李 海，張 欽

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081）

0 引言

計算機原理與應(yīng)用是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、工程實踐能力和開發(fā)創(chuàng)新能力具有重要意義，需特別重視理論教學(xué)與上機實驗相互結(jié)合。通過開展實踐項目，提高學(xué)生分析解決問題、溝通合作、探索創(chuàng)新等能力，加強學(xué)生的信心。目前，教育部倡導(dǎo)全國高校積極開展“新工科”研究和實踐，主張深化工程教育改革，推動“新工科”建設(shè)與發(fā)展?！靶鹿た啤背嗽黾右恍┬碌墓た茖I(yè)外，更多的是對原有工科專業(yè)提出了新的要求，因此要求在課程實驗設(shè)計中采用更多新型技術(shù)。

本文以串口課程實驗設(shè)計為例，基于成果導(dǎo)向的工程教育（OBE）理念，進(jìn)行實驗教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生借助串口通信實現(xiàn)實用系統(tǒng)的開發(fā)和測試。通過實際教學(xué)檢驗，該方法取得了良好的效果。

1 實驗改革目標(biāo)

1.1 實驗改革的迫切性

串口通信實驗是課程的核心內(nèi)容之一。當(dāng)前課堂實驗采用的實驗系統(tǒng)為TPC-ZK-II，該系統(tǒng)通過8250/8251串行通信模塊連接兩臺電腦或電腦和實驗箱實現(xiàn)雙機通信，雖然效果較好，但也存在著以下不足之處：①實驗箱擴展性不足，所支持的實驗?zāi)Ｊ捷^少，無法激發(fā)學(xué)生的興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力；②課堂實驗與實際需求相互脫離，理論與實際聯(lián)系不緊密，不利于提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力；③實驗地點固定，不利于學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)和開展創(chuàng)新型研究。

因此，需要對實驗手段進(jìn)行新的探索，改變實驗應(yīng)用場景，培養(yǎng)學(xué)生用理論知識指導(dǎo)實踐的意識，切實提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

1.2 基于OBE的課程目標(biāo)

畢業(yè)要求是教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)，教學(xué)內(nèi)容是達(dá)成畢業(yè)要求的支撐。串口實驗課程支撐電子信息工程專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點1.6（具有滿足電子信息領(lǐng)域需求的計算機技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識，并能用于解決電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題）、指標(biāo)點2.3（能通過文獻(xiàn)檢索與學(xué)術(shù)寫作、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息，并對信息進(jìn)行提取、整理、分析和歸納）、指標(biāo)點3.2（能設(shè)計滿足解決方案需要的、具有特定要求的單元、系統(tǒng)或工藝流程，并能通過設(shè)計性實踐環(huán)節(jié)檢驗設(shè)計的合理性）。

根據(jù)課程所支撐的指標(biāo)點，確定了3 個實驗?zāi)繕?biāo)：①掌握串口通信的基礎(chǔ)知識，具備設(shè)計并實現(xiàn)串口通信應(yīng)用程序能力；②通過查找相關(guān)技術(shù)資料，能夠自主解決實際軟件項目中的復(fù)雜問題；③能夠完成面向?qū)嶋H應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)。

1.3 相關(guān)研究

近年來國內(nèi)高校對該課程實驗教學(xué)改革進(jìn)行了很多有益的探索。文獻(xiàn)［2-4］介紹了使用Proteus 軟件進(jìn)行仿真實驗的方法，此方式可部分替代實驗，靈活性較好且交互性強。此外，在課程中引入FPGA 開發(fā)板進(jìn)行實驗教學(xué)是另一種新的嘗試，該方法使學(xué)生在機器級代碼的調(diào)試執(zhí)行中加強對計算機底層工作原理的理解。但這些方法也存在明顯不足，例如Proteus 軟件只能模擬8086CPU 和8250/8251 芯片，技術(shù)上較為落后，無法解決實驗擴展性和實驗?zāi)Ｊ讲蛔愕膯栴}。并且，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，需要長時間學(xué)習(xí)操作手冊，在教學(xué)課時有限的情況下，若學(xué)生基礎(chǔ)較差，則難以完成接口實驗。

為解決上述問題，本文方法不依賴于8086 平臺，而通過借助Windows 平臺實現(xiàn)更貼近實際應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)，且無需花費時間學(xué)習(xí)FPGA 開發(fā)，更容易實施實驗設(shè)計。

2 實驗設(shè)計整體思路

2.1 基本架構(gòu)

實驗設(shè)計從“兩性一度”的角度出發(fā)，將課堂講授的接口技術(shù)原理和最新的工程實踐相結(jié)合。提供半命題式題目設(shè)計，讓學(xué)生自主確定研究內(nèi)容和結(jié)果展現(xiàn)方式，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。對自主選定的研究對象，通過查詢資料，運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識設(shè)計實驗方案，搭建實驗系統(tǒng)，完成應(yīng)用程序的開發(fā)和測試。實驗設(shè)計的整體架構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 Overall architecture of experimental design圖1 實驗設(shè)計整體架構(gòu)

為突破教材限制，本文在采用常見的USB 轉(zhuǎn)串口連接線之外，還引入了虛擬串口軟件和藍(lán)牙串口的連接方式。虛擬串口軟件可使沒有串口的電腦模擬出一對一的虛擬串口，方便學(xué)生進(jìn)行軟件開發(fā)調(diào)試試驗，無需借助外部硬件，實驗成本較低。然而，越來越多的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持藍(lán)牙連接，采用藍(lán)牙串口可實現(xiàn)無線連接外設(shè)并進(jìn)行控制。通過引入這兩種新的連接方式，可擴展學(xué)生的研究范圍。

學(xué)生可根據(jù)自身興趣和能力水平選擇不同難度的實驗對象，設(shè)計實驗系統(tǒng)。所選擇的實驗對象都密切結(jié)合計算機專業(yè)未來的就業(yè)方向，其中部分實驗對象直接來源于科研工作。學(xué)生可通過實驗更好地了解計算機接口技術(shù)對本專業(yè)的支撐作用，也為未來進(jìn)一步深造或就業(yè)奠定基礎(chǔ)。

2.2 虛擬串口技術(shù)

虛擬串口驅(qū)動程序是一個標(biāo)準(zhǔn)的Windows 設(shè)備驅(qū)動程序，它面向串口用戶程序提供虛擬串口設(shè)備接口。通過模擬標(biāo)準(zhǔn)串口方式實現(xiàn)讀寫控制操作，從用戶角度來看，虛擬串口的使用與普通串口沒有任何區(qū)別。虛擬串口工具大致可以分為以下兩種類型：

2.2.1 互聯(lián)型

在一臺計算機上創(chuàng)建一對虛擬串口，由于虛擬串口軟件將兩個虛擬串口相互連接，因此向其中任意一個虛擬串口發(fā)送數(shù)據(jù)都會被另外一個虛擬串口同步接收。該模式可實現(xiàn)在同一臺計算機上模擬雙機通信，這也是課程實驗中最為普遍的模式之一。

2.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)型

虛擬串口工具可將收發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該模式有兩種常見用途：①轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)兩臺電腦的數(shù)據(jù)傳輸；②可支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用程序進(jìn)行通信。

虛擬串口軟件有許多，本文采用com0com 軟件，該軟件支持互聯(lián)型和轉(zhuǎn)發(fā)型兩種工作模式。實驗要求學(xué)生開發(fā)串口應(yīng)用程序，通過虛擬串口和模擬應(yīng)用程序建立通信，完成數(shù)據(jù)收發(fā)功能。圖2為虛擬串口應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

Fig.2 Virtual serial port application structure圖2 虛擬串口應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2.3 藍(lán)牙串口技術(shù)

藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，具有成本低、功耗小、傳輸速率高等優(yōu)勢，但傳統(tǒng)藍(lán)牙通信的協(xié)議復(fù)雜，不易操作。藍(lán)牙串口模塊正是結(jié)合串口通信和藍(lán)牙通信的產(chǎn)物，在上位機的程序開發(fā)過程中直接調(diào)用虛擬串口即可實現(xiàn)無線通信。

2.4 編程環(huán)境設(shè)置

本課程以匯編語言為主講授CPU 的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理，在接口及應(yīng)用部分也采用了匯編語言進(jìn)行講解。MASM for Windows 實驗環(huán)境是目前在計算機原理與應(yīng)用教學(xué)中所普遍使用的匯編語言開發(fā)工具。該實驗環(huán)境借助DOSBox 軟件進(jìn)行的編譯和運行。DOSXBox 仿真的串行通信及接口芯片型號為8250，芯片提供了4 個串口，COM1-COM4對應(yīng)的端口基地址分別為3F8H、2F8H、3E8H和2E8H。若在MASM for Windows 實驗環(huán)境中訪問串口，則需要修改JMSoftMasm 目錄下的basic.conf 文件，將“serial1=dummy”語句改為“serial1=directserial realport：COM1”。其中，COM1代表計算機的串口1。

由于匯編語言不適合編寫較長的程序，對開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序具有一定局限性。因此，在串口通信實驗中，允許學(xué)生自由選擇編程語言進(jìn)行實驗。表1 為某教學(xué)班學(xué)生自主選擇編程語言的情況。

由表1 可見，選擇Python 語言的學(xué)生最多，因為Python語言處理數(shù)據(jù)具有明顯的優(yōu)勢，語法簡單，易于上手。但Python 語言本身不具備串口讀寫能力，需要借助第三方庫pyserial。此外，仍有少部分同學(xué)使用匯編語言，希望從底層開始熟悉串口通信程序設(shè)計。

Table 1 Selection of experimental programming language表1 實驗編程語言的選擇情況

3 實驗案例設(shè)計

3.1 基于虛擬串口的GPS計算機

為了使學(xué)生的應(yīng)用程序符合實際應(yīng)用需求，選取開源軟件gpsfeed+模擬GPS 接收機，輸出指定位置、指定運動軌跡的GPS坐標(biāo)。由圖3可見，在該軟件的設(shè)置界面中，將選擇連接方式設(shè)置為串口，設(shè)置串口參數(shù)，并將gpsfeed+的串口輸出設(shè)置為COM2 口，通過COM1 口讀取GPS 模擬數(shù)據(jù)。由圖4 可見，當(dāng)點擊主界面的開始按鈕后，即開始模擬GPS接收機的數(shù)據(jù)。

Fig.3 Set the serial port parameters of gpsfeed+圖3 設(shè)置gpsfeed+串口參數(shù)

Fig.4 Gpsfeed+simulation generated圖4 gpsfeed+模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)

如圖5 所示，當(dāng)運行學(xué)生編寫的GPS 接收程序就可顯示所接收的數(shù)據(jù)，通過對gpsfeed+Monitor 窗口顯示的發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可驗證程序的正確性。此外，鼓勵學(xué)生采用各種方式，展示數(shù)據(jù)。圖6 為某同學(xué)采用Web 技術(shù)在百度地圖上顯示了所接收的GPS 數(shù)據(jù)，該技術(shù)與GPS 模擬接收機類似，可采用OpenSkipper模擬通用船載自動識別系統(tǒng)（Automatic Dentification System，AIS）。其中，AIS 是一種利用海上VHF 頻段的船載航行信息交換設(shè)備，數(shù)據(jù)格式遵從ITU-R M.1371-2，該系統(tǒng)不僅能自動發(fā)出本船的相關(guān)信息，還可以接收周圍其它船舶發(fā)出的信息。

Fig.5 GPS receiving program operation result圖5 GPS接收程序運行效果

Fig.6 Using Web technology to display the received GPS data圖6 采用Web技術(shù)顯示接收到的GPS數(shù)據(jù)

3.2 YModem協(xié)議傳輸軟件

YModem 是一種在串口通信中廣泛使用的異步文件傳輸協(xié)議，協(xié)議格式簡單，可完成文件傳輸?shù)裙ぷ?，適合剛?cè)腴T的學(xué)生學(xué)習(xí)。在實驗中可使用Xshell、Tera Term 等軟件配合學(xué)生進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。

3.3 藍(lán)牙串口實驗

最基本的藍(lán)牙串口實驗是安卓手機上的藍(lán)牙串口助手，電腦和手機可借助藍(lán)牙串口實現(xiàn)簡單的文本消息收發(fā)。進(jìn)階實驗設(shè)計是采用帶藍(lán)牙功能的ESP32 開發(fā)板，雖然ESP32 支持物理串口和USB 轉(zhuǎn)串口，但由于大多數(shù)ESP32 開發(fā)板不夠堅固，頻繁進(jìn)行插拔會降低使用壽命，采用藍(lán)牙串口可以有效減少設(shè)備的人為損壞?，F(xiàn)階段ESP32 設(shè)計實驗有以下兩種方式：①教師完成ESP32 開發(fā)板的連線和腳本編寫，學(xué)生完成計算機軟件開發(fā)，通過藍(lán)牙串口發(fā)送命令控制開發(fā)板的LED 燈或外部設(shè)備，該設(shè)計對學(xué)生而言難度較低；②由學(xué)生自行連線，完成腳本編寫，該設(shè)計要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)ESP32 的開發(fā)，花費時間較多，但激發(fā)了學(xué)生的自主性和想象力，適合學(xué)有余力的學(xué)生。

4 結(jié)語

本文在計算機原理與應(yīng)用課程中引入OBE 教學(xué)理念，結(jié)合虛擬串口技術(shù)和藍(lán)牙串口擴展了串口通信教學(xué)的實驗內(nèi)容，突破了現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和手段的局限性。將實驗設(shè)計和應(yīng)用場景相結(jié)合，拓展了學(xué)生的視野，有助于提高學(xué)生綜合運用理論知識解決實際問題的能力。教學(xué)實踐表明，學(xué)生的主動性明顯增強，學(xué)生對計算機串口通信的理解顯著加深，最直觀的表現(xiàn)為期末筆試中串口通信相關(guān)內(nèi)容的平均得分提升了1.2 分，評教分?jǐn)?shù)提升至96 分以上。在今后的教學(xué)中，嘗試將教學(xué)和科研、競賽、相關(guān)課程等相互結(jié)合，進(jìn)一步提升實驗教學(xué)對學(xué)生的引導(dǎo)作用。