高洪皓 陳章進 陳怡海 王鏡杰

摘? ?要：程序設(shè)計課程以教為主，創(chuàng)新實踐課以實操為主。文章以“搭建智能小車和控制系統(tǒng)”為創(chuàng)新實踐需求，充分利用課上和課下資源，促使本科生將程序設(shè)計、機械自動化、通信等多學(xué)科知識點進行融合，強化基礎(chǔ)課程和實現(xiàn)培養(yǎng)獨立創(chuàng)新能力;將程序設(shè)計課程通過軟件開發(fā)形式與硬件相結(jié)合，從問題中尋找解決方案，從應(yīng)用解決方案中凝聚問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。文章介紹了以軟硬件協(xié)同開發(fā)為向?qū)У谋究苿?chuàng)新實踐，探討計算機基礎(chǔ)課程的創(chuàng)新人才培養(yǎng)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：軟硬件協(xié)同開發(fā);程序設(shè)計與多學(xué)科交叉;創(chuàng)新實踐;智能小車和控制系統(tǒng)

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）11-0082-04

一、引言

程序設(shè)計課程內(nèi)容教學(xué)和教學(xué)時間相對有限，而本科生的編程能力也需要大量實踐。創(chuàng)新實踐項目能夠增強課外實踐動手能力，是提升“教與用”的有效方法[1][2]。針對創(chuàng)新實踐課，近年來，各高校都開展聯(lián)合大作業(yè)等形式促進本科生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，將課程內(nèi)容應(yīng)用到實際問題，有效地提高了本科生對課程知識點的認識和深刻體會。程序設(shè)計課程實踐包括開發(fā)軟件和軟硬件協(xié)同開發(fā)。對于后者來說要求較高，涉及學(xué)科也較多，如程序設(shè)計、通信、機械自動化等學(xué)科。

實踐教學(xué)對于提升學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和專業(yè)基礎(chǔ)素養(yǎng)具有十分重要的意義[3][4]。一方面能豐富課程教學(xué)，讓學(xué)生體會所學(xué)知識點能解決什么問題、所學(xué)知識能與什么現(xiàn)實問題相結(jié)合;另一方面，通過交叉學(xué)科的融合，讓學(xué)生“大膽去想，小心去實現(xiàn)”，從知識點出發(fā)，解決功能開發(fā)問題和軟硬件功能模塊的繼承，又通過軟硬件協(xié)同開發(fā)回到知識點。智能小車項目將算法、想法和編程技能應(yīng)用到實踐中，所有開發(fā)的實物不僅“看得見、摸得著”，反過來還能檢驗學(xué)生所學(xué)的編程知識點。筆者認為這種教學(xué)改革的變化是培養(yǎng)創(chuàng)新實踐精神的重要方法。

圖1給出了基于軟硬件協(xié)同開發(fā)的創(chuàng)新實踐課程。在實踐開展之前，召集本科生組成團隊，并鼓勵學(xué)生勇于挑戰(zhàn)新課題，樹立實踐目標。同時，按照實際工程方法，明確所需要開發(fā)軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)計劃和開發(fā)需求。要求學(xué)生在一定的時間內(nèi)理解需求，通過廣泛調(diào)研和指導(dǎo)教師溝通，明確“做什么、怎么做”等問題。在創(chuàng)新開展過程中，按照項目既定計劃分步實施，重點基于已學(xué)的程序設(shè)計知識，了解軟硬件協(xié)同開發(fā)所需要的新知識，探索并自學(xué)與通信和機械相關(guān)的方法，嘗試將其集成到智能小車項目中。在實踐結(jié)束之后，及時總結(jié)并采用成果匯報方式將實踐所學(xué)所感和成長故事進行分享，吸引下一批本科生參與。

本文介紹以軟硬件協(xié)同開發(fā)為向?qū)У谋究苿?chuàng)新實踐課程經(jīng)驗。首先介紹如何進行實踐課前動員，然后介紹智能小車項目的具體案例，最后探討多方支持的本科創(chuàng)新實踐將有助于強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育的深度融合。

二、實踐課前動員

1.鼓勵學(xué)生積極參與

大學(xué)本科生思維開放、想法多元，處于最具有創(chuàng)新想法的階段。創(chuàng)新與實踐能夠相互促進，有想法不去實踐是非?？上У?。一方面，本科生自己有想法，但是實際知識和動手經(jīng)驗不足，導(dǎo)致放棄;另一方面，本科生對自己的想法不太自信，不知道是否可以實現(xiàn)，對項目實施不抱有希望。另外，本科生還容易產(chǎn)生畏懼心理，需要鼓勵其參與到課程導(dǎo)師的課外項目中去，大膽實踐并勇于試錯。

在以軟硬件協(xié)同開發(fā)為向?qū)У谋究苿?chuàng)新實踐課程中，也存在一些問題：①學(xué)生很有興趣，但是參與人數(shù)不多;②項目初始階段報名人數(shù)很多，隨著項目開展，退出也很多。因此，需要課程導(dǎo)師在項目實施前大量動員并鼓勵學(xué)生。創(chuàng)新實踐可以成功，也允許失敗，鼓勵本科生勇于嘗試，能提高本科生創(chuàng)新實踐的信心。

2.以團隊形式開展

以2～3人組成團隊并設(shè)置不同分工，有側(cè)重點地安排軟件模塊、硬件組成模塊、通信和數(shù)據(jù)模塊。這種分組有助于項目團隊協(xié)作，避免出現(xiàn)“單打獨斗”的情況。當(dāng)然，對于能力突出的本科生，也可以單獨安排一組。

實踐項目開展過程中，相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)還需要課程導(dǎo)師來把關(guān)。從程序設(shè)計、通信技術(shù)、機械原理等知識的角度給予實操指導(dǎo)。因此，一方面，導(dǎo)師需要定期和團隊見面，討論和檢查進度，防止一些學(xué)生消極怠工;另一方面，高年級本科生和研究生可以參與指導(dǎo)，以朋友的身份參與，可以與學(xué)生更好地進行溝通。

沒有實踐環(huán)境的支持，就無法實現(xiàn)創(chuàng)新想法。為了給本科生提供相關(guān)資源平臺，可使用導(dǎo)師的項目經(jīng)費，資助購買無線模塊、驅(qū)動馬達、履帶和移動電源等耗材，支持搭建硬件平臺;還可通過導(dǎo)師權(quán)限，申請學(xué)校云主機和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，支持搭建軟件平臺[5]。

三、項目實施案例

以程序設(shè)計課程教師團隊為基礎(chǔ)，上海大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)研究室從2016年開始實施以軟硬件協(xié)同開發(fā)為向?qū)У谋究苿?chuàng)新實踐項目。該項目得到全國高等院校計算機基礎(chǔ)教育研究會和谷歌信息技術(shù)（中國）有限公司產(chǎn)學(xué)研合作等課題的資助。本文以功能設(shè)計實現(xiàn)為主線，介紹智能小車的開發(fā)過程。

1.開發(fā)目標

智能小車的開發(fā)需求為：自主開發(fā)設(shè)計一款能用于巡查實驗室環(huán)境，并通過傳感器來判斷實驗室中是否有火災(zāi)、漏水等情況的發(fā)生，幫助學(xué)校管理人員及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防災(zāi)難的智能小車。如圖2所示，該項目需要本科生分組完成后，再討論需求，明確所需要完成的硬件搭建任務(wù)和軟件開發(fā)任務(wù)。包括幾個問題點：①如何通信、如何進行無線通信;②如何進行控制、采用什么語言進行程序設(shè)計;③如何進行數(shù)據(jù)收集和存儲以方便后期展示、如何進行數(shù)據(jù)預(yù)警;④如何實現(xiàn)按照實驗室路徑進行巡查。

項目團隊擬采用Arduino進行無線智能小車搭建，通過搭載各種傳感器（火焰、溫度等），實現(xiàn)實驗室自動化巡查，定時收集實驗室內(nèi)各種環(huán)境數(shù)據(jù)。具體技術(shù)選型包括：①使用Arduino對Raspberry Pi進行拓展，通過USB向Raspberry Pi傳輸傳感器數(shù)據(jù);②基于Raspberry Pi搭建一個小車的基礎(chǔ)通訊平臺，使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器通訊;③使用QT平臺編寫用戶端應(yīng)用，用以對小車進行控制，并且可以實現(xiàn)跨平臺部署。

2.Raspberry Pi與Arduino的通訊

圖3為項目團隊搭建的無線智能小車實物原型圖。團隊使用了Arduino對樹莓派Raspberry Pi進行拓展，其中Arduino控制機械馬達轉(zhuǎn)動，所有傳感器都與Arduino連接，并定期上報數(shù)據(jù)給樹莓派Raspberry Pi。而樹莓派則完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，減輕Raspberry Pi端直接處理數(shù)據(jù)的壓力。

3.協(xié)議通訊設(shè)計

在進行充分的技術(shù)調(diào)研后，項目團隊決定采用消息隊列遙測傳輸協(xié)議MQTT進行數(shù)據(jù)傳輸。MQTT協(xié)議具有輕量、省帶寬以及QoS等特性，是一種專為IoT設(shè)備設(shè)計的輕量級消息通訊協(xié)議。借助“百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺”作為MQTT消息的中轉(zhuǎn)服務(wù)器，與用戶端應(yīng)用和小車進行通訊。如圖4（a）所示，數(shù)據(jù)通信借助百度的“物模型”和“物影子”概念，將小車的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)打包成模型，作為固定格式產(chǎn)生多個對應(yīng)于小車數(shù)據(jù)實體的影子，有助于實現(xiàn)部署多個小車的需求，也方便進行模塊化安裝。圖4（b）為數(shù)據(jù)展示效果。

4.數(shù)據(jù)發(fā)布與接收

MQTT協(xié)議包括發(fā)布者（Publisher）、代理（Broker）、訂閱者（Subscriber）。發(fā)布者是指將某一數(shù)據(jù)進行上報的一方，而訂閱者則是接收發(fā)布者上報數(shù)據(jù)的一方。MQTT傳輸?shù)南⒎譃橹黝}（Topic）和負載（payload）。負載是消息真正的傳遞內(nèi)容，而主題可以理解為消息的類型。只要有訂閱者訂閱消息，該訂閱者就會及時收到該消息的負載。

項目團隊將智能小車設(shè)置為“發(fā)布者+訂閱者”雙模式，因為既需要及時收到小車檢測到的相關(guān)數(shù)據(jù)，也需要下達指令操縱小車的行進軌跡。同時在小車端，既需要及時收到用戶的相關(guān)操縱指令，也需要上報各類傳感器數(shù)據(jù)。對MQTT的主題進行拆分，在智能小車端使用兩個線程發(fā)布和訂閱主題，方便了開發(fā)工作的進行。針對特殊的自主循跡功能，小車在接到循跡指令后，可以放棄自己的部分訂閱者身份，以能夠?qū)Ｐ倪M行循跡工作，直到用戶發(fā)出手動控制行進的指令。

5.循跡的實現(xiàn)

在智能小車上使用兩個紅外傳感器來實現(xiàn)循跡功能。黑色物體理論上可以吸收一切光線，區(qū)別于其他物體可以折射部分光線。因此可以選用黑色軌道進行循跡，當(dāng)紅外傳感器在黑色軌道上方時，將無法接收到自己發(fā)出的信號;反之，則可以接收到，用此來判斷小車是否在預(yù)定軌跡。最后，團隊采用兩個紅外傳感器實現(xiàn)二路循跡功能。圖5為小車循跡實物圖。

四、創(chuàng)新實踐過程中的多方支持

我校任課教師指導(dǎo)學(xué)生競賽，積極推行大學(xué)生創(chuàng)新項目的團隊培養(yǎng)，招收有興趣的學(xué)生，并根據(jù)創(chuàng)新實踐成果，推薦學(xué)生參加上海市及全國大學(xué)生計算機設(shè)計大賽。該項目自2016年持續(xù)開展以來，已有十多個團隊順利完成課外實踐項目，已獲得多項計算機類競賽的獎勵[6]。

該項目指導(dǎo)部分本科生、研究生開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，部分優(yōu)秀項目被立項。同時挖掘?qū)W生的潛力，引入項目實踐課作為補充，鼓勵學(xué)生參與到項目和競賽，充分調(diào)動本科生學(xué)習(xí)計算機的主動性和動手操作的熱情。

通過“產(chǎn)學(xué)研”合作，提供合作企業(yè)的云主機來支持學(xué)生的創(chuàng)新項目，同時開放智慧教室給學(xué)生進行競賽項目研討。指導(dǎo)部分本科生參與企業(yè)實際課題開發(fā)，實現(xiàn)“打基礎(chǔ)”和“重實踐”的銜接。

五、總結(jié)與展望

大學(xué)生創(chuàng)新實踐的培養(yǎng)應(yīng)該以基礎(chǔ)知識為主，通過實踐項目提升實操能力[7]。智能小車項目以軟硬件協(xié)同開發(fā)為向?qū)?，以學(xué)生為中心，積極指導(dǎo)學(xué)生進行課外創(chuàng)新項目，使得學(xué)生對計算機編程課程充滿興趣，同時提升了自我價值。這一過程涉及程序設(shè)計、機械自動化、通信等多學(xué)科知識點的深度和廣度融合。該項目可以作為程序設(shè)計相關(guān)課程的參考，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段上進行嘗試，讓本科生動手實現(xiàn)“看的見摸得著”的硬件來體會軟件編程知識點，是另一種形式的“翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)”。

參考文獻：

[1]黃陳蓉，張建德.校企深度融合的計算機應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式探索[J].計算機教育，2017（6）：14-16.

[2]李輝.大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的創(chuàng)新實踐教育平臺建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013（9）：83-85.

[3]姜代紅，任春美，程紅林.談計算機科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系建設(shè)[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2010（S1）：30.

[4]周震.地方高校“2+X”應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的實踐探索[J].中國高等教，2019（20）：46-48.

[5]高洪皓，單子鵬，陳章進等.云實驗室在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016（5）：130-133.

[6]高洪皓，劉安康，鄒啟明等.面向軟硬件融合的Arduino機械控制小車課程實踐研究[J].計算機教育，2019（1）：76-79.

[7]彭強，楊燕，張翠芳.計算機專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實踐[J].計算機教育，2009（13）：19-20.

（編輯：王曉明）