嵌入式系统创新与开放实验教学平台浅析

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摘要：为了提高嵌入式系统实验自主创新性，构建实验资源化开放型实验教学平台，该平台为学生实验、实践提供全面服务。本文结合自动化专业工程应用背景，讨论全新的嵌入式系统实验平台建设方案，探索智能化开放式实验室管理机制，形成以信息化、服务型、先进性为特色的实验教学改革思路，以此激发学生对嵌入式系统学习的潜力。

关键词：嵌入式系统；实验平台建设；开放实验室；教学改革

0前言

随着嵌入式技术的发展，推动社会对专业人才的需求，传统的人才培养模式存在众多的弊端，嵌入式技术正在成为高校电气信息类专业计算机硬件课程体系的核心内容之一，为更好、更经济地培养技术人员，嵌入式系统课程内容具有应用性强、设涉及领域广、技术更新快等特点，所以在国内各类高校对嵌入式系统课程的理论教学与实践环节进行许多探索，嵌入式系统是将先进的计算机、半导体、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，是面向特定应用设计的专用计算机系统，被广泛地应用于国民经济的各个行业[1-2]。典型包含嵌入式系统设备包括：智能家电、汽车、工业自动化机器人等设备。嵌入式系统及应用实验是自动化专业的一门重要的实践创新课程，要求学生掌握嵌入式系统的开发技术，能在今后实际工程中自如地运用嵌入式系统[3-5]。

1嵌入式系统实验课程现状

目前大多数高校嵌入式系统及应用实验，不论是从实验设备，还是从教学和管理模式上都有长足的进步和发展，实践环节较之前已有大幅改善[6-7]。但实验内容设计还停留在实验箱演示实验，与工程实际联系较少，学生缺乏独立自主地开发完备嵌入式系统的能力，这样的培养方式难以适应人才发展的要求[8-9]。我院自动化专业“嵌入式系统及应用（双语）实验”经过两年的发展，已初见成效。但实验资源也仅能满足基本的课程实验要求，同样存在学生综合创新能力偏弱的问题、以及实验室对开放性实验的机制还不够完善，智能化实验室管理平台不够完备；在授课形式、实验内容设计、激励创新等方面还有待突破和提高。2实验平台建设的目标实验室本着以满足学生实践、创新、创业的需求，实现实验教育信息化的目标，达到建设自动化“一流”专业的要求，建设具有信息化、服务型、先进性特色的嵌入式系统实验教学平台；同时对实验室进行改造升级，实现无人值守、智能管理的目标。该平台主要支撑自动化专业核心课程嵌入式系统及应用、嵌入式系统课程设计以及学生的竞赛、创新实践、创业项目等内容。

3实验平台建设方案

以“构建网络化、数字化、个性化、模块化的开放式嵌入式系统实验教学平台，为学生嵌入式系统的学习、实践、创新、工程应用全面服务”为平台建设目标。平台建设方案主要从三方面讨论即：实验资源的模块化建设、实验教学的体系化建设、实验管理的智能化建设。实验平台建设体系结构如图1所示。

实验资源模块化建设，由丰富多彩的元器件、功能模块、系统模块构成实验模块化资源池，学生可在资源池中依据自己的兴趣、特长选取实验模块，搭建自己专属的嵌入式系统实验平台；

实验课程体系建设，由“基础功能实验、系统实践实验、创新项目实验、创意设计实验”等四部分构成。其中基础功能实验主要使学生掌握开发环境与开发流程；系统实践实验着重培养学生的实际动手能力和应用程序设计方法；创新项目实验着重培养学生的工程项目素养；创意设计实验主要发挥学生的创意想象，在教师给出的实验素材上，设计实现自己专属的嵌入式系统；

实验管理智能化建设，实验教学平台在实验课程体系的每部分提供了形式多样、内容丰富的实验项目，并由实验团队教师录制成视频，在实验教学网站上组成实验项目教学视频库；学生可根据自己的兴趣爱好、掌握程度、以及学时要求自由搭配选择四部分的实验项目内容，并通过平台网站预约系统在实验室完成实验内容。最终教师以学生在创意项目答辩中的表现及提交的项目报告给出综合评判。

3.1实验资源模块化建设

嵌入式系统实验及创新实践活动的开展需依托硬件平台，种类丰富多样的实验资源能极大拓展学生的想象力和创造力，充分调动学生的自主能动性，激发出学生创新实践的热情[10-12]。实验资源的模块化、标准化有利于快速、高效、灵活地构建嵌入式系统，学生可在实验资源池中自由组合、灵活选择功能外设、被控对象、元器件等实验元素，搭建满足设计内容要求的实验平台。为满足嵌入式系统实践实验、创新实验项目、创意设计实验的需求，资源池以嵌入式系统控制板为核心，构建功能系列模块，包括蓝牙模块、WiFi模块、物联网模块、指纹识别模块、液晶屏、摄像头等，构建可编程开发的系统平台系列模块，包括全向机器人、平衡小车、小型机器人、四旋翼飞行器等，还构建了被控对象系列模块，包括交流电机、直流电机、步进电机等，常用元器件、实验耗材及测试测量设备也纳入实验模块化资源池，以满足学生创新实践的要求。资源池中的模块向学生开放，由管理系统统筹安排，统一调配。实验资源池模块展示如图2所示。

3.2实验课程体系建设

3.2.1基础功能实验。围绕嵌入式系统Stm32系列开发板设计的功能性实验，通过此类实验，使学生熟悉编程语言，掌握开发环境与开发流程，了解嵌入式系统芯片硬件资源。实验平台可支持6个实验，学生可根据学时要求自由选择实验，可选实验内容如表1所示：3.2.2系统实践实验。以Stm32系列ARM开发板为核心，配备功能模块，例如：温度传感器、超声波测距模块、摄像头等，让学生实践一个嵌入式的小系统，使学生学会应用硬件外设，掌握编程技巧。表2为实验平台所支持的系统实践实验；3.2.3创新项目实验。以实际完备的嵌入式系统项目为蓝本，例如，电动车电机控制系统、LED节能灯系统、指纹识别系统等，让学生体验一个完整的嵌入式系统项目，掌握嵌入式系统项目开发流程及设计思路，可选项目如表3所示；3.2.4创意设计实验。向学生全面开放实验元素资源池，由学生自由选择功能模块或系统平台，自由设计系统功能，自由发挥自己的创意，最后通过设计系统的演示答辩及每个实验的实验报告给出综合评判。该实验体系让学生由基础功能实验起步，到系统实践实验巩固，再到创新项目实验开拓思路，最后通过创意设计实验完全发挥出学生的自主能动性和创新性。

3.3实验管理智能化建设

嵌入式系统服务式创新开放实验教学平台实现开放、智能化管理，服务于学生，实验管理过程如表4所示。3.3.1实验教学开放共享视频库等资源建设。主要针对基础功能模块，录制完整实验视频，组成教学视频库；创新实践模块可增加项目讨论区，学生可上传自己实验视频，与学生和教师发帖讨论；3.3.2实验平台预约系统建设。学生通过网络预约时间和实验室机位，高效实验室管理程序；3.3.3资源池管理系统建设。系统主要完成资源池实验硬件和软件资源学生网上申请，实验教师确认，并将实验器材放入实验室资源自提柜，通过网络平台回复学生，学生通过自提码提取。实现无人值守智能化实验管理模式；3.3.4实验教学管理系统建设。完成实验报告上传提交，及教师在线成绩评价。

4实验教学方法改革特色

4.1以实验室为基地创造科研环境，吸取中青年教师

进入实验室从事科研活动，指导实验，由于开放式实验通常是在课后进行，且随机性较强，所以按部就班地安排开放实验教学是不可行的，因此针对开放性实验指导教师不足问题，可通过创造科研环境吸引教师进入实验室从事科研活动的方式，充实开放实验的指导教师队伍；

4.2分阶段对学生的实验结果进行考核制度

开放实验具有随机性强和难度较大的特点，若没有合适的管理方法，可能导致实验不能达到预想的效果，甚至最后不了了之，所以嵌入式系统教学方法改革的重点就是让学生成为实验教学的中心，学生可通过实验平台网站观看实验教学视频获取实验内容。根据教学时间节点，通过网络平台预约系统，自行安排实验时间，独立完成实验项目。实验课程的教师将退居次要角色，引导学生设计实验过程。在保证满足学时要求的情况下，学生依据自己的兴趣、喜好自由选择实验项目中的实验。从资源池中任意选择功能模块，根据自己意愿设计丰富多彩的嵌入式系统。

5结语

为让学生充分认识、了解、掌握嵌入式系统，实验平台特别增添功能外设、被控对象、元器件等实验元素，构成实验资源池，用于组合、搭建更加丰富、灵活的实验硬件平台；构建嵌入式系统实验体系，让学生由基础功能实验起步，到系统实践实验巩固，再到创新项目实验开拓思路，最后通过创意设计实验完全发挥出学生的自主能动性；并设计全新的实验教学方法，将实验的视频教学、网上预约、答辩考核等各个环节有机地联系起来，建立完整的嵌入式系统实验教学平台。平台以认知嵌入式系统实验实践创新课程为主体，改变以往实验课教学模式，构建一种以学生为主导、智能化服务学生的实验教学。课程通过难易分级的实验项目，以全面开放的实验教学视频、实验设备及实验场地，让学生最大程度发挥自主能动性和创新性。

作者:刘文泉 单位:西北工业大学自动化学院