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自制设备在软件学院实验教学中的探索与实践

范文

王春英　张宏国　杨慧晶

摘要：高校作为教学的主要阵地，实验教学在整个教学体系中起到了关键的作用。近年来实验室建设发展迅速，但外购的实验设备已不能满足学科基础和专业基础以及专业教学实验的需要。因此，采用国际一流高校应用的Arduino平台，基于XBee射频模块，具有软硬件开源特点，自制适合软件学院软件工程专业的实验设备，不仅满足了软件工程专业的教学需求，而且跟目前流行的工业应用相接轨，具有重要的超前性和领先性。

关键词：教学体系；自制设备；专业教学

DOI：10.16315/j.stm.2015.02.01l

中图分类号：G642 文献标志码：A

实验教学在高校整个教学体系中起到了十分重要的作用。但随着社会的进步和知识的发展，现有设备已不能满足学生实践的需求，而外购实验设备的厂商对于整个教学体系不够了解，其实验设备不符合教学规律和实验大纲要求，实验教师对于实验设备的实验潜能挖掘不够，实验设备的超前性和及时性存在问题，使得整个实验水平与工业应用存在差距，为了解决目前实验教学环节存在的上述问题，哈尔滨理工大学于2012年年底着力推广了一批自制实验设备项目，而软件学院软件工程专业也配合学校整体要求申请了2个自制设备项目：基于开源软硬件的综合实验平台和基于开源软硬件的物联网开发平台。学院的整体目标是依托于基于开源软硬件的综合实验平台对C语言、单片机、操作系统、嵌入式开发、嵌入式操作系统等课程实验教学环节进行支撑；依托于基于开源软硬件的物联网开发平台对无线通讯原理、RFID原理、无线传感器网络、Zigbee技术、物联网技术等课程实验环节进行支撑。

1.软件工程专业自制设备的特点

（1）自制教学实验仪器具有较大的灵活性且紧密结合教学要求。紧密结合专业教学大纲规定的实验项目要求，制作更适用、更合理的装置，这种装置的特点是适用面广，适用性强。这相当于为软件工程专业量身定制一系列实验设备，紧密结合软件工程项目驱动特点，可以有效大幅度提高实验教学质量水平。

（2）基于开源软硬件思想，紧密与国际实验教学水平接轨。由于学院自制实验设备采用了国际上通用的Arduino平台，该平台具有软硬件完全开源特点，国际上一流高校，如麻省理工、佐治亚理工、斯坦福等都采用这一技术，由此将其融入到本科教学环节中。该平台最大的特点是采用封装且开源的思想，从封装角度来讲，本实验平台只需掌握基本C语言编程能力就能使用该平台，从某种意义上来讲，软件工程发展到今天，都是以封装作为依托的。举例来说，完成网络编程，只需使用Socket编程方式，也就是对于Socket系列函数的调用而已，无需对于底层的封装过程了解，封装好处在于缩短开发周期，减少开发成本投入；而从开源的角度，由于该平台具有开源的特点，该平台从某种程度上就是一个单片机嵌入式成功的案例，而由于国际上很多一流高校都加入到该开源项目中，很多成功的案例都可以作为学院案例教学的蓝本，可以与国际一流实验教学水平接轨。

（3）自制实验设备具有超前性和及时性。目前国内外的物联网实验平台都是以针对于TI和Freescale为核心的，这类以单片机编程为主的开发正在逐渐被工业应用所淘汰，并且该种实验平台不能提供很好的学习辅助功能，仅能够作为产品开发的实验验证平台。所以该项目首先在国内实现了基于XBee的物联网实验平台，该平台核心采用Digi公司提供的Xbee模块，采用命令集形式的开发符合国际工业应用的主流，并且区别于以往的物联网实验设备，该平台能够提供友好的学习辅助功能，帮助学生迅速掌握物联网技术和控制方法。

Zigbee技术发展至今天，已经慢慢从单片机开发方式转入到以命令集控制的方式。采用单片机开发方式存在很大的局限性，主要集中在由于各个厂商所提供的Zigbee芯片各不相同，由此所使用单片机各不相同，而不同单片机的开发方式和方法各不相同，所完成的程序代码不具有可移植性，也就是说单独学习一种Zigbee芯片的使用方法并不具有使用其他类型zigbee的能力。由此这种以命令集开发方式的Xbee模块便应运而生，采用命令集的好处在于它的入门门槛比较低，而且由于命令集与底层单片机并不相关，所以它的使用具有一定通用性。虽然Xbee所采用的依然是zigbee协议，但是区别于以往Zigbee芯片，它将Zigbee协议封装起来，采用这种方式的优点在于如果要对以往的Zigbee芯片开发必须学习Zigbee协议的源代码，而这个协议代码量非常大、入门门槛高，国内外能够掌握Zigbee芯片开发的工程师非常少，并不适用于本科教学和大规模产品推广，而XBee的方式是将Zigbee的协议栈与开发者隔离开，对于开发者只需掌握Zigbee协议栈原理即可，并不需要深入到代码内部，从而降低研发门槛，有利于推广。目前XBee模块的型号分为三类，都是采用Zigbee协议栈，传输距离从100米-1000米不等，虽然型号不同但是命令集和模块外围管脚大体相同，只有很少一部分存在区别，这使得学习XBee模块开发具有通用性。虽然XBee在2009年刚刚推出，但是随着这4-5年的发展，XBee逐渐在欧美市场取代其他Zigbee芯片，成为这个领域非常有影响力的厂商。

而该物联网实验平台相对于目前国内的物联网实验平台，从某种程度上是一款真正意义的物联网实验平台，本实验平台可以将传感器网络所采集到的信息交付给Device Cloud云平台，该平台构建于Amazon云服务，是2012年国际物联网应用金奖产品，具有国际应用水平前沿特点，这是其他物联网平台所不具备的。

（4）自制实验设备加强对于教师和实验教师的教学实践能力的培养。本系列实验平台的开发、实验实践环节的设计，实验指导书的撰写者都是由本软件学院实验中心和软件工程系一线教师共同研发，这些教师具有多年的实验实践教学经验，深谙实验实践教学规律。而对于研发过程同样是对于青年教师科研能力的锻炼和提高，同样意味着我学院青年教师的业务水平已经与国际前沿应用水平接轨，为以后科研教学工作做好铺垫、奠定基础。最重要的一点，在实验平台的研发过程中，每位教师都参与其中，而在将来实验教学环节中，教师能够非常清楚的讲解出该实验平台的工作原理，实验特点等，而这部分是外购实验平台无法提供的。

（5）自制设备具有经济性。实验教学装置属于较先进的技术产品，专用性强，社会需求量小，价格较贵，而资金不足则是我校实验室建设中存在的问题。特别是对于一些专业面比较窄，所需实验仪器大多无法从市场购得，即使能采购到仪器设备，在使用和功能上也远远满足不了教学实验的需求，只能依靠实验技术人员自己来研制。对于本校来说，实验仪器对教学质量和水平的影响尤为显著。本校在实验室资金短缺的情况下，由于重视自制设备，并广泛应用，因此节约了大量资金。

2.自制实验设备存在的问题分析

本自制实验设备项目借鉴于国内外一流高校在自制设备项目中的解决方案和经验，立足于国际上流行的开源软硬件Arduino平台，参考国内外一流高校对与该平台的使用状况和开源项目情况，整合出一整套适合于软件工程专业的实验设备和实验教学指导书。现简述一下Arduino平台国内外研究状况：Arduino本来是意大利一所大学的一个基于AVR单片机自制设备项目，后来经过全球各大研究机构和大学的支持和推广，成为了目前国际上最流行的开源软硬件平台，各类一流高校基于该平台开发了大量开源项目，并且丰富了Arduino开发板的种类，如麻省理_丁大学开发了一个用于纺织学的符合Arduino IDE开发环境的Lilypad；加州大学伯克利分校利用Arduino完成了仿生物学机器人项目等等。国内外的学者和工程师针对于Arduino平台也完成了大量工作，例如Free Rtos操作系统的移植，该操作系统具有轻量和实时性特点，由于采用了开源软硬件的特点，该操作系统可以作为操作系统或是嵌入式操作系统的经典案例，完成针对于这类课程的实验支持；MySQL Connecter的arduino的移植，可以从代码级别说明数据库连接程序的工作原理，而事实上目前软件工程中对于该部分仅仅是调用一些官方所提供的函数或者开发包，如JDBC等；HTTP网络编程，目前软件工程领域同样是采用基于官方函数或者开发包的教学方式，事实上如果从代码角度深入解析一个HTYP请求和响应完成的过程，HTTP应用层协议的报文组织方式是非常有意义的。由于Arduino具有上述特征，既开发简单、完全开源、支持函数库丰富，所以像Google这类公司都选择该平台作为移动终端外围设备的开发平台，如Google 2012 I/0所发布的2012 ADK这款开发板是一个基于Arduino IDE采用嵌入式Cortex M3作为核心处理芯片的开发平台。由于Arduino本身的特点和物联网设备结合是比较紧密的，所以国外很多关于物联网的开发教程和实验环节都是基于Arduino的，如Building Wireless Sensor Networks：with ZigBee，XBee，Arduino，and Processing、Environmental Monitoring with Arduino：Building Simple Devices to Collect Data About the World Around Us、Getting Started with RFID：Identify Objeets in the Physical World with Arduino等等，由此本项目中基于开源软硬件的物联网开发平台是国内首个以Arduino平台为核心的物联网实验平台，与国际实验教学流行趋势紧密相结合。

由此本项目分析了国内外自制实验设备现状，说明自制实验设备的研制的确对于提升实验教学质量、改善实验实践环境、提高实验教师业务水平有着重要意义，而由于本项目中两个实验平台都是依托于国际流行的Arduino平台，符合国际最前沿的实验教学理念，在软件工程专业、物联网方向实验教学有着充分的前瞻性、行业领先性等特点。本课题主要研究内容就是如何融入到软件工程专业教学体系，服务于软件工程专业的基础部分实验包括C语言、操作系统、数据结构、计算机组成原理等实验内容，又针对于软件工程专业中物联网方向和移动计算方向提供专业级别的实验支撑，为软件工程专业大学生创新创业项目、大学生竞赛、项目驱动提供平台。综上所述，本项目区别于以往实验设备，不仅仅能够开展实验课程，而且完全吻合软件工程专业的教学大纲体系和实验大纲体系，对于学生实验教学改革，教学质量提升起着重要作用。目前拟解决关键问题如下：

（1）自制实验设备如何融入到软件工程专业教。学体系。目前的实验教学仪器，大多是系列的实验累积，并不具备针对于哪个专业的支撑，尤其是本学院一黑龙江省示范性软件学院，具有鲜明特点的教学体系，如何让每个实验项目真正做到对于理论教学环节的支撑，让学生不仅了解原理而且真正学会怎样去实现，换句话说本项目中的自制实验平台及所涉及的实验项目应该做到更加专业性的针对于教学体系。

（2）基于软硬件开源的综合实验平台构建对创新创业、项目驱动等项目支撑。构建的软硬件开源的综合实验平台，不仅仅面向专业基础实验教学，而且还要为学生们参加各种竞赛、项目驱动、创新创业项目提供平台，所以在综合实验平台的研发过程中，也应该考虑到提供给学生面向项目的开发平台。

（3）基于软硬件开源的物联网开发平台对专业项目、毕业设计、学年设计支撑。所构建的软硬件开源的综合实验平台，不仅仅面向专业方向实验教学，而且要支撑学生完成物联网方向案例，专业方向性学年设计，毕业设计等环节。

3.建立软件工程专业自制实验设备的对策

（1）搭建基于软硬件开源的综合实验平台。该实验平台面向整个软件工程专业基础教学部分，由于采用Arduino这一开源软硬件支持，所以学生无需掌握单片机和嵌入式开发基础，就能完成c语言项目开发，这就意味着本综合实验平台可以支持软件工程专业的结构化程序设计——C语言实验环节，一改以往C语言实验主要在计算机完成一些排序等较为枯燥的实验项目，提高学生们的学习兴趣。另外由于在本综合实验平台上可以移植一个小型轻量的Free Rtos操作系统，可以使学生在操作系统学习中真正学习一个工业上使用的操作系统，不仅可以完成操作系统原理性的学习，还可以支撑嵌入式方向中嵌入式操作系统的学习。综合实验平台提供多个系列Arduino开发板，该开发板的核心处理芯片可以是AVR单片机，也可以是ATMEL嵌入式处理器，使得学生可以脱离Arduino IDE的支持，直接使用综合实验平台完成单片机原理，嵌入式开发的实验。

（2）搭建基于软硬件开源的物联网开发平台。基于软硬件开源的物联网开发平台作为全国首个将开源软硬件Arduino平台和Digi公司出品的物联网XBee模块产品相结合的物联网实验仪器，具有与国际顶尖实验教学水平相接轨的特点，国际上的众多最新物联网实验教程都是基于此模块技术开发的，OREILLY近2-3年出品的十余本物联网经典实验实践教材都是基于Arduino和XBee作为开发环境。

本开发平台所使用物联网专用开发板与Arduino DUE开发板和Google 2012 ADK开发板，搭载一款Atmel SAM3X8E Cortex M3嵌入式微处理器，并且完全兼容Arduino IDE开发环境；相对于Arduino DUE和Google 2012 ADK，该物联网专用开发板更加针对于物联网综合实验的开发，与无线模块验证板、RFID读卡器等外围模块可以进行无需插线式的直接连接，减少用户连接模块所产生的错误，以及外围模块的使用。由于物联网专用开发板对ArduinoIDE的完全兼容，所带来的好处在于：①入门门槛低，学习者只需学过C语言就可以完成全部物联网专业实验，无需掌握单片机和嵌入式开发技术，其好处在于降低了开发平台入门门槛，使学习者真正能够简单快速的完成物联网相关知识的学习。②外围模块支持丰富，Arduino作为一个国际知名的开源软硬件平台，受到国际上知名高校如麻省理工，斯坦福，加州大学伯克利分校，佐治亚理工等广泛的支持，并纷纷为其开发数量众多的核心开发板、外围模块（包括传感器模块、RFID读卡器、LCD模块、电机驱动模块等等）。而本实验平台中的物联网专用开发板对上述模块完全兼容。③深入学习潜力，由于物联网专用开发板本身就是一个开源软硬件的产品，本身就可以作为一个嵌入式产品开发的案例，在除去Arduino IDE支持的情况下，学习者可以根据本平台所提供的电路图、原理图、SAM3X8E芯片功能手册，配合以嵌入式开发教材完成嵌入式开发学习。

由于国内外并没有一款是以Digi公司出品的无线通讯XBee产品线为核心的物联网实验平台，而本平台在该方面不仅与国际上先进的实验实践教学水平和物联网工业应用水平接轨，而且开创性的使用了XBee无线模块中的802.15.4、Zigbee、WIFI模块作为物联网开发平台中的无线核心模块。XBee系列产品是一种在国际工业应用中使用的无线产品，具有工作稳定、适应恶劣外部环境、传输距离远等特点，广泛用于传感器网络采集、远程设备控制等应用产品。本实验平台采用XBee产品线作为外围无线模块所带来的好处在于：①真正的工业级无线模块：相对于目前国内外的物联网实验平台都是以针对于TI和Freescale为核心的，这类以单片机编程为主的开发正在被工业应用所淘汰，并且该种实验平台不能提供很好的学习辅助功能，仅仅能够作为产品开发的实验验证平台。所以本实验平台首先在国内实现了基于XBee的物联网实验平台，该平台核心采用Digi公司提供的Xbee模块，采用命令集形式的开发符合国际工业应用的主流，并且区别于以往的物联网实验设备，该平台能够提供友好的学习辅助功能，帮助学生迅速掌握物联网技术和控制方法。②与云计算相结合真正实现物联网：国内的众多物联网实验教学仪器产品所开展的实验项目都不能真正被称为物联网实验项目，由于物联网的本质是要将所有物联网产品在Internet上进行映射，具有通过Internet完成信息交互和远程控制的功能，而这些物联网实验教学仪器产品不具备与Internet的交互功能，只能被称为传感器网络实验平台。本实验平台创新性的使用了Amazon云上提供设备云服务，将物联网技术与云计算技术相结合，可以将传感器节点和远程设备完成Internet映射，方便设备管理，同时也可以使用终端通过和设备云的交互，完成传感器网络、远程设备的信息交互、控制。③物联网应用案例丰富：相对于国内相关产品所提供的案例，本实验平台所提供的物联网应用案例是真正应用级别案例的模型，通过Top 50 Internet of Things Applications上所介绍的50个真实物联网应用案例，而这些案例大多采用XBee产品线作为无线模块，本实验平台选用其中部分应用案例作为综合实验案例，真正实现了物联网产品研发。

至此本实验平台所支持的各种无线通讯、无线网络等实验，如图1所示。

4.结论

通过对传统实验方式的分析和探讨，采用自制实验设备具有以下优势：①研发了物联网专用开发板，采用工业级无线模块，搭建与云计算相结合真正实现物联网，教学案例丰富；②将国际流行实验平台Arduino DUE开发板引入基础实验教学环节，同时开发丰富的外围硬件模块和设计软件工程相关学科的实验案例，提出开源软硬件相结合的教学方法体系；③在硬件实验平台的基础上，研发了丰富的实验案例。均以项目方式提供，设计开发详细、代码开放、模块划分明确。以项目驱动为目的，为理论教学的有效进行提供了实践依据；④自制设备项目的设计过程形成了一套实践教学自主研发的教学体系。

因此，自制实验设备在软件学院实验教学中起到了十分重要的作用，并为实验改革带来了突破性的创新。

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