云桌面下嵌入式技术课程实验环境建设与教学模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，储剑波，孔德明，陆 熊，王晓琳，王友仁

云桌面下嵌入式技术课程实验环境建设与教学模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，储剑波，孔德明，陆 熊，王晓琳，王友仁

（南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106）

为提高嵌入式技术实验教学效果，基于桌面云构建了嵌入式技术创新实践硬件实验平台，开发了虚拟实验系统，研究了桌面云下虚实结合的实验教学模式，探索了基于桌面云的开放共享的互联网+实验教学模式，以及理论、实验和网络教学交叉融合的教学架构。研究成果可用于嵌入式技术课程教学，提高学生嵌入式应用系统设计、工程实践和科技创新能力，并可为互联网+教育背景下实验教学提供参考。

嵌入式技术；实验环境；教学模式；云桌面

在互联网+教育背景下，依托云计算技术实现实验设备向广大师生和社会人员开放已成为未来高校实验室建设的发展方向。云桌面技术是云计算的典型应用，可通过瘦客户端或其他任何与网络相连的设备访问跨平台的应用程序及整个客户桌面[1]。云桌面具有低成本、虚拟化、高可靠性、高可扩展性等特性，学生可不受设备和时空的限制，随时随地自主进行探究式实验和学习，因此必将在实验教学和管理中发挥越来越重要的作用。

嵌入式系统是当前IT 产业的热点，在消费电子、电信设备、工业控制、汽车电子、医疗电子等领域广泛应用。目前，国内许多高校相继为本科生和研究生开设了DSP、ARM、单片机、FPGA等嵌入式技术课程，都是实践性很强的应用性课程。实验对培养学生在嵌入式技术方面的工程应用与科技创新能力至关重要，但目前大部分课程以理论教学为主, 实验教学为辅；且多采用市场上现成的开发板或实验箱进行实物实验，不仅离不开硬件设备，而且只能进行简单的设计性实验，不利于学生工程实践与科技创新能力的培养。另外，受实验场所、设备、学时的限制，难以满足学生（特别是90后和00后大学生）对随时随地随心教与学的自主探究式学习环境的迫切需求[2]。

因此，本文基于南京航空航天大学自动化学院嵌入式系统实验室的服务器+瘦客户机云桌面环境，建设嵌入式技术实验环境，探索云桌面环境下嵌入式技术实验教学模式。

1 基于云桌面的嵌入式技术实验环境建设

1.1 云桌面环境建设

嵌入式技术实验需要PC支撑，其性能直接影响实验效果；但是实验室原有PC采用传统模式部署，性能落后，且软件更新不方便，建设成本高[3]（每个终端需配备高性能PC硬件，价格昂贵且更新换代快），升级维护困难[4]（每台PC需安装所有软件，系统臃肿、软件共享性差），应用软件使用受限[5]（不同软件及同一软件不同版本冲突，新版本软件和操作系统占用系统资源高、部分软件对操作系统兼容性差而导致系统性能落后），且教学资源共享性差[6]（需物理PC机方可实验，难以实现异地远程开放式、移动式、共享性学习），不利于个性化教与学[6]（师生的个性化教、学数据无法保存，个性化教学改革尝试需要每台终端重复拷贝而造成大量时间浪费）。

针对上述问题，以“远程、开放、共享、创新”为核心理念，采用虚拟服务器+瘦客户机的架构，构建了包含在虚拟化平台物理宿主服务器和35台瘦客户机的桌面云环境，为嵌入式技术实验环境建设提供了基础支撑，该实验室见图1。

图1 桌面云环境的嵌入式系统实验室

新环境下云桌面运行在宿主服务器的虚拟机中，操作系统和应用软件运行所需计算和存储资源均由服务器提供，瘦客户机终端计算功能弱化，仅充当交互设备。瘦客户机终端一般不需升级硬件，故障率和维护维修成本低，且初始化后无需维护操作系统和应用软件，有效克服了传统PC部署方式的弊端。另外，基于桌面云改造现有实验系统，还可为用户提供软终端、智能终端等移动接入，打造一种便捷高效的实验教学方式。

1.2 基于云桌面的嵌入式技术实验环境建设

1.2.1 硬件平台建设

为了在云桌面环境下更好地培养学生的工程实践与科技创新能力，提高学生分析和解决实际问题的能力，结合行业应用背景和科研成果，采取购置、二次开发、自主开发结合的方式，打造新的DSP、ARM、FPGA等嵌入式技术创新实践硬件实验平台，部分自主开发的平台如图2所示。

图2 部分自主开发的硬件实验平台实物图

该嵌入式技术创新实践硬件实验平台由可插拔的控制器核心板、模块化的常用外设扩展板以及创新实践扩展模块构成。核心板和扩展板在电路上各自独立，通过标准接插件连接；各关键引脚和信号均通过测试孔引出，方便实验连线。

核心板即最小硬件系统板，可作为开发板独立使用，也可插入外设扩展板中、构成应用系统实验箱。以DSP为例，选择控制领域应用最广的美国德州仪器（TI）DSP控制器的定点、浮点和小封装3个系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027，分别开发了相应核心板，它们可共用外围实验板，方便使用和维护[7]。

外设扩展板包括嵌入式控制器片内外设的扩展接口和其他常用标准外设接口。以DSP实验平台为例，其片内外设接口包括用于GPIO的8×8 LED点阵和8路拨码开关，ADC输入通道接口和0~3 V可调模拟电压输出，以及其他控制类、通信类外设的输入和输出接口，以方便学生对其片内各外设进行应用开发。标准外设接口包括数码管显示、液晶显示、音频输入输出、键盘、USB、以太网模块等，以方便学生设计和实现DSP应用系统，进一步培养学生的工程实践和应用系统设计能力。

创新实践扩展模块则结合行业应用背景和教师的科研成果开发[8]，一部分是包含嵌入式控制器的应用系统，如基于DSP的电梯限速器测试仪检定系统、基于ARM的机器人姿态系统测试平台、基于FPGA的自修复直流电机控制系统；另一部分是不包含控制器的扩展模块，需要与核心板和扩展板配合使用，如无线收发模块、步进电机、直流电机、继电器，温度传感器、压力传感器、微型打印机等。

核心板和外设扩展板配套使用，台套数与云桌面终端数相当；创新实践扩展模块则台套数较少，在实验过程中学生可以结合自己的兴趣进行选择。

1.2.2 软件系统开发

在嵌入式技术创新实践综合硬件实验平台的基础上，分别设计了系统的主控制模块和各功能模块的应用范例，开发了相应的基础实验和综合设计实验，以及提供学生进行创新设计所需的各种外设的支撑驱动程序，并编写了相应的实验指导书，以满足学生对嵌入式技术的工程应用与创新设计需求。

基础实验能够使学生掌握开发环境的应用、软件编程开发方法，熟悉各片内外设模块的工作原理和应用、开发方法。综合性实验要求学生综合应用本学科知识和相应实验条件，完成系统级的复杂实验，以 培养学生进行嵌入式应用系统软、硬件设计和开发的能力。

2 云桌面嵌入式技术实验环境下教学模式探索

2.1 虚实结合的实验教学模式探索

针对目前实验设备、场地、课时等受限状况，在硬件实验平台基础上，尝试了虚拟实验平台的开发，并探索了虚实结合的实践教学模式。

2.1.1 虚拟实验平台开发

为提高信息化背景下高校实验教学质量和实践育人水平，教育部从2017年起开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作[9]。虚拟实验可让学生在计算机上进行电路仿真和分析，检验设计方案的正确性和可行性，为高效的实物实验打好基础；虚拟实验室的组建则可使学生随时随地利用网络进行虚拟实验。因此，虚拟实验作为传统实验的补充，越来越受高校和科研机构的重视，已成为改革实验教学方式、提高教学质量的重要手段[10]。

为此，我们积极探索虚拟实验系统和实验室的开发和建设，以DSP技术为突破点，利用Proteus、CCS和LabVIEW构建了如图3所示的虚拟仿真实验系 统[11]。此外，还设计并开发了常用实验仪器的虚拟仪器，以及模拟和数字电路虚拟实验系统。

以DSP虚拟实验系统为例，整个系统分为基础实验、综合实验和创新实验3个模块，每个模块均为独立的实验子系统，可完成特定实验内容。基础实验能使学生掌握虚拟实验系统开发环境、系统硬件电路模型搭建和程序开发方法，熟悉各片内外设的工作原理和应用、开发方法。综合设计实验可培养学生应用系统软、硬件设计和开发的能力。创新设计实验支持学生自主选择数字信号处理系统、数据通信与网络、数字控制系统、自动化仪表、机电测控系统等专题内容进行设计和仿真。该系统可使学生在没有硬件实验系统的情况下，根据自身需求搭建所需硬件电路模型，并对DSP芯片进行编程开发，达到学习DSP原理和设计DSP应用系统的目的。

图3 DSP虚拟实验系统界面

2.1.2 云平台下虚实结合的实验教学模式探索

嵌入式技术创新实践硬件实验平台可为学生提供工程实践能力和科技创新能力培养的实物环境。但是，实物实验受实际硬件台套数和硬件环境制约，必须在实验室中结合实物进行，不仅受限于实验时间、地点和人数，而且频繁使用和操作可能导致实验设备损坏，建设和维修成本高，硬件局部故障会影响实验效率。另外，学生进行创新设计受制于平台硬件资源，不利于学生个性化创新创造力的充分发挥。相对于实物实验，虚拟仿真实验系统成本低廉，不需专门人员维护；且可扩展性更强，使用者可根据自己的意愿随时改变相关电路结构，充分发挥学生的个性化思维和创新潜力。因此，我们在云桌面环境下，充分发挥创新实践硬件实验平台和虚拟实验系统的优势，探索了虚实结合的实验教学模式。

首先，在实验室云桌面下，操作系统和系列课程硬件实验所需软件均安装在宿主服务器上，为瘦客户机终端提供与传统PC无差异的虚拟桌面；瘦客户机仅充当交互设备，与课程所需创新实践硬件平台配套使用。不仅保证了不同版本和不同操作系统的软件的和谐运行，而且大大提高了系统软件性能，使软件开发和调试速度大大提高。其次，对于虚拟实验系统，也只需将其安装在服务器上，通过虚拟化桌面的形式提供给各终端桌面，有效解决了原来需要在每台终端安装虚拟实验系统，受PC性能制约的问题，大大提高了开展虚拟实验的速度。再次，将虚拟实验和实物实验两种方式结合，将虚拟实验作为实物实验的有益补充，要求学生在进行实物实验前首先进行虚拟实验，搞清实验原理、编程方法，并进行模拟仿真调试；然后进行实物实验，进行实际验证和比较，不仅有效降低了硬件实验平台的操作次数和损耗，而且由于虚拟实验不受时间、地点的限制，解决了实验内容与教学学时之间的矛盾，提高了实验效率。另外，我们还把虚拟实验作为实物实验的拓展，允许学生利用虚拟实验仿真条件，根据自己的兴趣设计和开发各种嵌入式应用系统，给学生更大的自由发挥空间。通过虚实结合实验和实践，可使学生掌握嵌入式应用系统设计方法，提高学生的工程实践与科技创新能力。

2.2 开放共享实验教学机制的探索和设想

目前，实验室的云桌面已可经局域网在瘦客户机终端进行访问，实现基于云桌面的虚实结合的嵌入式技术实验教学。未来将进一步探索云桌面下开放共享的实验教学新机制，实现实验教学资源的开放共享。可从以下4个方面采取措施：

首先，通过网络实现虚拟桌面的随时随地获取。可分两步实现：第一步是通过内部高速无线网络将访问虚拟云桌面的终端扩展到大楼内局域网用户，允许大楼内师生使用软终端、智能终端等移动终端登录授权虚拟桌面进行实验[12]；第二步是与外网融合，允许通过外网加密通道登录，以满足授权用户通过因特网远程使用资源池软件。

其次，要实现虚拟实验资源的开放共享。在当前环境下，学生可通过瘦客户机终端登录虚拟实验桌面；通过网络实现虚拟桌面的随时随地获取后，在桌面云技术的支撑下，学生可通过网络登录虚拟桌面，这样不用到实验室即可访问虚拟实验资源，随时随地进行远程虚拟实验。

再次，要对硬件实验平台进行网络拓展，使其可通过网络实现远程操作。可通过虚拟仪器技术将硬件实验平台与软件操作面板结合，通过软件操作面板远程操控，实现对硬件实验平台的操作与实验结果的数据采集。这样，学生可以通过互联网将实验参数指令发送给硬件实验平台，实验结果以图表、动画、示意图等形式反馈给学生，实现真正意义上的远程物理实验。

基于云桌面实现实验教学资源开放共享后，可逐步实现实验室和实验教学资源面向社会开放。在桌面云、课程学习网站、虚拟实验和远程实物实验等支撑下，探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化互联网+教学新模式，构建理论教学、实践教学和网络教学交叉融合的教学架构。

3 结语

本文基于桌面云环境，构建了嵌入式技术创新实践硬件实验平台，开发了虚拟实验系统，研究了桌面云下虚实结合的实验教学环境和教学模式，并进一步探索了基于桌面云的开放共享的实验教学模式，以及理论教学、实践教学和网络教学交叉融合的教学架构。利用互联网+实验系统开展实验教学，可避免实验场所的限制，提供安全可靠的综合和创新设计实验，有效提高教学质量。

本研究成果可直接用于电气工程及其自动化、自动化、测控技术及仪器、生物医学工程等专业的本科生嵌入式技术与应用课程的实验教学中，也可用于电气工程、电子信息、控制科学与工程、仪器科学与技术、机电自动化工程等专业的研究生相关课程教学中，能有效提高学生嵌入式应用系统设计、开发与应用水平，增强创新设计和工程实践能力；并可为互联网+教育背景下的实验教学及实验设备的远程开放共享提供参考。

[1] 刘夏.云桌面应用研究概述[J].计算机系统应用，2014, 23(7): 12–16.

[2] 王健，王宏伟，韩少锋.开放共享的实验教研环境建设与应用研究[J].实验技术与管理，2016, 33(10): 227–231.

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[4] 张颖，凌仕勇. VDI+VOI融合的多媒体教室桌面云设计与实践[J].实验室研究与探索，2017, 36(10): 145–148.

[5] 汪强，石玉阳，尹孟园.云桌面平台在高校机房中的应用研究[J].绵阳师范学院学报，2018(5): 96–103.

[6] 石玉阳，尹孟园，王宇.谈云桌面技术在高校实践教学中的应用[J].科技资讯，2018(7): 181–182.

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[12] 周嘉裕，廖海.基于智能手机和蓝墨云平台的药用植物认识实习教学探索[J].科教导刊（上旬刊），2018(4): 40–41.

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

江苏省高等教育教改研究立项课题“基于云桌面的电气工程与自动化实验中心品质提升的探索与实践”；南京航空航天大学教育教学改革项目“面向云平台的嵌入式课程群实验教学改革”；南京航空航天大学研究生教育教学改革研究项目“构建云桌面模式下的‘嵌入式系统’实验基地，提升学生创新实践能力”资助

姚睿（1974—），女，河南南阳，博士，副教授，主要从事DSP技术与应用、模拟电子技术、进化硬件理论与技术、嵌入式测控系统自修复技术方面的教学和科研.E-mail: yaorui@nuaa.edu.cn