嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)研究

況立群　張元　李順增　韓慧妍

摘 要： 嵌入式系統(tǒng)課程群在實踐教學(xué)中存在設(shè)備種類繁雜、設(shè)備更新不及時等問題，這些問題對人才培養(yǎng)十分不利。為此提出以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程群的信息化實驗教學(xué)資源為重點，以建設(shè)開放型、先進型、創(chuàng)新型以及易管理、維護型實驗項目為目標，進行虛擬仿真類實驗教學(xué)信息化建設(shè)。虛擬仿真實踐教學(xué)克服了諸多條件的限制，豐富了實踐性教學(xué)手段，提高了實踐教學(xué)效率，降低了實驗室建設(shè)與維護成本，有利于現(xiàn)代實驗教學(xué)觀念的更新。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 實踐教學(xué)； 虛擬仿真； 教學(xué)資源

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）06-95-03

Abstract： There are many problems in the practical teaching of embedded system course group， such as the complexity of equipment types， the equipments not updated and so on， these problems are very unfavorable to the cultivation of talents. Aiming at these problems， the construction of virtual simulation practical teaching platform is put forward， to share high quality resources of experiment teaching as the core， to construct of informationization resources of experiment teaching for embedded system course group as the focus， to construct experiment projects of open， advanced， innovative and easy to manage and maintenance as the goal. Virtual simulation practical teaching overcomes many limitations， enriches the means of practical teaching， improves the efficiency of practical teaching， reduces the cost of laboratory construction and maintenance， and is beneficial to the idea renewal of modern experiment teaching.

Key words： embedded system； experiment teaching； virtualization and simulation； teaching resources

0 引言

當今社會，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們工作、生活中的各個領(lǐng)域，幾乎所有的電子設(shè)備都有嵌入式系統(tǒng)的影子[1]。嵌入式系統(tǒng)涵蓋了微機原理及接口技術(shù)、單片機原理及應(yīng)用、計算機組成原理、匯編語言程序設(shè)計、操作系統(tǒng)、嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、C語言程序設(shè)計、匯編程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機接口、軟件技術(shù)等多門課內(nèi)容，因此，嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)顯得尤為重要。各高校逐步建立起嵌入式系統(tǒng)實驗室，但嵌入式系統(tǒng)涉及的硬件種類繁多，由于資金的限制，不可能在一個實驗室囊括所有種類的嵌入式設(shè)備。因此，很多實驗項目都需要相應(yīng)的虛擬仿真設(shè)備作為支撐，以虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)實驗的重要補充，克服了諸多條件限制，豐富了實踐性教學(xué)的手段，提高了實踐教學(xué)效率，降低了實驗室建設(shè)與維護成本，有利于現(xiàn)代實驗教學(xué)觀念的更新[2]。

1 嵌入式系統(tǒng)課程群在實踐教學(xué)中存在的問題

我們分析了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程群實踐教學(xué)的現(xiàn)狀，歸納其存在的主要問題有以下幾個方面。

⑴ 實驗項目類型單一，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣及創(chuàng)新思維能力。

學(xué)生對某一課程的興趣往往需要豐富的實驗項目才能帶動，但現(xiàn)有的課程實驗受限于硬件設(shè)備，驗證性實驗項目偏多，而設(shè)計性及綜合性實驗項目缺乏，故難以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，其創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)也同樣受到限制。

⑵ 實驗內(nèi)容彼此孤立，不利于培養(yǎng)學(xué)生“從概念到產(chǎn)品”認識的形成。

現(xiàn)有的各種教學(xué)實驗，基本是固定程式的驗證式實驗，實驗所用元器件、線路板已選好，學(xué)生所做的工作僅是對實驗箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立相應(yīng)知識點的概念而已。這樣的實驗很難滿足現(xiàn)代實驗教學(xué)改革提出的三個實驗層次即“基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗”的目標。目前的實驗平臺不能滿足這樣的訓(xùn)練，即：學(xué)生從有一個概念（或想法）開始，然后著手電路原理圖的設(shè)計、編寫程序代碼、調(diào)試，最后形成產(chǎn)品的整個開發(fā)過程的訓(xùn)練。學(xué)生通過傳統(tǒng)實驗手段所得到的訓(xùn)練是片面的、局部的，其對產(chǎn)品開發(fā)過程的認識并不深刻，這也是導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)不能所用的根本原因所在[3]。

⑶ 硬件設(shè)備種類繁雜，致使難以開展綜合性的軟件開發(fā)實驗項目。

高層次軟件設(shè)計和開發(fā)一般不用太多考慮底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)，如果處于一個具體的硬件環(huán)境下，在開發(fā)和研究中可能會陷入硬件的具體細節(jié)中，而不能把精力放到高層次的軟件設(shè)計和開發(fā)上。如果硬件開發(fā)環(huán)境不太穩(wěn)定（這種情況經(jīng)常見到），且對具體的硬件又不是很了解，則可能在排除問題上花費大量的時間。

⑷ 新式設(shè)備層出不窮，難以保持實驗室設(shè)備的先進性，設(shè)備需持續(xù)投資。

⑸ 封閉式的實驗教學(xué)模式不利于提高實驗效果。

現(xiàn)有實驗室大多采取封閉式的實驗教學(xué)模式，即在規(guī)定的課時內(nèi)，在規(guī)定的場地內(nèi)，進行規(guī)定的實驗內(nèi)容（由于實驗設(shè)備能力的限制造成），這種封閉式的實驗教學(xué)模式，往往造成學(xué)生不能有足夠的時間深入了解及研究實驗內(nèi)容，進而對實驗產(chǎn)生興趣，而且固定式的驗證實驗內(nèi)容限制了學(xué)生的思維空間，扼殺了學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。因此，其實驗效果很難提高，這種做法實際上背離了現(xiàn)代實驗教學(xué)改革中提出的“優(yōu)化課內(nèi)，強化課外”的實驗教學(xué)意識[3]。

⑹ 不利于開展創(chuàng)新性研究。

開展創(chuàng)新性研究的前提是實驗環(huán)境的豐富資源及其靈活可變性。目前基于硬件的實驗平臺往往采取一種定式的實驗或研究環(huán)境，即師生只能在有限的幾種器件或線路實驗板之上進行實驗內(nèi)容的設(shè)定或研究，這對于開展創(chuàng)新性研究極為不利[3]。

2 嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗平臺建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)課程群的實驗教學(xué)改革勢在必行，而開展虛擬仿真類實驗教學(xué)研究是解決上述問題的有力手段。利用計算機虛擬仿真技術(shù)，建立電路分析、匯編程序設(shè)計、計算機組成、微機原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機接口、軟件技術(shù)等課程的虛擬仿真實驗教學(xué)資源。綜合一個計算機網(wǎng)絡(luò)硬件平臺（或一臺計算機）、一套虛擬仿真軟件，再加上一本虛擬實驗教程，以虛代實、以軟代硬，就可相當于一個設(shè)備先進的嵌入式系統(tǒng)實驗室。

我校嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗平臺建設(shè)堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想[4]，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，進行虛擬仿真類實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[5]。

⑴ 建設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真類實驗教學(xué)資源

依托中北大學(xué)國家級計算機及應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)中心，充分發(fā)揮計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)優(yōu)勢，高效整合現(xiàn)有的信息化實驗教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，創(chuàng)造性地建設(shè)與應(yīng)用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低實驗成本，開展綠色實驗教學(xué)。具體建設(shè)內(nèi)容為：①拓展嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗教學(xué)內(nèi)容，更新傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型實驗，開設(shè)綜合型創(chuàng)新型實驗；②結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程體系，制定新的實驗教學(xué)大綱，編寫新的實驗教材和實驗指導(dǎo)書；③將虛擬仿真類實踐教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力和動手能力。

⑵ 建設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真實驗教學(xué)管理與共享平臺

建設(shè)具有擴展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平臺，高效管理實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實驗教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多課程的虛擬仿真實驗教學(xué)的需求，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學(xué)服務(wù)支撐體系。虛擬仿真實驗教學(xué)資源管理與共享平臺的所有實驗數(shù)據(jù)都存儲在系統(tǒng)服務(wù)器上，管理人員和教師可在辦公室或宿舍通過網(wǎng)絡(luò)對虛擬儀器設(shè)備、實驗項目、實驗過程等進行管理監(jiān)控；教師還可以預(yù)約安排課內(nèi)實驗、設(shè)計并發(fā)布新的實驗項目、收集學(xué)生實驗過程的相關(guān)信息、評定學(xué)生實驗成績等；學(xué)生則可以預(yù)約課外實驗，既可以到實驗室進行現(xiàn)場實驗，又可以在其他機房或宿舍登錄系統(tǒng)進行實驗[6]。

⑶ 以科研項目為紐帶，建設(shè)創(chuàng)新型虛擬仿真實驗教學(xué)資源

利用科研項目及成果轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)軟件和教學(xué)儀器設(shè)備開設(shè)了有特色的自主實驗和創(chuàng)新實驗，讓學(xué)生在課余時間利用虛擬仿真平臺和教學(xué)儀器設(shè)備進行實驗，同時也滿足課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中對設(shè)計對象的仿真實驗要求。

工程創(chuàng)新實驗室面向全校優(yōu)秀學(xué)生，提供創(chuàng)新和開放實驗。成立創(chuàng)新小組，每年吐故納新，大四學(xué)生畢業(yè)、大二學(xué)生選拔加入，管理模式為學(xué)生自治，采用內(nèi)部優(yōu)勝劣汰。學(xué)生以2～5人為一組進行創(chuàng)新性實驗，以團隊自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，結(jié)合科研課題和相關(guān)競賽，形成了良性的競爭和團隊協(xié)作的運作機制。學(xué)生的工程實踐和科研創(chuàng)新能力得到了提升，教師的科研課題也得到了有力支持。科研成果開拓了學(xué)生視野、提升了知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)了綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與工程設(shè)計能力。

3 建設(shè)效果

中北大學(xué)計算機及應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)中心于2015年1月獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，中心深入研究虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)，并通過校企合作等方式探索虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的自主研發(fā)，研發(fā)了多套虛擬仿真實驗系統(tǒng)，并初步建立起了嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，取得了良好的效果。

⑴ 集開放性、先進性與創(chuàng)新性于一體

首先，虛擬仿真實驗項目不受空間與場地的限制，具有開放性；其次，虛擬設(shè)備可以定時更新升級，確保了虛擬設(shè)備始終與市場上的更換速度保持一致，確保了實驗設(shè)備的先進性；最后，大量綜合型及創(chuàng)新型實驗項目得以在虛擬環(huán)境中開展。

⑵ 拓展了實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能

某些實驗項目由于設(shè)備昂貴、經(jīng)費不足或?qū)嶒烅椖勘旧韮?nèi)容繁雜而無法正常開展，采用虛擬仿真實踐教學(xué)后，可以對真實設(shè)備進行虛擬仿真，同時也可簡化過于繁雜的實驗步驟，使實驗得以正常進行。

⑶ 虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方式減輕了實驗教學(xué)壓力，提高了實驗效果，并為學(xué)生的創(chuàng)新實驗提供了支持

我校是一所以工科為主的高校，盡管增加了實驗設(shè)備的臺套數(shù)，但由于招生規(guī)模擴大，仍不能滿足上機需求。學(xué)生在實驗室的時間有限，難以充分觀察、思考，沒有機會完成自主設(shè)計的實驗項目等問題，實驗效果不佳。利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生可“先虛擬、后實驗”，即在進實驗室前，利用虛擬仿真平臺和軟件，熟識儀器使用，理解實驗原理，預(yù)測實驗結(jié)果，做好真實實驗的準備工作；實驗后又可利用虛擬仿真平臺分析實驗數(shù)據(jù)與各種現(xiàn)象，效果很好；學(xué)生還可以在仿真平臺上，自主設(shè)計實驗項目，以提高自身的創(chuàng)新能力。

⑷ 降低了實驗室建設(shè)成本

與傳統(tǒng)實驗項目建設(shè)相比，虛擬仿真實驗不用購買昂貴的設(shè)備，只需一套虛擬仿真軟件，外加少量的實驗驗證板即可，大大降低了實驗室的維護費用。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)引入嵌入式系統(tǒng)課程群的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使得許多原來由硬件才能完成的功能，都能依靠軟件來實現(xiàn)，即“以虛代實”、“以軟代硬”、“虛實結(jié)合”，構(gòu)建了與真實環(huán)境一致的虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，完成了原有實驗難以實現(xiàn)或無法完成的功能，進一步培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力、動手能力和工程應(yīng)用能力，教學(xué)效果顯著。虛擬仿真實驗項目的開發(fā)是一個龐大的工程仍需進行深入探討。

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