基于STM32自开发实验板的第二课堂创新能力培养

党会

[摘要]

为了探索学生创新能力和实际动手能力培养的教学模式，在教学计划规定的必修课程之外开设了第二课堂。基于积木式模块化结构开发了教学实验板，在满足基础实验课程的同时，通过外接各种功能模块，实现常见电子设备、测量仪器、家用电器等的设计。通过“电子精英班”、“ STM32基础实验教学”、“创新一学分培养”等环节的学习，诱发学生创新思维，培养学生工程实践能力，鼓励学生参加各种大学生竞赛。经过 3年的实践，第二课堂创新能力培养取得了优异的成绩。

[关键词]STM32嵌入式实验板;第二课堂;创新能力培养

[中图分类号]G64[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2015）02-0106-03

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》把“创新人才培养方式”列为重中之重，明确了着力培养一大批拔尖创新人才的教育改革发展目标。学生创新能力的培养关系到国家建设的后继有人、社会发展的稳定秩序、学生个人的未来发展，作为人才培养主要阵地的高校理应担负起这一重要的责任。培养学生创新能力和实际动手能力是社会发展和目前就业形势对高校教育的更高要求[1-3]。针对本科生的创新能力培养，提出采用基础实验教学和第二课堂培养的方式，开设了“基于STM32的创新一学分”课程设计[4-6]。

嵌入式系统是一个针对特定的应用而“量身定做”的专用计算机系统，涉及先进的计算机技术、自动控制技术、通信、电子信息等领域，知识覆盖面广，综合性、实践性强，应用领域广[7]。目前，随着我国嵌入式系统市场需求的快速增长，对嵌入式领域的人才需求旺盛。但由于普通高校嵌入式方向师资力量薄弱，教师软硬件知识兼通的较少，资金设备投入小，只是针对个别专业开设了嵌入式系统的相关课程，且实践环节多采用外购的实验箱，成本高、利用率低、不易维护。

本文应用STM32F103ZCT6开发了嵌入式系统教学实验板，包括LED、按键、蜂鸣器、串口、I2C接口等几部分，支持JTAG/JLINK调试，满足嵌入式系统的基础实验教学。设备采用积木式模块化结构，通过外接温湿度检测、超声波测距等硬件模块，便于不断扩充和更新的同时减少了后续经费的投入额度，与传统的实验设备相比有一定的设计理念，更利于学生工程实践能力和创新能力的培养。该实验板在燕山大学《嵌入式系统》的基础实验教学及本科生第二课堂创新能力的培养中，取得了很好的实践效果。

1嵌入式系统教学实验板开发

结合本科基础实验教学及创新培养的需要，采用积木式模块化结构，开发了一套基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式系统教学实验板。该实验板针对性强，由于采用积木式模块化结构，在主板的基础上，通过不断地扩充与创新能力及专业培养目标相关的硬件模块，可以实现很多仪器仪表、工业控制等设备样机。与传统的实验设备相比，包含了很好的设计理念，更有利于培养学生动手能力和创新能力，同时，便于根据嵌入式系统行业发展进行同步更新，极大的减小了后续投资成本，更适合高校发展的需要。

实验板基于STM32F103ZCT6微控制器芯片，主要有LED、按键、蜂鸣器、串口、I2C接口等几部分，通过20引脚标准JTAG调试接口，结合IAR集成开发环境和JLINK调试器，进行程序下载及调试。实验板实物图如图1所示。

1） CPU。采用ST公司的32位微控制器

STM32F103ZCT6，最高频率可达72 MHz。

2） I2C接口，可外接ROM存储器、温度传感器等。

3） JTAG调试接口，用于程序下载调试。

4） RS232串行口，采用最简单的三线连接，通讯波特率最高可达115.2 kb/s。

5） 外设。包括4个按键开关，4个LED指示灯，1个蜂鸣器，可完成基础实验教学。

2第二课堂创新能力培养教学环节设计“基于STM32的创新一学分”课程设计是燕山大学电气工程学院为探索学生创新能力和实际动手能力培养教学模式的一次教学改革，是对课堂教学内容的补充和延续，以学生兴趣和自愿为前提，诱发学生创新思维，在实践中将发现问题、解决问题的过程同创新的过程融为一体。从某种程度上来说，第二课堂培养是为学习能力较强的学生提供的精英教育。

2.1第二课堂创新能力培养教学环节

第二课堂以对该课程有兴趣的学生为依托，自愿报名，应用自主开发的基于STM32F103ZCT6的实验板，完成“电子精英班”、“STM32基础实验教学”、“创新一学分培养”等教学环节的学习。第二课堂创新能力培养教学环节如表1。

“电子精英班”采用学生自愿报名、择优录取的方式，以提高学生动手能力为中心，以培养学生建立工程概念为主导，利用业余时间分三阶段完成。第一阶段为基础知识储备阶段，学习基本的理论知识，以模拟、数字课程为基础认识基本的电子元器件及电子工艺焊接的简单操作。理论知识之后学生自己动手设计一些简易的电子小产品，如电平指示电路、微型抢答器、触摸延时开关、照明定时器、脑波同步发生器等。题目任选，3人一组，资料查询、电路设计均由学生完成，老师只负责理论指导和验收。第一阶段考核通过后，进入软件环节的学习，以C语言为基础，先进行为期2周的STM8软件基础培训，然后过渡到STM32的学习。

基础实验教学

（基于STM32）

GPIO口实验（寄存器、固件库两种方式）;中断控制实验;定时器实验;串口通信实验创新一学

分培养

温湿度测量仪;超声波测距仪;循迹车;无线通信;交通灯控制器;定时打铃控制器;密码插座;温度控制器;射频身份识别器;简易手机竞赛

1） 秦皇岛市单片机程序设计大赛

2） “飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛

3） 全国大学生电子设计大赛

“STM32基础实验教学”，以IAR Embedded Workbench for ARM V5.30软件开发环境为基础，完成简单的GPIO口、中断、定时和串口等基础实验，为创新环节打下基础。

“创新一学分培养”侧重于学生的动手能力和解决实际问题的工程能力，以实验主板为基础，通过外接各功能模块实现，具体项目如表1所示。3人一组，题目任选，最后以结题报告和项目成果形式进行验收。验收合格，经学院审核，由学校批准通过，给予创新学分。

2.2创新一学分硬件模块

根据创新一学分培养的需要，以实用的、常见的电子设备、测量仪器、家用电器为设计目标，设计了10个项目，如表1所示。每个项目配备相应的功能模块，如在温湿度测量仪项目中，为学生提供DHT11数字温湿度传感器模块、相应的显示模块及报警模块;在超声测距仪项目中，为学生提供URM37超声波传感器模块和相应的数码显示模块，精度可达1cm;在循迹车项目中，为学生提供电机驱动模块、四轮小车，可实现差速转向、前进和倒退功能等等。

为完成相应项目功能，学生需要结合已学知识并查阅相关资料，补充适当的理论知识，了解各模块功能、模块间连接方式并编写程序，通过反复下载程序进行调试，最终完成课题。项目完成后上交结题报告，并制作PPT进行答辩，由指导教师对实验成果进行验收，并给出成绩上交教务处备案。

2.3创新一学分功能模块实例

温湿度测量在工业生产中是十分重要的被测对象，温湿度测量仪选题贴合生产实际。该项目基于STM32实验主板，提供集成温湿度传感器DHT11、数码管显示模块、蜂鸣器报警模块;项目要求每2秒钟显示一次温湿度，温度的测量精度为±1 ℃，湿度测量精度为±3相对湿度，设置温湿度报警限，用蜂鸣器报警。项目结构示意图如图2。在系统正常工作情况下，显示电路可以实时的显示室内的温度和湿度;当温度和湿度超限时，报警电路通过蜂鸣器报警，以便实现温度和湿度的调整。

第二课堂创新能力培养基于“金字塔”模式，录取学生采取宽进严出的方式，通过层层选拔，最终选取综合表现优秀的学生参加校、市、省乃至国家级比赛。选拔的优秀学生进入“飞思卡尔”车模实验室，并以小组形式参加“飞思卡尔”全国大学生智能车竞赛。基于STM32自开发实验板的第二课堂创新能力培养已开展3年，取得了很好的效果，在“飞思卡尔”全国大学生智能车竞赛中先后获得全国一等奖1项、二等奖1项的优异成绩。

第二课堂创新能力培养提供了一种全新的学习方式，建立了一个完整的集趣味性、实用性、创新性为一体的教学体系，为学生培养专业兴趣、拓宽专业知识、开阔视野、培养创新能力搭建了一个广泛的活动平台。不仅能激发学习兴趣，而且在实践中培养了学生的创新能力，使学习由被动变为主动，在“发现问题解决问题再发现问题再解决问题”的过程中，达到创新能力培养的目的。而基于积木式模块化的实验设备模式，有极大的灵活性，降低了后期资金投入，符合各高校发展需要。

参考文献

[1] 马晓玲，刘美凤，王小雪.美国9所院校教育技术学专业课程内容研究[J].中国电化教育，2013，（4）：6-12.

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[4] 荀艳丽.嵌入式系统实验教学方法的研究与改进[J].佳木斯教育学院学报，2012，（12）：11-14.

[5] 韩桂明.独立学院嵌入式系统教学模式探讨[J].电子世界，2012，（12）：166.

[6] 罗怡桂.基于问题解决的嵌入式系统实验教学实践[J].实验室研究与探索，2012，31（10）：377-379.

[7] 刘泽平，羊四清.计算机专业嵌入式方向课程体系建设[J].计算机教育，2013，（6）：103-105.

Second classroom innovation capability training

based on self-developed experimental board of STM32

DANG Hui

（Institute of Elecrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

AbstractIn order to explore the teaching mode of students′ innovative ability and practical ability，the second classroom was

offered in addition to the teaching plan compulsory courses. Cordwood system modularization structure was used to develop the

teaching experimental board，it can meet the basic experimental courses，at the same time，it can realize designing of common elec

tronic equipment，measuring instruments，household appliances etc.，through the external of various functional modules.Through

the study of "electronic elite class"，"STM32 basic experimental teaching"，"innovation one credit training" and so on，inducing

students′ innovation thinking，training students′ capability of engineering practice，encouraging students to participate in various

competitions.The second classroom innovation cap ability training has achieved excellent results by the practice of 3 years.

Key wordsSTM32 embedded experimental board;second classroom;innovation capability training