嵌入式系統課程群虛擬仿真實踐教學平臺建設研究

況立群　張元　李順增　韓慧妍

摘 要： 嵌入式系統課程群在實踐教學中存在設備種類繁雜、設備更新不及時等問題，這些問題對人才培養十分不利。為此提出以共享優質實驗教學資源為核心，以建設嵌入式系統課程群的信息化實驗教學資源為重點，以建設開放型、先進型、創新型以及易管理、維護型實驗項目為目標，進行虛擬仿真類實驗教學信息化建設。虛擬仿真實踐教學克服了諸多條件的限制，豐富了實踐性教學手段，提高了實踐教學效率，降低了實驗室建設與維護成本，有利于現代實驗教學觀念的更新。

關鍵詞： 嵌入式系統； 實踐教學； 虛擬仿真； 教學資源

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，嵌入式系統已經滲透到人們工作、生活中的各個領域，幾乎所有的電子設備都有嵌入式系統的影子[1]。嵌入式系統涵蓋了微機原理及接口技術、單片機原理及應用、計算機組成原理、匯編語言程序設計、操作系統、嵌入式體系結構、嵌入式應用開發技術、C語言程序設計、匯編程序設計、網絡通信技術、人機接口、軟件技術等多門課內容，因此，嵌入式系統的實踐教學顯得尤為重要。各高校逐步建立起嵌入式系統實驗室，但嵌入式系統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備。因此，很多實驗項目都需要相應的虛擬仿真設備作為支撐，以虛擬仿真實驗作為傳統實驗的重要補充，克服了諸多條件限制，豐富了實踐性教學的手段，提高了實踐教學效率，降低了實驗室建設與維護成本，有利于現代實驗教學觀念的更新[2]。

1 嵌入式系統課程群在實踐教學中存在的問題

我們分析了嵌入式系統專業課程群實踐教學的現狀，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，不利于培養學生的實驗興趣及創新思維能力。

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

⑵ 實驗內容彼此孤立，不利于培養學生“從概念到產品”認識的形成。

現有的各種教學實驗，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，建立相應知識點的概念而已。這樣的實驗很難滿足現代實驗教學改革提出的三個實驗層次即“基礎性實驗、綜合性實驗、創新性實驗”的目標。目前的實驗平臺不能滿足這樣的訓練，即：學生從有一個概念（或想法）開始，然后著手電路原理圖的設計、編寫程序代碼、調試，最后形成產品的整個開發過程的訓練。學生通過傳統實驗手段所得到的訓練是片面的、局部的，其對產品開發過程的認識并不深刻，這也是導致學生所學不能所用的根本原因所在[3]。

⑶ 硬件設備種類繁雜，致使難以開展綜合性的軟件開發實驗項目。

高層次軟件設計和開發一般不用太多考慮底層硬件的實現細節，如果處于一個具體的硬件環境下，在開發和研究中可能會陷入硬件的具體細節中，而不能把精力放到高層次的軟件設計和開發上。如果硬件開發環境不太穩定（這種情況經常見到），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 新式設備層出不窮，難以保持實驗室設備的先進性，設備需持續投資。

⑸ 封閉式的實驗教學模式不利于提高實驗效果。

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

⑹ 不利于開展創新性研究。

開展創新性研究的前提是實驗環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容的設定或研究，這對于開展創新性研究極為不利[3]。

2 嵌入式系統課程群虛擬仿真類實驗平臺建設

嵌入式系統課程群的實驗教學改革勢在必行，而開展虛擬仿真類實驗教學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，建立電路分析、匯編程序設計、計算機組成、微機原理與接口技術、操作系統、網絡通信技術、人機接口、軟件技術等課程的虛擬仿真實驗教學資源。綜合一個計算機網絡硬件平臺（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，就可相當于一個設備先進的嵌入式系統實驗室。

我校嵌入式系統課程群虛擬仿真類實驗平臺建設堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想[4]，以全面提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，進行虛擬仿真類實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新[5]。

⑴ 建設嵌入式系統課程群的虛擬仿真類實驗教學資源

依托中北大學國家級計算機及應用虛擬仿真實驗教學中心，充分發揮計算機科學與技術學科的專業優勢，高效整合現有的信息化實驗教學資源，以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，創造性地建設與應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資源，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容，降低實驗成本，開展綠色實驗教學。具體建設內容為：①拓展嵌入式系統課程群虛擬仿真類實驗教學內容，更新傳統的基礎型實驗，開設綜合型創新型實驗；②結合嵌入式系統課程體系，制定新的實驗教學大綱，編寫新的實驗教材和實驗指導書；③將虛擬仿真類實踐教學與理論教學相結合，培養學生的學習興趣、創新能力和動手能力。

⑵ 建設嵌入式系統課程群的虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺

建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平臺，高效管理實驗教學資源，實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足多地區、多學校和多課程的虛擬仿真實驗教學的需求，建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。虛擬仿真實驗教學資源管理與共享平臺的所有實驗數據都存儲在系統服務器上，管理人員和教師可在辦公室或宿舍通過網絡對虛擬儀器設備、實驗項目、實驗過程等進行管理監控；教師還可以預約安排課內實驗、設計并發布新的實驗項目、收集學生實驗過程的相關信息、評定學生實驗成績等；學生則可以預約課外實驗，既可以到實驗室進行現場實驗，又可以在其他機房或宿舍登錄系統進行實驗[6]。

⑶ 以科研項目為紐帶，建設創新型虛擬仿真實驗教學資源

利用科研項目及成果轉化的系統軟件和教學儀器設備開設了有特色的自主實驗和創新實驗，讓學生在課余時間利用虛擬仿真平臺和教學儀器設備進行實驗，同時也滿足課程設計和畢業設計中對設計對象的仿真實驗要求。

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

3 建設效果

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

⑴ 集開放性、先進性與創新性于一體

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，虛擬設備可以定時更新升級，確保了虛擬設備始終與市場上的更換速度保持一致，確保了實驗設備的先進性；最后，大量綜合型及創新型實驗項目得以在虛擬環境中開展。

⑵ 拓展了實踐領域，豐富教學內容，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能

某些實驗項目由于設備昂貴、經費不足或實驗項目本身內容繁雜而無法正常開展，采用虛擬仿真實踐教學后，可以對真實設備進行虛擬仿真，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 虛實結合的實驗教學方式減輕了實驗教學壓力，提高了實驗效果，并為學生的創新實驗提供了支持

我校是一所以工科為主的高校，盡管增加了實驗設備的臺套數，但由于招生規模擴大，仍不能滿足上機需求。學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，學生可“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，預測實驗結果，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據與各種現象，效果很好；學生還可以在仿真平臺上，自主設計實驗項目，以提高自身的創新能力。

⑷ 降低了實驗室建設成本

與傳統實驗項目建設相比，虛擬仿真實驗不用購買昂貴的設備，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 結束語

將虛擬仿真技術引入嵌入式系統課程群的實踐教學環節，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，即“以虛代實”、“以軟代硬”、“虛實結合”，構建了與真實環境一致的虛擬仿真實踐教學平臺，完成了原有實驗難以實現或無法完成的功能，進一步培養了學生的設計能力、動手能力和工程應用能力，教學效果顯著。虛擬仿真實驗項目的開發是一個龐大的工程仍需進行深入探討。

參考文獻（References）：

[1] 羅志偉，李蓓莉.開放型嵌入式系統虛擬實驗室的構建[J].惠

州學院學報，2009.29（3）：122-125

[2] 周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].

計算機教育，2015.9：5-11

[3] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設

提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013.32（11）：5-8

[4] 匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業Proteus實驗室的建設[J].實

驗技術與管理，2009.26（1）：155-158

[5] 劉曉東.計算機虛擬實驗系統的設計與實現[D].天津大學碩

士學位論文，2010.

[6] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源 開放共享

機制探究[J].實驗室研究與探索，2015.34（2）：140-144