嵌入式系统课程群虚拟仿真实践教学平台建设研究

况立群　张元　李顺增　韩慧妍

摘 要： 嵌入式系统课程群在实践教学中存在设备种类繁杂、设备更新不及时等问题，这些问题对人才培养十分不利。为此提出以共享优质实验教学资源为核心，以建设嵌入式系统课程群的信息化实验教学资源为重点，以建设开放型、先进型、创新型以及易管理、维护型实验项目为目标，进行虚拟仿真类实验教学信息化建设。虚拟仿真实践教学克服了诸多条件的限制，丰富了实践性教学手段，提高了实践教学效率，降低了实验室建设与维护成本，有利于现代实验教学观念的更新。

关键词： 嵌入式系统； 实践教学； 虚拟仿真； 教学资源

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：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

当今社会，嵌入式系统已经渗透到人们工作、生活中的各个领域，几乎所有的电子设备都有嵌入式系统的影子[1]。嵌入式系统涵盖了微机原理及接口技术、单片机原理及应用、计算机组成原理、汇编语言程序设计、操作系统、嵌入式体系结构、嵌入式应用开发技术、C语言程序设计、汇编程序设计、网络通信技术、人机接口、软件技术等多门课内容，因此，嵌入式系统的实践教学显得尤为重要。各高校逐步建立起嵌入式系统实验室，但嵌入式系统涉及的硬件种类繁多，由于资金的限制，不可能在一个实验室囊括所有种类的嵌入式设备。因此，很多实验项目都需要相应的虚拟仿真设备作为支撑，以虚拟仿真实验作为传统实验的重要补充，克服了诸多条件限制，丰富了实践性教学的手段，提高了实践教学效率，降低了实验室建设与维护成本，有利于现代实验教学观念的更新[2]。

1 嵌入式系统课程群在实践教学中存在的问题

我们分析了嵌入式系统专业课程群实践教学的现状，归纳其存在的主要问题有以下几个方面。

⑴ 实验项目类型单一，不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力。

学生对某一课程的兴趣往往需要丰富的实验项目才能带动，但现有的课程实验受限于硬件设备，验证性实验项目偏多，而设计性及综合性实验项目缺乏，故难以激发学生的实验兴趣，其创新思维能力的培养也同样受到限制。

⑵ 实验内容彼此孤立，不利于培养学生“从概念到产品”认识的形成。

现有的各种教学实验，基本是固定程式的验证式实验，实验所用元器件、线路板已选好，学生所做的工作仅是对实验箱连连线，使用一下测试仪器、仪表，建立相应知识点的概念而已。这样的实验很难满足现代实验教学改革提出的三个实验层次即“基础性实验、综合性实验、创新性实验”的目标。目前的实验平台不能满足这样的训练，即：学生从有一个概念（或想法）开始，然后着手电路原理图的设计、编写程序代码、调试，最后形成产品的整个开发过程的训练。学生通过传统实验手段所得到的训练是片面的、局部的，其对产品开发过程的认识并不深刻，这也是导致学生所学不能所用的根本原因所在[3]。

⑶ 硬件设备种类繁杂，致使难以开展综合性的软件开发实验项目。

高层次软件设计和开发一般不用太多考虑底层硬件的实现细节，如果处于一个具体的硬件环境下，在开发和研究中可能会陷入硬件的具体细节中，而不能把精力放到高层次的软件设计和开发上。如果硬件开发环境不太稳定（这种情况经常见到），且对具体的硬件又不是很了解，则可能在排除问题上花费大量的时间。

⑷ 新式设备层出不穷，难以保持实验室设备的先进性，设备需持续投资。

⑸ 封闭式的实验教学模式不利于提高实验效果。

现有实验室大多采取封闭式的实验教学模式，即在规定的课时内，在规定的场地内，进行规定的实验内容（由于实验设备能力的限制造成），这种封闭式的实验教学模式，往往造成学生不能有足够的时间深入了解及研究实验内容，进而对实验产生兴趣，而且固定式的验证实验内容限制了学生的思维空间，扼杀了学生创新思维能力的培养。因此，其实验效果很难提高，这种做法实际上背离了现代实验教学改革中提出的“优化课内，强化课外”的实验教学意识[3]。

⑹ 不利于开展创新性研究。

开展创新性研究的前提是实验环境的丰富资源及其灵活可变性。目前基于硬件的实验平台往往采取一种定式的实验或研究环境，即师生只能在有限的几种器件或线路实验板之上进行实验内容的设定或研究，这对于开展创新性研究极为不利[3]。

2 嵌入式系统课程群虚拟仿真类实验平台建设

嵌入式系统课程群的实验教学改革势在必行，而开展虚拟仿真类实验教学研究是解决上述问题的有力手段。利用计算机虚拟仿真技术，建立电路分析、汇编程序设计、计算机组成、微机原理与接口技术、操作系统、网络通信技术、人机接口、软件技术等课程的虚拟仿真实验教学资源。综合一个计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套虚拟仿真软件，再加上一本虚拟实验教程，以虚代实、以软代硬，就可相当于一个设备先进的嵌入式系统实验室。

我校嵌入式系统课程群虚拟仿真类实验平台建设坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想[4]，以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，进行虚拟仿真类实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[5]。

⑴ 建设嵌入式系统课程群的虚拟仿真类实验教学资源

依托中北大学国家级计算机及应用虚拟仿真实验教学中心，充分发挥计算机科学与技术学科的专业优势，高效整合现有的信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低实验成本，开展绿色实验教学。具体建设内容为：①拓展嵌入式系统课程群虚拟仿真类实验教学内容，更新传统的基础型实验，开设综合型创新型实验；②结合嵌入式系统课程体系，制定新的实验教学大纲，编写新的实验教材和实验指导书；③将虚拟仿真类实践教学与理论教学相结合，培养学生的学习兴趣、创新能力和动手能力。

⑵ 建设嵌入式系统课程群的虚拟仿真实验教学管理与共享平台

建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多课程的虚拟仿真实验教学的需求，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。虚拟仿真实验教学资源管理与共享平台的所有实验数据都存储在系统服务器上，管理人员和教师可在办公室或宿舍通过网络对虚拟仪器设备、实验项目、实验过程等进行管理监控；教师还可以预约安排课内实验、设计并发布新的实验项目、收集学生实验过程的相关信息、评定学生实验成绩等；学生则可以预约课外实验，既可以到实验室进行现场实验，又可以在其他机房或宿舍登录系统进行实验[6]。

⑶ 以科研项目为纽带，建设创新型虚拟仿真实验教学资源

利用科研项目及成果转化的系统软件和教学仪器设备开设了有特色的自主实验和创新实验，让学生在课余时间利用虚拟仿真平台和教学仪器设备进行实验，同时也满足课程设计和毕业设计中对设计对象的仿真实验要求。

工程创新实验室面向全校优秀学生，提供创新和开放实验。成立创新小组，每年吐故纳新，大四学生毕业、大二学生选拔加入，管理模式为学生自治，采用内部优胜劣汰。学生以2～5人为一组进行创新性实验，以团队自主学习为主，教师指导为辅，结合科研课题和相关竞赛，形成了良性的竞争和团队协作的运作机制。学生的工程实践和科研创新能力得到了提升，教师的科研课题也得到了有力支持。科研成果开拓了学生视野、提升了知识结构、培养了综合设计和创新能力，显著提升了学生的学习兴趣与工程设计能力。

3 建设效果

中北大学计算机及应用虚拟仿真实验教学中心于2015年1月获批国家级虚拟仿真实验教学中心，中心深入研究虚拟仿真实验教学技术，并通过校企合作等方式探索虚拟仿真实验教学系统的自主研发，研发了多套虚拟仿真实验系统，并初步建立起了嵌入式系统课程群的虚拟仿真实践教学平台，取得了良好的效果。

⑴ 集开放性、先进性与创新性于一体

首先，虚拟仿真实验项目不受空间与场地的限制，具有开放性；其次，虚拟设备可以定时更新升级，确保了虚拟设备始终与市场上的更换速度保持一致，确保了实验设备的先进性；最后，大量综合型及创新型实验项目得以在虚拟环境中开展。

⑵ 拓展了实践领域，丰富教学内容，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能

某些实验项目由于设备昂贵、经费不足或实验项目本身内容繁杂而无法正常开展，采用虚拟仿真实践教学后，可以对真实设备进行虚拟仿真，同时也可简化过于繁杂的实验步骤，使实验得以正常进行。

⑶ 虚实结合的实验教学方式减轻了实验教学压力，提高了实验效果，并为学生的创新实验提供了支持

我校是一所以工科为主的高校，尽管增加了实验设备的台套数，但由于招生规模扩大，仍不能满足上机需求。学生在实验室的时间有限，难以充分观察、思考，没有机会完成自主设计的实验项目等问题，实验效果不佳。利用虚拟仿真实验系统，学生可“先虚拟、后实验”，即在进实验室前，利用虚拟仿真平台和软件，熟识仪器使用，理解实验原理，预测实验结果，做好真实实验的准备工作；实验后又可利用虚拟仿真平台分析实验数据与各种现象，效果很好；学生还可以在仿真平台上，自主设计实验项目，以提高自身的创新能力。

⑷ 降低了实验室建设成本

与传统实验项目建设相比，虚拟仿真实验不用购买昂贵的设备，只需一套虚拟仿真软件，外加少量的实验验证板即可，大大降低了实验室的维护费用。

4 结束语

将虚拟仿真技术引入嵌入式系统课程群的实践教学环节，使得许多原来由硬件才能完成的功能，都能依靠软件来实现，即“以虚代实”、“以软代硬”、“虚实结合”，构建了与真实环境一致的虚拟仿真实践教学平台，完成了原有实验难以实现或无法完成的功能，进一步培养了学生的设计能力、动手能力和工程应用能力，教学效果显著。虚拟仿真实验项目的开发是一个庞大的工程仍需进行深入探讨。

参考文献（References）：

[1] 罗志伟，李蓓莉.开放型嵌入式系统虚拟实验室的构建[J].惠

州学院学报，2009.29（3）：122-125

[2] 周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].

计算机教育，2015.9：5-11

[3] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设

提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013.32（11）：5-8

[4] 匡载华，邓小鹏.电子类学科专业Proteus实验室的建设[J].实

验技术与管理，2009.26（1）：155-158

[5] 刘晓东.计算机虚拟实验系统的设计与实现[D].天津大学硕

士学位论文，2010.

[6] 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源 开放共享

机制探究[J].实验室研究与探索，2015.34（2）：140-144