嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新與開放實驗教學(xué)平臺淺析

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摘要：為了提高嵌入式系統(tǒng)實驗自主創(chuàng)新性，構(gòu)建實驗資源化開放型實驗教學(xué)平臺，該平臺為學(xué)生實驗、實踐提供全面服務(wù)。本文結(jié)合自動化專業(yè)工程應(yīng)用背景，討論全新的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺建設(shè)方案，探索智能化開放式實驗室管理機制，形成以信息化、服務(wù)型、先進性為特色的實驗教學(xué)改革思路，以此激發(fā)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的潛力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實驗平臺建設(shè)；開放實驗室；教學(xué)改革

0前言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，推動社會對專業(yè)人才的需求，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式存在眾多的弊端，嵌入式技術(shù)正在成為高校電氣信息類專業(yè)計算機硬件課程體系的核心內(nèi)容之一，為更好、更經(jīng)濟地培養(yǎng)技術(shù)人員，嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容具有應(yīng)用性強、設(shè)涉及領(lǐng)域廣、技術(shù)更新快等特點，所以在國內(nèi)各類高校對嵌入式系統(tǒng)課程的理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)進行許多探索，嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機、半導(dǎo)體、電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是面向特定應(yīng)用設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)[1-2]。典型包含嵌入式系統(tǒng)設(shè)備包括：智能家電、汽車、工業(yè)自動化機器人等設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用實驗是自動化專業(yè)的一門重要的實踐創(chuàng)新課程，要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，能在今后實際工程中自如地運用嵌入式系統(tǒng)[3-5]。

1嵌入式系統(tǒng)實驗課程現(xiàn)狀

目前大多數(shù)高校嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用實驗，不論是從實驗設(shè)備，還是從教學(xué)和管理模式上都有長足的進步和發(fā)展，實踐環(huán)節(jié)較之前已有大幅改善[6-7]。但實驗內(nèi)容設(shè)計還停留在實驗箱演示實驗，與工程實際聯(lián)系較少，學(xué)生缺乏獨立自主地開發(fā)完備嵌入式系統(tǒng)的能力，這樣的培養(yǎng)方式難以適應(yīng)人才發(fā)展的要求[8-9]。我院自動化專業(yè)“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用（雙語）實驗”經(jīng)過兩年的發(fā)展，已初見成效。但實驗資源也僅能滿足基本的課程實驗要求，同樣存在學(xué)生綜合創(chuàng)新能力偏弱的問題、以及實驗室對開放性實驗的機制還不夠完善，智能化實驗室管理平臺不夠完備；在授課形式、實驗內(nèi)容設(shè)計、激勵創(chuàng)新等方面還有待突破和提高。2實驗平臺建設(shè)的目標(biāo)實驗室本著以滿足學(xué)生實踐、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的需求，實現(xiàn)實驗教育信息化的目標(biāo)，達到建設(shè)自動化“一流”專業(yè)的要求，建設(shè)具有信息化、服務(wù)型、先進性特色的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺；同時對實驗室進行改造升級，實現(xiàn)無人值守、智能管理的目標(biāo)。該平臺主要支撐自動化專業(yè)核心課程嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計以及學(xué)生的競賽、創(chuàng)新實踐、創(chuàng)業(yè)項目等內(nèi)容。

3實驗平臺建設(shè)方案

以“構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化、模塊化的開放式嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新、工程應(yīng)用全面服務(wù)”為平臺建設(shè)目標(biāo)。平臺建設(shè)方案主要從三方面討論即：實驗資源的模塊化建設(shè)、實驗教學(xué)的體系化建設(shè)、實驗管理的智能化建設(shè)。實驗平臺建設(shè)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實驗資源模塊化建設(shè)，由豐富多彩的元器件、功能模塊、系統(tǒng)模塊構(gòu)成實驗?zāi)K化資源池，學(xué)生可在資源池中依據(jù)自己的興趣、特長選取實驗?zāi)K，搭建自己專屬的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺；

實驗課程體系建設(shè)，由“基礎(chǔ)功能實驗、系統(tǒng)實踐實驗、創(chuàng)新項目實驗、創(chuàng)意設(shè)計實驗”等四部分構(gòu)成。其中基礎(chǔ)功能實驗主要使學(xué)生掌握開發(fā)環(huán)境與開發(fā)流程；系統(tǒng)實踐實驗著重培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和應(yīng)用程序設(shè)計方法；創(chuàng)新項目實驗著重培養(yǎng)學(xué)生的工程項目素養(yǎng)；創(chuàng)意設(shè)計實驗主要發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)意想象，在教師給出的實驗素材上，設(shè)計實現(xiàn)自己專屬的嵌入式系統(tǒng)；

實驗管理智能化建設(shè)，實驗教學(xué)平臺在實驗課程體系的每部分提供了形式多樣、內(nèi)容豐富的實驗項目，并由實驗團隊教師錄制成視頻，在實驗教學(xué)網(wǎng)站上組成實驗項目教學(xué)視頻庫；學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛好、掌握程度、以及學(xué)時要求自由搭配選擇四部分的實驗項目內(nèi)容，并通過平臺網(wǎng)站預(yù)約系統(tǒng)在實驗室完成實驗內(nèi)容。最終教師以學(xué)生在創(chuàng)意項目答辯中的表現(xiàn)及提交的項目報告給出綜合評判。

3.1實驗資源模塊化建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)實驗及創(chuàng)新實踐活動的開展需依托硬件平臺，種類豐富多樣的實驗資源能極大拓展學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，充分調(diào)動學(xué)生的自主能動性，激發(fā)出學(xué)生創(chuàng)新實踐的熱情[10-12]。實驗資源的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化有利于快速、高效、靈活地構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，學(xué)生可在實驗資源池中自由組合、靈活選擇功能外設(shè)、被控對象、元器件等實驗元素，搭建滿足設(shè)計內(nèi)容要求的實驗平臺。為滿足嵌入式系統(tǒng)實踐實驗、創(chuàng)新實驗項目、創(chuàng)意設(shè)計實驗的需求，資源池以嵌入式系統(tǒng)控制板為核心，構(gòu)建功能系列模塊，包括藍牙模塊、WiFi模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、指紋識別模塊、液晶屏、攝像頭等，構(gòu)建可編程開發(fā)的系統(tǒng)平臺系列模塊，包括全向機器人、平衡小車、小型機器人、四旋翼飛行器等，還構(gòu)建了被控對象系列模塊，包括交流電機、直流電機、步進電機等，常用元器件、實驗耗材及測試測量設(shè)備也納入實驗?zāi)K化資源池，以滿足學(xué)生創(chuàng)新實踐的要求。資源池中的模塊向?qū)W生開放，由管理系統(tǒng)統(tǒng)籌安排，統(tǒng)一調(diào)配。實驗資源池模塊展示如圖2所示。

3.2實驗課程體系建設(shè)

3.2.1基礎(chǔ)功能實驗。圍繞嵌入式系統(tǒng)Stm32系列開發(fā)板設(shè)計的功能性實驗，通過此類實驗，使學(xué)生熟悉編程語言，掌握開發(fā)環(huán)境與開發(fā)流程，了解嵌入式系統(tǒng)芯片硬件資源。實驗平臺可支持6個實驗，學(xué)生可根據(jù)學(xué)時要求自由選擇實驗，可選實驗內(nèi)容如表1所示：3.2.2系統(tǒng)實踐實驗。以Stm32系列ARM開發(fā)板為核心，配備功能模塊，例如：溫度傳感器、超聲波測距模塊、攝像頭等，讓學(xué)生實踐一個嵌入式的小系統(tǒng)，使學(xué)生學(xué)會應(yīng)用硬件外設(shè)，掌握編程技巧。表2為實驗平臺所支持的系統(tǒng)實踐實驗；3.2.3創(chuàng)新項目實驗。以實際完備的嵌入式系統(tǒng)項目為藍本，例如，電動車電機控制系統(tǒng)、LED節(jié)能燈系統(tǒng)、指紋識別系統(tǒng)等，讓學(xué)生體驗一個完整的嵌入式系統(tǒng)項目，掌握嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)流程及設(shè)計思路，可選項目如表3所示；3.2.4創(chuàng)意設(shè)計實驗。向?qū)W生全面開放實驗元素資源池，由學(xué)生自由選擇功能模塊或系統(tǒng)平臺，自由設(shè)計系統(tǒng)功能，自由發(fā)揮自己的創(chuàng)意，最后通過設(shè)計系統(tǒng)的演示答辯及每個實驗的實驗報告給出綜合評判。該實驗體系讓學(xué)生由基礎(chǔ)功能實驗起步，到系統(tǒng)實踐實驗鞏固，再到創(chuàng)新項目實驗開拓思路，最后通過創(chuàng)意設(shè)計實驗完全發(fā)揮出學(xué)生的自主能動性和創(chuàng)新性。

3.3實驗管理智能化建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)服務(wù)式創(chuàng)新開放實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)開放、智能化管理，服務(wù)于學(xué)生，實驗管理過程如表4所示。3.3.1實驗教學(xué)開放共享視頻庫等資源建設(shè)。主要針對基礎(chǔ)功能模塊，錄制完整實驗視頻，組成教學(xué)視頻庫；創(chuàng)新實踐模塊可增加項目討論區(qū)，學(xué)生可上傳自己實驗視頻，與學(xué)生和教師發(fā)帖討論；3.3.2實驗平臺預(yù)約系統(tǒng)建設(shè)。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約時間和實驗室機位，高效實驗室管理程序；3.3.3資源池管理系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)主要完成資源池實驗硬件和軟件資源學(xué)生網(wǎng)上申請，實驗教師確認，并將實驗器材放入實驗室資源自提柜，通過網(wǎng)絡(luò)平臺回復(fù)學(xué)生，學(xué)生通過自提碼提取。實現(xiàn)無人值守智能化實驗管理模式；3.3.4實驗教學(xué)管理系統(tǒng)建設(shè)。完成實驗報告上傳提交，及教師在線成績評價。

4實驗教學(xué)方法改革特色

4.1以實驗室為基地創(chuàng)造科研環(huán)境，吸取中青年教師

進入實驗室從事科研活動，指導(dǎo)實驗，由于開放式實驗通常是在課后進行，且隨機性較強，所以按部就班地安排開放實驗教學(xué)是不可行的，因此針對開放性實驗指導(dǎo)教師不足問題，可通過創(chuàng)造科研環(huán)境吸引教師進入實驗室從事科研活動的方式，充實開放實驗的指導(dǎo)教師隊伍；

4.2分階段對學(xué)生的實驗結(jié)果進行考核制度

開放實驗具有隨機性強和難度較大的特點，若沒有合適的管理方法，可能導(dǎo)致實驗不能達到預(yù)想的效果，甚至最后不了了之，所以嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法改革的重點就是讓學(xué)生成為實驗教學(xué)的中心，學(xué)生可通過實驗平臺網(wǎng)站觀看實驗教學(xué)視頻獲取實驗內(nèi)容。根據(jù)教學(xué)時間節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)約系統(tǒng)，自行安排實驗時間，獨立完成實驗項目。實驗課程的教師將退居次要角色，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗過程。在保證滿足學(xué)時要求的情況下，學(xué)生依據(jù)自己的興趣、喜好自由選擇實驗項目中的實驗。從資源池中任意選擇功能模塊，根據(jù)自己意愿設(shè)計豐富多彩的嵌入式系統(tǒng)。

5結(jié)語

為讓學(xué)生充分認識、了解、掌握嵌入式系統(tǒng)，實驗平臺特別增添功能外設(shè)、被控對象、元器件等實驗元素，構(gòu)成實驗資源池，用于組合、搭建更加豐富、靈活的實驗硬件平臺；構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)實驗體系，讓學(xué)生由基礎(chǔ)功能實驗起步，到系統(tǒng)實踐實驗鞏固，再到創(chuàng)新項目實驗開拓思路，最后通過創(chuàng)意設(shè)計實驗完全發(fā)揮出學(xué)生的自主能動性；并設(shè)計全新的實驗教學(xué)方法，將實驗的視頻教學(xué)、網(wǎng)上預(yù)約、答辯考核等各個環(huán)節(jié)有機地聯(lián)系起來，建立完整的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺。平臺以認知嵌入式系統(tǒng)實驗實踐創(chuàng)新課程為主體，改變以往實驗課教學(xué)模式，構(gòu)建一種以學(xué)生為主導(dǎo)、智能化服務(wù)學(xué)生的實驗教學(xué)。課程通過難易分級的實驗項目，以全面開放的實驗教學(xué)視頻、實驗設(shè)備及實驗場地，讓學(xué)生最大程度發(fā)揮自主能動性和創(chuàng)新性。

作者:劉文泉 單位:西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院