嵌入式系统创新实验室建设与实践探索

摘要：“嵌入式系统”是一门实践性相当强的课程，依托南京邮电大学自动化省级实验教学示范中心以及智能电网信息工程省级综合训练中心，结合电气信息类专业的“嵌入式系统”相关课程设置，通过建立嵌入式创新实验室及嵌入式模块化实验教学平台，构建了多种实训环节相结合的循序渐进的嵌入式系统实践教学体系，探索了创新实验室的开放运行管理机制，强化了对学生创新能力的培养。

关键词：创新实验室；嵌入式系统；开放运行管理

作者简介：张腾飞（1980-），男，河南商丘人，南京邮电大学自动化学院，副教授；郭前岗（1960-），男，陕西西安人，南京邮电大学自动化学院，教授。（江苏 南京 210023）

基金项目：本文系南京邮电大学实验室建设与设备管理研究课题重点项目（项目编号：2011XSG03）的研究成果。

中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）25-0164-03

近年来，随着嵌入式系统的广泛普及，其复杂度也迅速增长，嵌入式领域中对能够适应社会需要的创新型设计人才的需求日益旺盛。尽管高校大量扩招，但整个社会依然缺乏该领域的应用型开发人才，然而毕业即失业的大学生比比皆是，这种就业难与用人难的自相悖论无疑为我国的高等教育敲响了警钟，也为嵌入式创新实验室的建设及开放运行管理模式的探索提供了驱动力。嵌入式系统是一项应用性很强的工程技术，企业所需要的嵌入式工程人员，不仅仅要有扎实的理论基础，更要有丰富的动手实践经验。学生要想从事嵌入式技术工作，只有经历过很多的实验、实训项目，才能够更好地理解和掌握嵌入式技术，才会在当今就业难度极大的环境下走出困境，脱颖而出。

一、嵌入式创新实验室的建设背景

“根据嵌入式系统”的课程特点以及南京邮电大学（以下简称“我校”）电气信息类专业的实际应用能力和创新能力培养目标，在前期的嵌入式系统实验室建设及实践教学改革研究中，已经构建了从基础验证性到综合性、设计性实验，并与课程设计、大学生科技创新计划、科技创新竞赛、毕业设计等实训环节相结合的循序渐进的嵌入式实践教学体系，增强了学生参加各种科技创新实践活动的积极性，取得了较好的效果。尽管参与各种科技创新实践活动的学生人数逐年增加，但涉及的学生相对较为集中，一组学生可能同时参与多种竞赛活动，而大部分学生在学习了相关理论知识完成课内基础实验之后，没有再从工程实训的角度得到系统的、更为实用的开发技术和技能训练，因此，有必要通过创新实验室的建设，让学生从基础训练、综合实验、科学训练、研究设计性实验、开放实验项目、科技创新竞赛等多样化、多层次的开放性科技创新实践活动中形成良好的竞争氛围，系统地掌握嵌入式系统的实际开发技术。

另外，结合学生的科技创新实践项目，将有助于提高嵌入式系统创新实验室的内涵建设，促进学科发展，完善学生的个性化教育，提高学生的创新能力。

结合我校电气信息类专业的课程建设以及相关特色专业建设目标，依托自动化省级实验教学示范中心、智能电网信息工程省级综合训练中心、校企共建联合实验室，通过专项资助创立了嵌入式系统创新实验室，探索嵌入式系统创新实验室的建设，构建多样化、多层次、全面开放的实践教学体系，并进行了多样化的实践教学与模块化实验教学平台的建设探索。

二、嵌入式创新实验室的平台建设

按照个性化教育与开拓创新型人才培养的要求，我们将嵌入式课堂理论教学、课内基础实验、课外综合性实验与嵌入式系统相关课程设计、本科毕业设计及课外科技创新实践活动等环节相结合，在嵌入式创新实验室的建设中，构建了多样化的嵌入式系统实验开发平台，包括80C51、MSP430、ARM、DSP等系统开发平台200余套。为便于学生的科技创新，配备了多套不同规格的仪器仪表设备，并建立了创新实验室的元器件库，创新实验室的实验开发平台如图1所示。

另外，在学校自制实验仪器设备专项经费的资助下，完成了嵌入式Cortex M3开放实验模块化开发平台的研制，其模块化结构如图2所示。该开发平台的研制理念是：同时注重嵌入式技术的学习和实践创新能力的提高两个方面，让学生在这个开放的平台上尽可能多接触更多、更新的技术，激发学生的自主学习意识，充分利用课余时间完成实践与创新。

该平台具有以下特点：采用较新的Cortex-M3处理器芯片，秉承传统单片机廉价、稳定、控制资源较多、运算资源较少等特性，内部结构相对简单，学生不用学习复杂的操作系统和各种配置就可以实现简单的操作，在此基础上可以移植μC/OS等操作系统，适用于操作系统知识的学习和使用；核心板可以作为单独的开发板使用，可以配合教程分发给学生课后烧写调试练习或研发新项目；核心板完整的扩展资源、小巧的体积、大容量的存储器配备，非常适合二次研发；模块化的底板外扩资源丰富，设置外扩资源屏蔽开关，可兼容扩展；模块化的设计便于今后更新处理器，节约大量成本。

三、创新实验室的运作和管理

为充分发挥实验室的资源优势，为更多学生提供自主发展和实践锻炼的空间，嵌入式创新实验室制定了“立体化、模块化、综合性、开放性”的创新实践教学及管理、运行机制。

1.一体化、模块化的嵌入式实践教学体系

学生在学习了嵌入式系统相关理论知识之后，如何能从实践的角度更好地掌握实用的开发方法和技能，是我们在规划、完善嵌入式实践教学体系中重点关注的问题。从课程体系结构的角度，综合考虑嵌入式系统与先修课程如计算机组成原理、模拟数字电子技术、操作系统、控制原理等相关课程的联系，通过创新实验室的知识讲座、科协活动、学科竞赛等各种途径让低年级学生了解整个学科课程之间的联系，为后续学习嵌入式系统及应用课程打下坚实的基础。从嵌入式处理器的角度，综合考虑单片机与ARM、DSP、FPGA等嵌入式微处理器之间的相互联系，并将这种联系贯穿在嵌入式系统的设计应用开发这条主线中。如，为便于学生理解和掌握，我们对单片机的定时/计数器、中断系统、串行口等模块深入讲解其基本原理及接口的扩展技术；而ARM、DSP等芯片的资源丰富，则重点强调其体系结构以及实用的设计开发技术，并结合实例开发项目进行讲解。

结合电气信息类专业的培养目标，从学生的个性化教育出发，将创新实验室的实验内容由验证型、提高型向综合型、设计开发型和创新型逐层递进，实验内容的设计由单纯的教学型向产学研相结合的方向转变；采用工程案例化教学，突出科技创新在人才培养中的作用。以适应社会需求创新型人才为目标、以培养学生的技术应用能力、实践创新能力为主线，构建了一体化、模块化的嵌入式系统实践教学体系。

2.多样化、多层次的科技实践创新活动

在嵌入式系统创新实验室的建设过程中，遵循实验内容多层次、实验设置多模块、实验手段多样化。构建课程基础实验、课程设计、开放实验项目、大学生科技创新STITP项目、创新竞赛、毕业设计、工程实训等相结合的创新实践教学体系，如图3所示。

在创新实践教学体系中，既有简单的演示性和验证性实验，使理论教学形象化，加深学生对理论的理解，又有难度较大的设计性、综合性和创新性实验，锻炼学生的创新实践能力。学生可根据学习情况自主选择与实际能力相符的实验项目。

3.开放途径、模式与运行机制

嵌入式创新实验室全开放运行。除了课堂实践教学由教师集中管理，其余的课外实践主要采取以教师为监督指导、由学生自主管理的运行模式。嵌入式系统创新实验室的开放性表现在实验室资源面向全校学生全方位开放，即实验内容、实验场所、实验时间的开放。

创新实验室鼓励学生申报嵌入式系统相关开放实验项目。在学院相关教师申报实验室开放项目的基础上，由创新实验室对开放实验项目进行审核，并报学校实验室建设与设备管理处，由学校组织专家对开放实验项目进行审定，经学校审定批准的开放实验项目由嵌入式系统创新实验室组织对学生开放。

实验室开放课题要求学生以课题小组为单位在一个学期时间内协作完成一个完整的实际嵌入式课题开发，近两年学生申报完成的典型课题有：“基于指纹识别的智能门锁系统”、“基于闭环控制的仿人足球机器人全向行走”、“基于Cortex M3的Modbus RTU通信协议实现”、“太阳能蓄电池充放电控制电路设计与实现”、“嵌入式Cortex M3最小系统板设计与实现”、“基于GSM网络的老年人身体姿态检测系统设计”等。

实验室开放课题注重学生的已有知识体系和认知特点，充分考虑不同年级学生的能力层次和个体差异，由浅入深、由易到难、循序渐进，并突出实践创新活动的导向性、趣味性、开放性及综合性，为学生的实践创新提供广阔的思考空间，促进学生的个性化发展。

学生通过独立查阅资料、设计方案、硬件设计、软件编程及调试，系统地掌握了嵌入式系统的软、硬件协同设计方法。该实验教学模式在传统实验方法的基础上，极大激发了学生自主探究的兴趣，促使学生创造性思维与解决问题，有效提高了学生自主实验与创新能力。

4.校企合作

通过校企合作等多种途径，强化学生实践和创新能力的培养。目前与美国风河公司、德州仪器、北京精仪达盛、北京博创等多家公司建立了长期合作关系，为学生提供了良好的主题创新、实践平台，为教师提供了主题研究方向，为企业主题产品研发提供了技术服务。

结合企业的科研项目，让学生参与完成一些子功能模块的设计、开发与调试过程，已完成的典型课题有：“变电设备状态在线监测及故障诊断系统”、“基于DSP的USB2.0通讯模块的设计”、“变电站视频监控系统控制软件设计”、“基于嵌入式的病虫调查统计器”等。通过一些与学生实践创新及实际工作能力相关、受益面大的系统设计课题，使学生受到了功能相对完整的嵌入式系统实际工程项目的开发与调试过程训练。

5.管理队伍建设

结合研究生助教和本科生助管制度，形成了实验室专职教师、专业教师、研究生、勤工助学本科生相结合的嵌入式系统创新实验室实验指导与开放运行管理队伍。

强化对在岗实验技术人员的培养，通过制定针对性政策及保障措施，鼓励实验技术人员的再培训；制定了相关政策及奖励措施鼓励，督促实验教师以及专业教师投入嵌入式创新实验室的内涵建设实践探索，申报相关研究课题；制定了对实验教师的多样化考核机制，使其更好地融入嵌入式实践教学的实验指导。

通过制定较为完备的系列政策，加快推进了嵌入式系统创新实验室师资队伍的建设，提升了嵌入式系统创新实践教学的质量。

四、建设成效

在嵌入式创新实验室开放实验平台的基础上，以提升学生的嵌入式实践创新能力为核心，从整体出发，构建了循序渐进的多层次嵌入式系统实践教学内容体系，目前有验证性实验近30个，设计性、综合性实验近20个，服务于自动化学院4个本科专业及其他学院的相关专业。

以实际工程需求为导向，构建了从开放性实验项目到STITP创新项目、各级各类创新竞赛、毕业设计等实训环节相结合的多层次创新实践体系。近三年创新实验室共获得校级和省级大学生STITP创新项目96项，包括2012年立项33项，其中部级4项，省级5项；2011年立项38项，省级4项，校级重点13项；2010年立项25项，省级4项，校级重点9项。通过增加不同种类设备模块，拓展实验领域和实验项目，近三年创新实验室共完成了66项开放实验项目。在毕业设计中，多人次获得优秀毕业论文奖，学生参与多项嵌入式系统项目设计与开发，申请专利十余项，公开发表学术论文多篇。

近几年学生的出国深造、考研率明显提高，多名学生被清华大学、上海交通大学等知名高校录取。根据统计数据，多名毕业生陆续进入国电南瑞、南自等大型企业，为社会输送了大量优秀人才。

依托嵌入式系统创新实验室的建设平台，课题组完成了“基于问题设计型引导式教育，构建嵌入式系统实践创新人才培养体系”的教学改革成果，被评为南京邮电大学教学成果一等奖，并被学校推荐申请2013年度江苏省高等教育教学成果一等奖。

五、结束语

结合我校电气信息类专业嵌入式系统及应用课程的教学目标，从学生的个性化教育出发，探索了嵌入式系统创新实验室的建设，构建了一体化、模块化的嵌入式系统实践教学体系，讨论了实验室的开放途径、模式与运行机制，探索了开放运行管理、实验管理师资队伍建设等。经过不断实践，取得了较为明显的效果。

参考文献：

[1]周晓兰，陈寅山，张彦定.本科生创新实验室的建设与管理[J].福建师范大学学报（自然科学版），2011，27（3）：56-58.

[2]郭成操，李刚俊，杜涛.创新实验室建设模式 培养创新型专门人才[J].实验室研究与探索，2010，29（6）：195-197.

[3]张腾飞，顾亦然，王瑾.电气类专业嵌入式实践教学内容与方法的改革探索[J].中国电力教育，2009，（14）：156-158.

[4]符运良，羊大立.电子设计创新开放实验室建设探索[J].中国电力教育，2012，（34）：112-113.

[5]张腾飞，顾亦然，郭前岗.“嵌入式系统及应用”课程教学改革探索与应用[J].中国电力教育，2012，（28）：53-54.