王春英　張宏國　楊慧晶

摘要：高校作為教學的主要陣地，實驗教學在整個教學體系中起到了關鍵的作用。近年來實驗室建設發(fā)展迅速，但外購的實驗設備已不能滿足學科基礎和專業(yè)基礎以及專業(yè)教學實驗的需要。因此，采用國際一流高校應用的Arduino平臺，基于XBee射頻模塊，具有軟硬件開源特點，自制適合軟件學院軟件工程專業(yè)的實驗設備，不僅滿足了軟件工程專業(yè)的教學需求，而且跟目前流行的工業(yè)應用相接軌，具有重要的超前性和領先性。

關鍵詞：教學體系；自制設備；專業(yè)教學

DOI：10.16315/j.stm.2015.02.01l

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A

實驗教學在高校整個教學體系中起到了十分重要的作用。但隨著社會的進步和知識的發(fā)展，現(xiàn)有設備已不能滿足學生實踐的需求，而外購實驗設備的廠商對于整個教學體系不夠了解，其實驗設備不符合教學規(guī)律和實驗大綱要求，實驗教師對于實驗設備的實驗潛能挖掘不夠，實驗設備的超前性和及時性存在問題，使得整個實驗水平與工業(yè)應用存在差距，為了解決目前實驗教學環(huán)節(jié)存在的上述問題，哈爾濱理工大學于2012年年底著力推廣了一批自制實驗設備項目，而軟件學院軟件工程專業(yè)也配合學校整體要求申請了2個自制設備項目：基于開源軟硬件的綜合實驗平臺和基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺。學院的整體目標是依托于基于開源軟硬件的綜合實驗平臺對C語言、單片機、操作系統(tǒng)、嵌入式開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)等課程實驗教學環(huán)節(jié)進行支撐；依托于基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺對無線通訊原理、RFID原理、無線傳感器網(wǎng)絡、Zigbee技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等課程實驗環(huán)節(jié)進行支撐。

1.軟件工程專業(yè)自制設備的特點

（1）自制教學實驗儀器具有較大的靈活性且緊密結(jié)合教學要求。緊密結(jié)合專業(yè)教學大綱規(guī)定的實驗項目要求，制作更適用、更合理的裝置，這種裝置的特點是適用面廣，適用性強。這相當于為軟件工程專業(yè)量身定制一系列實驗設備，緊密結(jié)合軟件工程項目驅(qū)動特點，可以有效大幅度提高實驗教學質(zhì)量水平。

（2）基于開源軟硬件思想，緊密與國際實驗教學水平接軌。由于學院自制實驗設備采用了國際上通用的Arduino平臺，該平臺具有軟硬件完全開源特點，國際上一流高校，如麻省理工、佐治亞理工、斯坦福等都采用這一技術，由此將其融入到本科教學環(huán)節(jié)中。該平臺最大的特點是采用封裝且開源的思想，從封裝角度來講，本實驗平臺只需掌握基本C語言編程能力就能使用該平臺，從某種意義上來講，軟件工程發(fā)展到今天，都是以封裝作為依托的。舉例來說，完成網(wǎng)絡編程，只需使用Socket編程方式，也就是對于Socket系列函數(shù)的調(diào)用而已，無需對于底層的封裝過程了解，封裝好處在于縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本投入；而從開源的角度，由于該平臺具有開源的特點，該平臺從某種程度上就是一個單片機嵌入式成功的案例，而由于國際上很多一流高校都加入到該開源項目中，很多成功的案例都可以作為學院案例教學的藍本，可以與國際一流實驗教學水平接軌。

（3）自制實驗設備具有超前性和及時性。目前國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺都是以針對于TI和Freescale為核心的，這類以單片機編程為主的開發(fā)正在逐漸被工業(yè)應用所淘汰，并且該種實驗平臺不能提供很好的學習輔助功能，僅能夠作為產(chǎn)品開發(fā)的實驗驗證平臺。所以該項目首先在國內(nèi)實現(xiàn)了基于XBee的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，該平臺核心采用Digi公司提供的Xbee模塊，采用命令集形式的開發(fā)符合國際工業(yè)應用的主流，并且區(qū)別于以往的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備，該平臺能夠提供友好的學習輔助功能，幫助學生迅速掌握物聯(lián)網(wǎng)技術和控制方法。

Zigbee技術發(fā)展至今天，已經(jīng)慢慢從單片機開發(fā)方式轉(zhuǎn)入到以命令集控制的方式。采用單片機開發(fā)方式存在很大的局限性，主要集中在由于各個廠商所提供的Zigbee芯片各不相同，由此所使用單片機各不相同，而不同單片機的開發(fā)方式和方法各不相同，所完成的程序代碼不具有可移植性，也就是說單獨學習一種Zigbee芯片的使用方法并不具有使用其他類型zigbee的能力。由此這種以命令集開發(fā)方式的Xbee模塊便應運而生，采用命令集的好處在于它的入門門檻比較低，而且由于命令集與底層單片機并不相關，所以它的使用具有一定通用性。雖然Xbee所采用的依然是zigbee協(xié)議，但是區(qū)別于以往Zigbee芯片，它將Zigbee協(xié)議封裝起來，采用這種方式的優(yōu)點在于如果要對以往的Zigbee芯片開發(fā)必須學習Zigbee協(xié)議的源代碼，而這個協(xié)議代碼量非常大、入門門檻高，國內(nèi)外能夠掌握Zigbee芯片開發(fā)的工程師非常少，并不適用于本科教學和大規(guī)模產(chǎn)品推廣，而XBee的方式是將Zigbee的協(xié)議棧與開發(fā)者隔離開，對于開發(fā)者只需掌握Zigbee協(xié)議棧原理即可，并不需要深入到代碼內(nèi)部，從而降低研發(fā)門檻，有利于推廣。目前XBee模塊的型號分為三類，都是采用Zigbee協(xié)議棧，傳輸距離從100米-1000米不等，雖然型號不同但是命令集和模塊外圍管腳大體相同，只有很少一部分存在區(qū)別，這使得學習XBee模塊開發(fā)具有通用性。雖然XBee在2009年剛剛推出，但是隨著這4-5年的發(fā)展，XBee逐漸在歐美市場取代其他Zigbee芯片，成為這個領域非常有影響力的廠商。

而該物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺相對于目前國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，從某種程度上是一款真正意義的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，本實驗平臺可以將傳感器網(wǎng)絡所采集到的信息交付給Device Cloud云平臺，該平臺構建于Amazon云服務，是2012年國際物聯(lián)網(wǎng)應用金獎產(chǎn)品，具有國際應用水平前沿特點，這是其他物聯(lián)網(wǎng)平臺所不具備的。

（4）自制實驗設備加強對于教師和實驗教師的教學實踐能力的培養(yǎng)。本系列實驗平臺的開發(fā)、實驗實踐環(huán)節(jié)的設計，實驗指導書的撰寫者都是由本軟件學院實驗中心和軟件工程系一線教師共同研發(fā)，這些教師具有多年的實驗實踐教學經(jīng)驗，深諳實驗實踐教學規(guī)律。而對于研發(fā)過程同樣是對于青年教師科研能力的鍛煉和提高，同樣意味著我學院青年教師的業(yè)務水平已經(jīng)與國際前沿應用水平接軌，為以后科研教學工作做好鋪墊、奠定基礎。最重要的一點，在實驗平臺的研發(fā)過程中，每位教師都參與其中，而在將來實驗教學環(huán)節(jié)中，教師能夠非常清楚的講解出該實驗平臺的工作原理，實驗特點等，而這部分是外購實驗平臺無法提供的。

（5）自制設備具有經(jīng)濟性。實驗教學裝置屬于較先進的技術產(chǎn)品，專用性強，社會需求量小，價格較貴，而資金不足則是我校實驗室建設中存在的問題。特別是對于一些專業(yè)面比較窄，所需實驗儀器大多無法從市場購得，即使能采購到儀器設備，在使用和功能上也遠遠滿足不了教學實驗的需求，只能依靠實驗技術人員自己來研制。對于本校來說，實驗儀器對教學質(zhì)量和水平的影響尤為顯著。本校在實驗室資金短缺的情況下，由于重視自制設備，并廣泛應用，因此節(jié)約了大量資金。

2.自制實驗設備存在的問題分析

本自制實驗設備項目借鑒于國內(nèi)外一流高校在自制設備項目中的解決方案和經(jīng)驗，立足于國際上流行的開源軟硬件Arduino平臺，參考國內(nèi)外一流高校對與該平臺的使用狀況和開源項目情況，整合出一整套適合于軟件工程專業(yè)的實驗設備和實驗教學指導書?，F(xiàn)簡述一下Arduino平臺國內(nèi)外研究狀況：Arduino本來是意大利一所大學的一個基于AVR單片機自制設備項目，后來經(jīng)過全球各大研究機構和大學的支持和推廣，成為了目前國際上最流行的開源軟硬件平臺，各類一流高?；谠撈脚_開發(fā)了大量開源項目，并且豐富了Arduino開發(fā)板的種類，如麻省理_丁大學開發(fā)了一個用于紡織學的符合Arduino IDE開發(fā)環(huán)境的Lilypad；加州大學伯克利分校利用Arduino完成了仿生物學機器人項目等等。國內(nèi)外的學者和工程師針對于Arduino平臺也完成了大量工作，例如Free Rtos操作系統(tǒng)的移植，該操作系統(tǒng)具有輕量和實時性特點，由于采用了開源軟硬件的特點，該操作系統(tǒng)可以作為操作系統(tǒng)或是嵌入式操作系統(tǒng)的經(jīng)典案例，完成針對于這類課程的實驗支持；MySQL Connecter的arduino的移植，可以從代碼級別說明數(shù)據(jù)庫連接程序的工作原理，而事實上目前軟件工程中對于該部分僅僅是調(diào)用一些官方所提供的函數(shù)或者開發(fā)包，如JDBC等；HTTP網(wǎng)絡編程，目前軟件工程領域同樣是采用基于官方函數(shù)或者開發(fā)包的教學方式，事實上如果從代碼角度深入解析一個HTYP請求和響應完成的過程，HTTP應用層協(xié)議的報文組織方式是非常有意義的。由于Arduino具有上述特征，既開發(fā)簡單、完全開源、支持函數(shù)庫豐富，所以像Google這類公司都選擇該平臺作為移動終端外圍設備的開發(fā)平臺，如Google 2012 I/0所發(fā)布的2012 ADK這款開發(fā)板是一個基于Arduino IDE采用嵌入式Cortex M3作為核心處理芯片的開發(fā)平臺。由于Arduino本身的特點和物聯(lián)網(wǎng)設備結(jié)合是比較緊密的，所以國外很多關于物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)教程和實驗環(huán)節(jié)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，由此本項目中基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺是國內(nèi)首個以Arduino平臺為核心的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，與國際實驗教學流行趨勢緊密相結(jié)合。

由此本項目分析了國內(nèi)外自制實驗設備現(xiàn)狀，說明自制實驗設備的研制的確對于提升實驗教學質(zhì)量、改善實驗實踐環(huán)境、提高實驗教師業(yè)務水平有著重要意義，而由于本項目中兩個實驗平臺都是依托于國際流行的Arduino平臺，符合國際最前沿的實驗教學理念，在軟件工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)方向?qū)嶒灲虒W有著充分的前瞻性、行業(yè)領先性等特點。本課題主要研究內(nèi)容就是如何融入到軟件工程專業(yè)教學體系，服務于軟件工程專業(yè)的基礎部分實驗包括C語言、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構、計算機組成原理等實驗內(nèi)容，又針對于軟件工程專業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)方向和移動計算方向提供專業(yè)級別的實驗支撐，為軟件工程專業(yè)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、大學生競賽、項目驅(qū)動提供平臺。綜上所述，本項目區(qū)別于以往實驗設備，不僅僅能夠開展實驗課程，而且完全吻合軟件工程專業(yè)的教學大綱體系和實驗大綱體系，對于學生實驗教學改革，教學質(zhì)量提升起著重要作用。目前擬解決關鍵問題如下：

（1）自制實驗設備如何融入到軟件工程專業(yè)教。學體系。目前的實驗教學儀器，大多是系列的實驗累積，并不具備針對于哪個專業(yè)的支撐，尤其是本學院一黑龍江省示范性軟件學院，具有鮮明特點的教學體系，如何讓每個實驗項目真正做到對于理論教學環(huán)節(jié)的支撐，讓學生不僅了解原理而且真正學會怎樣去實現(xiàn)，換句話說本項目中的自制實驗平臺及所涉及的實驗項目應該做到更加專業(yè)性的針對于教學體系。

（2）基于軟硬件開源的綜合實驗平臺構建對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、項目驅(qū)動等項目支撐。構建的軟硬件開源的綜合實驗平臺，不僅僅面向?qū)I(yè)基礎實驗教學，而且還要為學生們參加各種競賽、項目驅(qū)動、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目提供平臺，所以在綜合實驗平臺的研發(fā)過程中，也應該考慮到提供給學生面向項目的開發(fā)平臺。

（3）基于軟硬件開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺對專業(yè)項目、畢業(yè)設計、學年設計支撐。所構建的軟硬件開源的綜合實驗平臺，不僅僅面向?qū)I(yè)方向?qū)嶒灲虒W，而且要支撐學生完成物聯(lián)網(wǎng)方向案例，專業(yè)方向性學年設計，畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)。

3.建立軟件工程專業(yè)自制實驗設備的對策

（1）搭建基于軟硬件開源的綜合實驗平臺。該實驗平臺面向整個軟件工程專業(yè)基礎教學部分，由于采用Arduino這一開源軟硬件支持，所以學生無需掌握單片機和嵌入式開發(fā)基礎，就能完成c語言項目開發(fā)，這就意味著本綜合實驗平臺可以支持軟件工程專業(yè)的結(jié)構化程序設計——C語言實驗環(huán)節(jié)，一改以往C語言實驗主要在計算機完成一些排序等較為枯燥的實驗項目，提高學生們的學習興趣。另外由于在本綜合實驗平臺上可以移植一個小型輕量的Free Rtos操作系統(tǒng)，可以使學生在操作系統(tǒng)學習中真正學習一個工業(yè)上使用的操作系統(tǒng)，不僅可以完成操作系統(tǒng)原理性的學習，還可以支撐嵌入式方向中嵌入式操作系統(tǒng)的學習。綜合實驗平臺提供多個系列Arduino開發(fā)板，該開發(fā)板的核心處理芯片可以是AVR單片機，也可以是ATMEL嵌入式處理器，使得學生可以脫離Arduino IDE的支持，直接使用綜合實驗平臺完成單片機原理，嵌入式開發(fā)的實驗。

（2）搭建基于軟硬件開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺。基于軟硬件開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺作為全國首個將開源軟硬件Arduino平臺和Digi公司出品的物聯(lián)網(wǎng)XBee模塊產(chǎn)品相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)實驗儀器，具有與國際頂尖實驗教學水平相接軌的特點，國際上的眾多最新物聯(lián)網(wǎng)實驗教程都是基于此模塊技術開發(fā)的，OREILLY近2-3年出品的十余本物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典實驗實踐教材都是基于Arduino和XBee作為開發(fā)環(huán)境。

本開發(fā)平臺所使用物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板與Arduino DUE開發(fā)板和Google 2012 ADK開發(fā)板，搭載一款Atmel SAM3X8E Cortex M3嵌入式微處理器，并且完全兼容Arduino IDE開發(fā)環(huán)境；相對于Arduino DUE和Google 2012 ADK，該物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板更加針對于物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗的開發(fā)，與無線模塊驗證板、RFID讀卡器等外圍模塊可以進行無需插線式的直接連接，減少用戶連接模塊所產(chǎn)生的錯誤，以及外圍模塊的使用。由于物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板對ArduinoIDE的完全兼容，所帶來的好處在于：①入門門檻低，學習者只需學過C語言就可以完成全部物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗，無需掌握單片機和嵌入式開發(fā)技術，其好處在于降低了開發(fā)平臺入門門檻，使學習者真正能夠簡單快速的完成物聯(lián)網(wǎng)相關知識的學習。②外圍模塊支持豐富，Arduino作為一個國際知名的開源軟硬件平臺，受到國際上知名高校如麻省理工，斯坦福，加州大學伯克利分校，佐治亞理工等廣泛的支持，并紛紛為其開發(fā)數(shù)量眾多的核心開發(fā)板、外圍模塊（包括傳感器模塊、RFID讀卡器、LCD模塊、電機驅(qū)動模塊等等）。而本實驗平臺中的物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板對上述模塊完全兼容。③深入學習潛力，由于物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板本身就是一個開源軟硬件的產(chǎn)品，本身就可以作為一個嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的案例，在除去Arduino IDE支持的情況下，學習者可以根據(jù)本平臺所提供的電路圖、原理圖、SAM3X8E芯片功能手冊，配合以嵌入式開發(fā)教材完成嵌入式開發(fā)學習。

由于國內(nèi)外并沒有一款是以Digi公司出品的無線通訊XBee產(chǎn)品線為核心的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，而本平臺在該方面不僅與國際上先進的實驗實踐教學水平和物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)應用水平接軌，而且開創(chuàng)性的使用了XBee無線模塊中的802.15.4、Zigbee、WIFI模塊作為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中的無線核心模塊。XBee系列產(chǎn)品是一種在國際工業(yè)應用中使用的無線產(chǎn)品，具有工作穩(wěn)定、適應惡劣外部環(huán)境、傳輸距離遠等特點，廣泛用于傳感器網(wǎng)絡采集、遠程設備控制等應用產(chǎn)品。本實驗平臺采用XBee產(chǎn)品線作為外圍無線模塊所帶來的好處在于：①真正的工業(yè)級無線模塊：相對于目前國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺都是以針對于TI和Freescale為核心的，這類以單片機編程為主的開發(fā)正在被工業(yè)應用所淘汰，并且該種實驗平臺不能提供很好的學習輔助功能，僅僅能夠作為產(chǎn)品開發(fā)的實驗驗證平臺。所以本實驗平臺首先在國內(nèi)實現(xiàn)了基于XBee的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，該平臺核心采用Digi公司提供的Xbee模塊，采用命令集形式的開發(fā)符合國際工業(yè)應用的主流，并且區(qū)別于以往的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備，該平臺能夠提供友好的學習輔助功能，幫助學生迅速掌握物聯(lián)網(wǎng)技術和控制方法。②與云計算相結(jié)合真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)：國內(nèi)的眾多物聯(lián)網(wǎng)實驗教學儀器產(chǎn)品所開展的實驗項目都不能真正被稱為物聯(lián)網(wǎng)實驗項目，由于物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是要將所有物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在Internet上進行映射，具有通過Internet完成信息交互和遠程控制的功能，而這些物聯(lián)網(wǎng)實驗教學儀器產(chǎn)品不具備與Internet的交互功能，只能被稱為傳感器網(wǎng)絡實驗平臺。本實驗平臺創(chuàng)新性的使用了Amazon云上提供設備云服務，將物聯(lián)網(wǎng)技術與云計算技術相結(jié)合，可以將傳感器節(jié)點和遠程設備完成Internet映射，方便設備管理，同時也可以使用終端通過和設備云的交互，完成傳感器網(wǎng)絡、遠程設備的信息交互、控制。③物聯(lián)網(wǎng)應用案例豐富：相對于國內(nèi)相關產(chǎn)品所提供的案例，本實驗平臺所提供的物聯(lián)網(wǎng)應用案例是真正應用級別案例的模型，通過Top 50 Internet of Things Applications上所介紹的50個真實物聯(lián)網(wǎng)應用案例，而這些案例大多采用XBee產(chǎn)品線作為無線模塊，本實驗平臺選用其中部分應用案例作為綜合實驗案例，真正實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)。

至此本實驗平臺所支持的各種無線通訊、無線網(wǎng)絡等實驗，如圖1所示。

4.結(jié)論

通過對傳統(tǒng)實驗方式的分析和探討，采用自制實驗設備具有以下優(yōu)勢：①研發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板，采用工業(yè)級無線模塊，搭建與云計算相結(jié)合真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，教學案例豐富；②將國際流行實驗平臺Arduino DUE開發(fā)板引入基礎實驗教學環(huán)節(jié)，同時開發(fā)豐富的外圍硬件模塊和設計軟件工程相關學科的實驗案例，提出開源軟硬件相結(jié)合的教學方法體系；③在硬件實驗平臺的基礎上，研發(fā)了豐富的實驗案例。均以項目方式提供，設計開發(fā)詳細、代碼開放、模塊劃分明確。以項目驅(qū)動為目的，為理論教學的有效進行提供了實踐依據(jù)；④自制設備項目的設計過程形成了一套實踐教學自主研發(fā)的教學體系。

因此，自制實驗設備在軟件學院實驗教學中起到了十分重要的作用，并為實驗改革帶來了突破性的創(chuàng)新。