“虚实结合”的开放式嵌入式系统实验教学平台的设计与实践

朱丽军，吕勇，王斌，高振元

(1.嘉兴学院 信息科学与工程学院，浙江嘉兴314001；2.天津瀚海星云数字科技有限公司，天津300384)

实践教学是高校培养高素质人才不可或缺的重要组成部分， 如何“以学生为中心”建构一流的实验教学课程，切实提高实践教学质量，始终是高校各专业建设的重要工作之一.[1-4]随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效补充，开放式实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，“虚实结合”已经成为了实验教学的重要发展方向，在一定程度上克服了传统实验教学的制约.[5-11]本文针对信息工程专业现有嵌入式系统课程实验教学存在的实验体验感弱，受场地、时间等限制条件多，实验教学成绩难以量化等问题，从实验对象场景化、虚实融合的观测界面、开放式信息管理平台构建和多态化的实验教学资源建设四个方面，联合开发了“虚实结合”的开放式嵌入式系统实验教学平台，有效提高了实验教学效果.

1 实验教学改革思路

建立场景化对象和虚实融合的实验呈现方式，旨在改进原先“只见树木，不见森林”的实验形式，让学生能获得“沉浸式”的实验体验.

1.1 实验对象场景化

将传统嵌入式系统实验项目，如把IO口驱动实验、中断实验、定时器实验、PWM实验、AD实验等融入到一个场景中，形成一个系统的实验项目.学生在教师的指导下，使用嵌入式控制器的各类硬件资源，以系统化的视角理解和掌握该场景中的各控制对象，以更形象的操作体验完成实验项目.

1.2 虚实融合的观测界面

在远程端，学生通过虚拟场景控制虚拟对象，将控制命令通过互联网实时传递到现场端的嵌入式系统控制器，控制器则通过驱动接口电路实时控制和监测场景化对象，并通过互联网将其实时回传到虚拟场景中，这样既保证了人机操作界面的逼真性，又实现了虚拟和现实之间的同步性，从而为学生营造一种身临其境的环境.

1.3 开放式信息管理平台构建

学生可在任何时间、任何地点通过互联网登入嵌入式实验平台，申请实验项目权限，开展项目实验，提交实验报告；嵌入式实验平台记录并保存学生的ID、实验过程，形成过程化数据；教师依据实验平台提供的数据，量化评价学生的实验成绩，为教学活动的持续改进提供依据.

1.4 多态化的实验教学资源建设

该实验教学平台以系统化的视角整合了嵌入式控制器的硬件资源和应用场景，为学生提供形式多样的学习资源，如文字文档、PPT、视频等，并将教学资源存储在云端，学生可在实验前方便地获取实验资料、熟悉实验流程和实验内容，从而保证实验项目的顺利实施.

2 嵌入式系统实验教学平台的设计与实现

2.1 实验教学平台的设计

为了增强实验体验、适应互联网背景下的实验教学活动、量化实验过程以及提高实验设备利用率，课题组构建了“虚实结合”的开放式嵌入式系统实验教学平台，如图 1所示.

图1 嵌入式系统实验教学平台总体架构

该嵌入式系统实验教学平台由用户端电脑、软件管理系统、服务器、工控机、现场检测/控制/驱动模块、场景化对象和摄像头组成.平台采用软件管理系统对用户和现场实验场景进行统一管理，教师和学生通过统一的登入界面，选择不同的用户身份登入实验教学平台.为了充分利用实验教学平台资源和节约平台建设成本，教师可根据学生人数、现场场景和设备情况，采用“分时复用”的策略，制定和调整场景管理、设备管理、通信管理；学生则根据实验预约规则开展实验活动，这样既能保证实验者有充足的资源完成实验，也能使实验室资源得到充分、高效的利用.同时，根据教学活动的需要和学校资源配置情况，平台可以随时增扩不同类型和不同数量的场景化对象，以适应教学活动的需要.该平台设计理念先进、功能丰富、科学合理，不仅可以完成平台实现，还可以根据教学需要和现有资源规划平台规模，确保平台的先进性、可操作性和可实现性.

2.2 实验教学平台的硬件结构及实现

嵌入式系统实验教学平台既保留了传统实验的教学方式，又增加了远程接入的方式，具有良好的灵活性和便利性.图 2是以家居智能窗帘场景为例的实验教学平台，其中平台硬件由电脑终端、实验室服务器、场景工控机、ARM主控板、驱动接口板、检测接口板、家居智能窗帘场景和网络摄像头组成.

图2 家居智能窗帘场景实验连接图

2.2.1 远程电脑终端.通过互联网与实验室服务器连接，可帮助学生申请实验项目，并根据服务器的命令与场景工控机建立联系，通过场景工控机下载ARM程序，接收场景工控机的场景信息.

2.2.2 实验室服务器.主要管理实验室的全部硬件资源，负责接收远程电脑终端申请并分配给场景工控机，记录和保存来自场景工控机的实验数据，为教师提供评价依据.

2.2.3 场景工控机.工控机是远程电脑终端与ARM主控板的中间节点，主要发挥程序下载、指令转换与传达、信息回传的作用，每一个场景都配备一个场景工控机.

2.2.4 ARM主控板、驱动接口板和检测接口板.这是测控场景对象的直接模块，对于每个应用场景都需要根据实验需求，单独开发驱动接口板和检测接口板，图2中的驱动接口板和检测接口板就是平台为家居智能窗帘场景专门开发的电路板.ARM主控板主要负责接收场景工控机的数据和指令，同时将场景对象的实时状态信息回传，驱动接口板则可根据ARM主控板的控制信号，完成旋转电机开合窗帘或调节灯光改变场景环境；检测接口板实时把窗帘的状态信息和环境信息转换为电信号，供ARM主控板采集.

图3 场景化对象的实验操作流程

2.2.5 家居智能窗帘场景.由机械结构、电机、窗帘、照明设备、吹风设备和加湿设备组合而成，电机通过机械结构开合窗帘，照明设备、吹风设备和加湿设备则用来改变场景环境.

2.2.6 网络摄像头.这是通过互联网将场景视频传至远程电脑终端，形成三维立体虚拟场景供学生观测，打通“虚”与“实”的界限.

2.2.7 现场电脑终端.连接ARM主控板，主要负责验证实验结果.

该平台为嵌入式系统实验课程配置了2台服务器，2种对象场景，每种场景配置20个场景对象，可同时满足40个学生在线操作实验；另外，平台预约功能，还可满足3～4个自然班的实验需求，也可面向社会开放，提高平台利用率.

3 嵌入式系统实验教学平台的软件管理及操作流程

嵌入式系统实验教学平台是通过一个统一的软件管理系统来实现对平台的管理.该软件管理系统拥有用户管理、场景管理、界面管理、通信管理、硬件管理、文档管理和实验预约功能.采用C/S架构，用户利用电脑终端的用户软件访问实验平台、完成实验项目.图 3是学生通过软件管理系统完成场景化对象的实验操作流程.

4 嵌入式系统实验教学资源的重构

针对嵌入式系统实验教学要求和场景化对象的特点，从系统化的视角对教学资源进行重构是非常有必要的，这可提升嵌入式系统实验的应用功能，满足实验课程对应用型人才的培养要求.下面以家居智能窗帘为例(见图4)，介绍重构实验教学资源的过程.

图4 家居智能窗帘三维场景

4.1 确定实验场景，制定实验目标

从培养学生系统分析能力和设计能力出发，制定家居智能窗帘实验目标.从系统化的视角对家居智能窗帘的使用环境进行分析，以此确定窗帘的使用功能.具体是主控单元根据用户指令或采集到的环境信息(光照强度、温度、风速等)来控制窗帘开合，调节室内照明环境、温度和通风，且家居智能窗帘可手动和自动控制.

4.2 明确实验逻辑

突出系统实现的关键技术，为学生提供清晰的技术路线，培养和提高学生的嵌入式系统实验的应用能力.建立主控芯片资源与对象功能之间的联系，利用芯片定时器模块的PWM波输出功能控制家居智能窗帘的旋转电机，运用I/O口模块采集用户的开关量，采用I2C串行口模块采集光照强度传感器的数字数据，通过ADC模块获取模拟温度传感器数据，使用异步串行口得到风速传感器的数字数据.

4.3 开展网络化“虚实结合”实验

“虚实结合”的嵌入式系统实验基本涵盖了传统嵌入式系统实验的全部内容，实现了实验在线预习、在线下载与观测、结果自动评判、教师在线协作的功能.目前，嘉兴学院还重构了“单片机原理及接口技术”“单片机原理与应用”“嵌入式系统原理与应用”等多门嵌入式系统应用类课程实验，以满足应用型人才的培养需要.

5 实践成效

针对电子信息相关专业的课程实验内容，选取家居智能窗帘为场景化对象，建立了20个实验场景对象，构建了4个实验，分别是GPIO输出实验、中断实验、定时器实验和串行口实验.由图5可知，大部分学生预约实验时数超过2 h，实验时长超过线下实验时长，并且随着实验难度增大，在线预约实验时数逐步增多.由此可见，相较于线下固定时长的实验模式，开放式嵌入式系统实验平台更能满足学生的灵活性需求.

图5 学生在线实验时长统计图

另外，问卷调查发现，绝大部分学生都能适应开放式“虚拟结合”的实验教学方式，在线显示方式能够满足学生对实验结果观看和测量的需要，如表1所示.

表1 嵌入式系统实验平台实施效果调查统计表 %

6 结语

针对传统嵌入式系统实验教学中存在的资源受限、体验效果不佳、实验过程难以记录和量化等问题，联合设计并开发了新的嵌入式系统实验课程教学平台.一是用场景化对象替代原来模拟化控制对象，加强学生对实验的综合认识；二是利用虚拟现实技术，在用户远程登入界面中建立三维立体虚实结合场景，将远程控制对象信息与“虚拟场景”相互融合，同步更新，有效提高了远程实验教学活动的效果；三是具有良好的开放性，学生随时随地可通过互联网开展实验活动，适应新一代学生的学习需求；四是能实时记录学生的实验全过程，为量化评价学生实验提供数据支撑，也为实验教学活动的持续改进提供技术保障.

通过实验教学平台的使用和教学活动的反馈，该平台能够切实有效提高嵌入式技术实验课程的教学效果，因此，具有一定的借鉴意义.