備獨立解決問題的能力，提升在項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，從項目驗收、個人表現(xiàn)和實驗報告三個方面進(jìn)行考核。項目驗收從是否完成項目目標(biāo)，項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)新性等方面對學(xué)生的項目做出綜合性評分；個人表現(xiàn)包括出勤率、課堂參與度、團(tuán)隊配合能力、工作量比例和驗收答辯的表達(dá)能力等；實驗報告是每個小組學(xué)生提交的項目報告，分為設(shè)計目標(biāo)、軟硬件設(shè)計思路、具體實施方案、實驗結(jié)果與分析等方面，考查學(xué)生的寫作能力、分析和整理資料的能力。

4 學(xué)生實現(xiàn)的優(yōu)秀作品展示

4.1 基于紅外傳感器的自動倒車入庫系統(tǒng)

學(xué)生設(shè)計的自動倒車入庫功能主要依靠放置在車輛兩側(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到的車輛與車庫邊界的距離，進(jìn)而不斷調(diào)整車輪的運(yùn)動軌跡，最終實現(xiàn)小車自動倒車進(jìn)入車庫。圖2（a）展示了在小車右側(cè)配置三個紅外傳感器的系統(tǒng)，分別對車前部、中部、尾部進(jìn)行距離探測，以此判定車身與車庫邊緣的相對位置關(guān)系，進(jìn)而控制車輛行進(jìn)路線，直到車輛右側(cè)與車庫右邊緣平齊，再調(diào)制車輛位置使其位于車庫中部。由于條件有限，該作品僅在車輛一側(cè)安裝了傳感器，后續(xù)可以在車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)的人臉口罩識別

在小車前部安裝攝像頭，樹莓派可采集小車行進(jìn)途中的視頻圖像，進(jìn)而實現(xiàn)圖像識別、人臉檢測、快照拍攝等功能。圖2（b）展示了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉口罩識別系統(tǒng)，該作品基于LeNet-5 模型架構(gòu)和TensorFlow Lite庫，使用三層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對各類佩戴口罩的圖片進(jìn)行訓(xùn)練，將訓(xùn)練模型搭載到圖像識別模塊，對攝像頭采集的實時畫面進(jìn)行人臉口罩識別，該作品可標(biāo)記出正常、不規(guī)范和未佩戴三種類型。該作品的項目立意在當(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用價值。

4.3 基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制

開發(fā)手機(jī)端應(yīng)用程序，通過手機(jī)界面對小車進(jìn)行運(yùn)動控制，該項目還可結(jié)合攝像頭和視頻實時傳輸模塊，將獲取的圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)端，實現(xiàn)視角清晰的車輛控制。圖2（c）展示的作品基于Android Studio平臺和Java語言開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序，可通過屏幕按鍵實現(xiàn)對小車運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，以及運(yùn)動狀態(tài)控制，還可以在手機(jī)屏幕顯示攝像頭采集的實時畫面。

4.4 基于多自由度云臺的智能拍照系統(tǒng)

圖2（d）展示的作品將兩個舵機(jī)和一個攝像頭組裝在一起，構(gòu)成一個多自由度拍照云臺，可以智能控制云臺轉(zhuǎn)動使攝像頭畫面中心對準(zhǔn)人臉面部。在樹莓派中編寫拍照控制程序，對接收到的USB攝像頭圖像進(jìn)行分析，通過PID（比例-積分-微分）算法計算出舵機(jī)控制量，再通過PWM脈沖調(diào)制控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)對拍照角度的控制。

5 教學(xué)效果

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)實踐，嵌入式系統(tǒng)實驗課程受到了學(xué)生的一致好評，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)展項目開始初期，學(xué)生不斷查資料、摸索設(shè)計方案，根據(jù)自身能力并與教師交流后提出明確的設(shè)計目標(biāo)；在項目開展后經(jīng)常花大量時間進(jìn)行實踐探索和軟硬件調(diào)試；在項目結(jié)束時，每個小組都能交出完整的項目作品，完成項目報告，并進(jìn)行流暢的項目答辯。

6 結(jié)束語

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)計了嵌入式系統(tǒng)實驗課程教學(xué)方法，以基于樹莓派的智能小車為基礎(chǔ)，采用項目制學(xué)習(xí)法，因材施教，開展開放探索的教學(xué)實踐，將培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、分析、解決工程問題能力貫徹教學(xué)始終。實踐證明，該課程可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉工程實踐能力，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作和溝通表達(dá)能力，從而增強(qiáng)專業(yè)自信心，有助于畢業(yè)后成為社會認(rèn)可的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。