云桌面下嵌入式技術課程實驗環境建設與教學模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，儲劍波，孔德明，陸 熊，王曉琳，王友仁

云桌面下嵌入式技術課程實驗環境建設與教學模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，儲劍波，孔德明，陸 熊，王曉琳，王友仁

（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106）

為提高嵌入式技術實驗教學效果，基于桌面云構建了嵌入式技術創新實踐硬件實驗平臺，開發了虛擬實驗系統，研究了桌面云下虛實結合的實驗教學模式，探索了基于桌面云的開放共享的互聯網+實驗教學模式，以及理論、實驗和網絡教學交叉融合的教學架構。研究成果可用于嵌入式技術課程教學，提高學生嵌入式應用系統設計、工程實踐和科技創新能力，并可為互聯網+教育背景下實驗教學提供參考。

嵌入式技術；實驗環境；教學模式；云桌面

在互聯網+教育背景下，依托云計算技術實現實驗設備向廣大師生和社會人員開放已成為未來高校實驗室建設的發展方向。云桌面技術是云計算的典型應用，可通過瘦客戶端或其他任何與網絡相連的設備訪問跨平臺的應用程序及整個客戶桌面[1]。云桌面具有低成本、虛擬化、高可靠性、高可擴展性等特性，學生可不受設備和時空的限制，隨時隨地自主進行探究式實驗和學習，因此必將在實驗教學和管理中發揮越來越重要的作用。

嵌入式系統是當前IT 產業的熱點，在消費電子、電信設備、工業控制、汽車電子、醫療電子等領域廣泛應用。目前，國內許多高校相繼為本科生和研究生開設了DSP、ARM、單片機、FPGA等嵌入式技術課程，都是實踐性很強的應用性課程。實驗對培養學生在嵌入式技術方面的工程應用與科技創新能力至關重要，但目前大部分課程以理論教學為主, 實驗教學為輔；且多采用市場上現成的開發板或實驗箱進行實物實驗，不僅離不開硬件設備，而且只能進行簡單的設計性實驗，不利于學生工程實踐與科技創新能力的培養。另外，受實驗場所、設備、學時的限制，難以滿足學生（特別是90后和00后大學生）對隨時隨地隨心教與學的自主探究式學習環境的迫切需求[2]。

因此，本文基于南京航空航天大學自動化學院嵌入式系統實驗室的服務器+瘦客戶機云桌面環境，建設嵌入式技術實驗環境，探索云桌面環境下嵌入式技術實驗教學模式。

1 基于云桌面的嵌入式技術實驗環境建設

1.1 云桌面環境建設

嵌入式技術實驗需要PC支撐，其性能直接影響實驗效果；但是實驗室原有PC采用傳統模式部署，性能落后，且軟件更新不方便，建設成本高[3]（每個終端需配備高性能PC硬件，價格昂貴且更新換代快），升級維護困難[4]（每臺PC需安裝所有軟件，系統臃腫、軟件共享性差），應用軟件使用受限[5]（不同軟件及同一軟件不同版本沖突，新版本軟件和操作系統占用系統資源高、部分軟件對操作系統兼容性差而導致系統性能落后），且教學資源共享性差[6]（需物理PC機方可實驗，難以實現異地遠程開放式、移動式、共享性學習），不利于個性化教與學[6]（師生的個性化教、學數據無法保存，個性化教學改革嘗試需要每臺終端重復拷貝而造成大量時間浪費）。

針對上述問題，以“遠程、開放、共享、創新”為核心理念，采用虛擬服務器+瘦客戶機的架構，構建了包含在虛擬化平臺物理宿主服務器和35臺瘦客戶機的桌面云環境，為嵌入式技術實驗環境建設提供了基礎支撐，該實驗室見圖1。

圖1 桌面云環境的嵌入式系統實驗室

新環境下云桌面運行在宿主服務器的虛擬機中，操作系統和應用軟件運行所需計算和存儲資源均由服務器提供，瘦客戶機終端計算功能弱化，僅充當交互設備。瘦客戶機終端一般不需升級硬件，故障率和維護維修成本低，且初始化后無需維護操作系統和應用軟件，有效克服了傳統PC部署方式的弊端。另外，基于桌面云改造現有實驗系統，還可為用戶提供軟終端、智能終端等移動接入，打造一種便捷高效的實驗教學方式。

1.2 基于云桌面的嵌入式技術實驗環境建設

1.2.1 硬件平臺建設

為了在云桌面環境下更好地培養學生的工程實踐與科技創新能力，提高學生分析和解決實際問題的能力，結合行業應用背景和科研成果，采取購置、二次開發、自主開發結合的方式，打造新的DSP、ARM、FPGA等嵌入式技術創新實踐硬件實驗平臺，部分自主開發的平臺如圖2所示。

圖2 部分自主開發的硬件實驗平臺實物圖

該嵌入式技術創新實踐硬件實驗平臺由可插拔的控制器核心板、模塊化的常用外設擴展板以及創新實踐擴展模塊構成。核心板和擴展板在電路上各自獨立，通過標準接插件連接；各關鍵引腳和信號均通過測試孔引出，方便實驗連線。

核心板即最小硬件系統板，可作為開發板獨立使用，也可插入外設擴展板中、構成應用系統實驗箱。以DSP為例，選擇控制領域應用最廣的美國德州儀器（TI）DSP控制器的定點、浮點和小封裝3個系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027，分別開發了相應核心板，它們可共用外圍實驗板，方便使用和維護[7]。

外設擴展板包括嵌入式控制器片內外設的擴展接口和其他常用標準外設接口。以DSP實驗平臺為例，其片內外設接口包括用于GPIO的8×8 LED點陣和8路撥碼開關，ADC輸入通道接口和0~3 V可調模擬電壓輸出，以及其他控制類、通信類外設的輸入和輸出接口，以方便學生對其片內各外設進行應用開發。標準外設接口包括數碼管顯示、液晶顯示、音頻輸入輸出、鍵盤、USB、以太網模塊等，以方便學生設計和實現DSP應用系統，進一步培養學生的工程實踐和應用系統設計能力。

創新實踐擴展模塊則結合行業應用背景和教師的科研成果開發[8]，一部分是包含嵌入式控制器的應用系統，如基于DSP的電梯限速器測試儀檢定系統、基于ARM的機器人姿態系統測試平臺、基于FPGA的自修復直流電機控制系統；另一部分是不包含控制器的擴展模塊，需要與核心板和擴展板配合使用，如無線收發模塊、步進電機、直流電機、繼電器，溫度傳感器、壓力傳感器、微型打印機等。

核心板和外設擴展板配套使用，臺套數與云桌面終端數相當；創新實踐擴展模塊則臺套數較少，在實驗過程中學生可以結合自己的興趣進行選擇。

1.2.2 軟件系統開發

在嵌入式技術創新實踐綜合硬件實驗平臺的基礎上，分別設計了系統的主控制模塊和各功能模塊的應用范例，開發了相應的基礎實驗和綜合設計實驗，以及提供學生進行創新設計所需的各種外設的支撐驅動程序，并編寫了相應的實驗指導書，以滿足學生對嵌入式技術的工程應用與創新設計需求。

基礎實驗能夠使學生掌握開發環境的應用、軟件編程開發方法，熟悉各片內外設模塊的工作原理和應用、開發方法。綜合性實驗要求學生綜合應用本學科知識和相應實驗條件，完成系統級的復雜實驗，以 培養學生進行嵌入式應用系統軟、硬件設計和開發的能力。

2 云桌面嵌入式技術實驗環境下教學模式探索

2.1 虛實結合的實驗教學模式探索

針對目前實驗設備、場地、課時等受限狀況，在硬件實驗平臺基礎上，嘗試了虛擬實驗平臺的開發，并探索了虛實結合的實踐教學模式。

2.1.1 虛擬實驗平臺開發

為提高信息化背景下高校實驗教學質量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作[9]。虛擬實驗可讓學生在計算機上進行電路仿真和分析，檢驗設計方案的正確性和可行性，為高效的實物實驗打好基礎；虛擬實驗室的組建則可使學生隨時隨地利用網絡進行虛擬實驗。因此，虛擬實驗作為傳統實驗的補充，越來越受高校和科研機構的重視，已成為改革實驗教學方式、提高教學質量的重要手段[10]。

為此，我們積極探索虛擬實驗系統和實驗室的開發和建設，以DSP技術為突破點，利用Proteus、CCS和LabVIEW構建了如圖3所示的虛擬仿真實驗系 統[11]。此外，還設計并開發了常用實驗儀器的虛擬儀器，以及模擬和數字電路虛擬實驗系統。

以DSP虛擬實驗系統為例，整個系統分為基礎實驗、綜合實驗和創新實驗3個模塊，每個模塊均為獨立的實驗子系統，可完成特定實驗內容。基礎實驗能使學生掌握虛擬實驗系統開發環境、系統硬件電路模型搭建和程序開發方法，熟悉各片內外設的工作原理和應用、開發方法。綜合設計實驗可培養學生應用系統軟、硬件設計和開發的能力。創新設計實驗支持學生自主選擇數字信號處理系統、數據通信與網絡、數字控制系統、自動化儀表、機電測控系統等專題內容進行設計和仿真。該系統可使學生在沒有硬件實驗系統的情況下，根據自身需求搭建所需硬件電路模型，并對DSP芯片進行編程開發，達到學習DSP原理和設計DSP應用系統的目的。

圖3 DSP虛擬實驗系統界面

2.1.2 云平臺下虛實結合的實驗教學模式探索

嵌入式技術創新實踐硬件實驗平臺可為學生提供工程實踐能力和科技創新能力培養的實物環境。但是，實物實驗受實際硬件臺套數和硬件環境制約，必須在實驗室中結合實物進行，不僅受限于實驗時間、地點和人數，而且頻繁使用和操作可能導致實驗設備損壞，建設和維修成本高，硬件局部故障會影響實驗效率。另外，學生進行創新設計受制于平臺硬件資源，不利于學生個性化創新創造力的充分發揮。相對于實物實驗，虛擬仿真實驗系統成本低廉，不需專門人員維護；且可擴展性更強，使用者可根據自己的意愿隨時改變相關電路結構，充分發揮學生的個性化思維和創新潛力。因此，我們在云桌面環境下，充分發揮創新實踐硬件實驗平臺和虛擬實驗系統的優勢，探索了虛實結合的實驗教學模式。

首先，在實驗室云桌面下，操作系統和系列課程硬件實驗所需軟件均安裝在宿主服務器上，為瘦客戶機終端提供與傳統PC無差異的虛擬桌面；瘦客戶機僅充當交互設備，與課程所需創新實踐硬件平臺配套使用。不僅保證了不同版本和不同操作系統的軟件的和諧運行，而且大大提高了系統軟件性能，使軟件開發和調試速度大大提高。其次，對于虛擬實驗系統，也只需將其安裝在服務器上，通過虛擬化桌面的形式提供給各終端桌面，有效解決了原來需要在每臺終端安裝虛擬實驗系統，受PC性能制約的問題，大大提高了開展虛擬實驗的速度。再次，將虛擬實驗和實物實驗兩種方式結合，將虛擬實驗作為實物實驗的有益補充，要求學生在進行實物實驗前首先進行虛擬實驗，搞清實驗原理、編程方法，并進行模擬仿真調試；然后進行實物實驗，進行實際驗證和比較，不僅有效降低了硬件實驗平臺的操作次數和損耗，而且由于虛擬實驗不受時間、地點的限制，解決了實驗內容與教學學時之間的矛盾，提高了實驗效率。另外，我們還把虛擬實驗作為實物實驗的拓展，允許學生利用虛擬實驗仿真條件，根據自己的興趣設計和開發各種嵌入式應用系統，給學生更大的自由發揮空間。通過虛實結合實驗和實踐，可使學生掌握嵌入式應用系統設計方法，提高學生的工程實踐與科技創新能力。

2.2 開放共享實驗教學機制的探索和設想

目前，實驗室的云桌面已可經局域網在瘦客戶機終端進行訪問，實現基于云桌面的虛實結合的嵌入式技術實驗教學。未來將進一步探索云桌面下開放共享的實驗教學新機制，實現實驗教學資源的開放共享。可從以下4個方面采取措施：

首先，通過網絡實現虛擬桌面的隨時隨地獲取。可分兩步實現：第一步是通過內部高速無線網絡將訪問虛擬云桌面的終端擴展到大樓內局域網用戶，允許大樓內師生使用軟終端、智能終端等移動終端登錄授權虛擬桌面進行實驗[12]；第二步是與外網融合，允許通過外網加密通道登錄，以滿足授權用戶通過因特網遠程使用資源池軟件。

其次，要實現虛擬實驗資源的開放共享。在當前環境下，學生可通過瘦客戶機終端登錄虛擬實驗桌面；通過網絡實現虛擬桌面的隨時隨地獲取后，在桌面云技術的支撐下，學生可通過網絡登錄虛擬桌面，這樣不用到實驗室即可訪問虛擬實驗資源，隨時隨地進行遠程虛擬實驗。

再次，要對硬件實驗平臺進行網絡拓展，使其可通過網絡實現遠程操作。可通過虛擬儀器技術將硬件實驗平臺與軟件操作面板結合，通過軟件操作面板遠程操控，實現對硬件實驗平臺的操作與實驗結果的數據采集。這樣，學生可以通過互聯網將實驗參數指令發送給硬件實驗平臺，實驗結果以圖表、動畫、示意圖等形式反饋給學生，實現真正意義上的遠程物理實驗。

基于云桌面實現實驗教學資源開放共享后，可逐步實現實驗室和實驗教學資源面向社會開放。在桌面云、課程學習網站、虛擬實驗和遠程實物實驗等支撐下，探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化互聯網+教學新模式，構建理論教學、實踐教學和網絡教學交叉融合的教學架構。

3 結語

本文基于桌面云環境，構建了嵌入式技術創新實踐硬件實驗平臺，開發了虛擬實驗系統，研究了桌面云下虛實結合的實驗教學環境和教學模式，并進一步探索了基于桌面云的開放共享的實驗教學模式，以及理論教學、實踐教學和網絡教學交叉融合的教學架構。利用互聯網+實驗系統開展實驗教學，可避免實驗場所的限制，提供安全可靠的綜合和創新設計實驗，有效提高教學質量。

本研究成果可直接用于電氣工程及其自動化、自動化、測控技術及儀器、生物醫學工程等專業的本科生嵌入式技術與應用課程的實驗教學中，也可用于電氣工程、電子信息、控制科學與工程、儀器科學與技術、機電自動化工程等專業的研究生相關課程教學中，能有效提高學生嵌入式應用系統設計、開發與應用水平，增強創新設計和工程實踐能力；并可為互聯網+教育背景下的實驗教學及實驗設備的遠程開放共享提供參考。

[1] 劉夏.云桌面應用研究概述[J].計算機系統應用，2014, 23(7): 12–16.

[2] 王健，王宏偉，韓少鋒.開放共享的實驗教研環境建設與應用研究[J].實驗技術與管理，2016, 33(10): 227–231.

[3] 程小輝，戴飛，陳顯軍.基于云網絡技術的外語語音實驗室設計與建設[J].實驗技術與管理，2018, 35(5): 134–137, 141.

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[5] 汪強，石玉陽，尹孟園.云桌面平臺在高校機房中的應用研究[J].綿陽師范學院學報，2018(5): 96–103.

[6] 石玉陽，尹孟園，王宇.談云桌面技術在高校實踐教學中的應用[J].科技資訊，2018(7): 181–182.

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Construction of experimental environment and exploration of teaching mode for Embedded Technology course under cloud desktop

YAO Rui, CUI Jiang, ZHOU Zhaihe, CHU Jianbo, KONG Deming, LU Xiong, WANG Xiaolin, WANG Youren

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

In order to improve the experimental teaching effect of embedded technology, and based on the desktop cloud, a hardware experimental platform of embedded technology innovation practice is set up, a virtual experiment system is developed, the experimental teaching mode of combining virtual and real desktop cloud is studied, and the opening and sharing Internet + experimental teaching mode based on desktop cloud and the framework of theoretical, experimental and network teaching are explored. The research results can be used in the teaching of the Embedded Technology course to improve students’ ability of embedded application system design and their engineering practice and technological innovation ability, which provides reference for experimental teaching under the background of Internet + education.

embedded technology; experimental environment; teaching mode; cloud desktop

TP368.1; G642.0

A

1002-4956(2019)07-0050-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.014

2019-01-02

江蘇省高等教育教改研究立項課題“基于云桌面的電氣工程與自動化實驗中心品質提升的探索與實踐”；南京航空航天大學教育教學改革項目“面向云平臺的嵌入式課程群實驗教學改革”；南京航空航天大學研究生教育教學改革研究項目“構建云桌面模式下的‘嵌入式系統’實驗基地，提升學生創新實踐能力”資助

姚睿（1974—），女，河南南陽，博士，副教授，主要從事DSP技術與應用、模擬電子技術、進化硬件理論與技術、嵌入式測控系統自修復技術方面的教學和科研.E-mail: yaorui@nuaa.edu.cn