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篇1

關鍵詞：創(chuàng)新實驗室；嵌入式系統(tǒng)；開放運行管理

作者簡介：張騰飛（1980-），男，河南商丘人，南京郵電大學自動化學院，副教授；郭前崗（1960-），男，陜西西安人，南京郵電大學自動化學院，教授。（江蘇 南京 210023）

基金項目：本文系南京郵電大學實驗室建設與設備管理研究課題重點項目（項目編號：2011XSG03）的研究成果。

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）25-0164-03

近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛普及，其復雜度也迅速增長，嵌入式領域中對能夠適應社會需要的創(chuàng)新型設計人才的需求日益旺盛。盡管高校大量擴招，但整個社會依然缺乏該領域的應用型開發(fā)人才，然而畢業(yè)即失業(yè)的大學生比比皆是，這種就業(yè)難與用人難的自相悖論無疑為我國的高等教育敲響了警鐘，也為嵌入式創(chuàng)新實驗室的建設及開放運行管理模式的探索提供了驅動力。嵌入式系統(tǒng)是一項應用性很強的工程技術，企業(yè)所需要的嵌入式工程人員，不僅僅要有扎實的理論基礎，更要有豐富的動手實踐經(jīng)驗。學生要想從事嵌入式技術工作，只有經(jīng)歷過很多的實驗、實訓項目，才能夠更好地理解和掌握嵌入式技術，才會在當今就業(yè)難度極大的環(huán)境下走出困境，脫穎而出。

一、嵌入式創(chuàng)新實驗室的建設背景

“根據(jù)嵌入式系統(tǒng)”的課程特點以及南京郵電大學（以下簡稱“我?！保╇姎庑畔㈩悓I(yè)的實際應用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標，在前期的嵌入式系統(tǒng)實驗室建設及實踐教學改革研究中，已經(jīng)構建了從基礎驗證性到綜合性、設計性實驗，并與課程設計、大學生科技創(chuàng)新計劃、科技創(chuàng)新競賽、畢業(yè)設計等實訓環(huán)節(jié)相結合的循序漸進的嵌入式實踐教學體系，增強了學生參加各種科技創(chuàng)新實踐活動的積極性，取得了較好的效果。盡管參與各種科技創(chuàng)新實踐活動的學生人數(shù)逐年增加，但涉及的學生相對較為集中，一組學生可能同時參與多種競賽活動，而大部分學生在學習了相關理論知識完成課內基礎實驗之后，沒有再從工程實訓的角度得到系統(tǒng)的、更為實用的開發(fā)技術和技能訓練，因此，有必要通過創(chuàng)新實驗室的建設，讓學生從基礎訓練、綜合實驗、科學訓練、研究設計性實驗、開放實驗項目、科技創(chuàng)新競賽等多樣化、多層次的開放性科技創(chuàng)新實踐活動中形成良好的競爭氛圍，系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)的實際開發(fā)技術。

另外，結合學生的科技創(chuàng)新實踐項目，將有助于提高嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的內涵建設，促進學科發(fā)展，完善學生的個性化教育，提高學生的創(chuàng)新能力。

結合我校電氣信息類專業(yè)的課程建設以及相關特色專業(yè)建設目標，依托自動化省級實驗教學示范中心、智能電網(wǎng)信息工程省級綜合訓練中心、校企共建聯(lián)合實驗室，通過專項資助創(chuàng)立了嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室，探索嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的建設，構建多樣化、多層次、全面開放的實踐教學體系，并進行了多樣化的實踐教學與模塊化實驗教學平臺的建設探索。

二、嵌入式創(chuàng)新實驗室的平臺建設

按照個性化教育與開拓創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，我們將嵌入式課堂理論教學、課內基礎實驗、課外綜合性實驗與嵌入式系統(tǒng)相關課程設計、本科畢業(yè)設計及課外科技創(chuàng)新實踐活動等環(huán)節(jié)相結合，在嵌入式創(chuàng)新實驗室的建設中，構建了多樣化的嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺，包括80C51、MSP430、ARM、DSP等系統(tǒng)開發(fā)平臺200余套。為便于學生的科技創(chuàng)新，配備了多套不同規(guī)格的儀器儀表設備，并建立了創(chuàng)新實驗室的元器件庫，創(chuàng)新實驗室的實驗開發(fā)平臺如圖1所示。

另外，在學校自制實驗儀器設備專項經(jīng)費的資助下，完成了嵌入式Cortex M3開放實驗模塊化開發(fā)平臺的研制，其模塊化結構如圖2所示。該開發(fā)平臺的研制理念是：同時注重嵌入式技術的學習和實踐創(chuàng)新能力的提高兩個方面，讓學生在這個開放的平臺上盡可能多接觸更多、更新的技術，激發(fā)學生的自主學習意識，充分利用課余時間完成實踐與創(chuàng)新。

該平臺具有以下特點：采用較新的Cortex-M3處理器芯片，秉承傳統(tǒng)單片機廉價、穩(wěn)定、控制資源較多、運算資源較少等特性，內部結構相對簡單，學生不用學習復雜的操作系統(tǒng)和各種配置就可以實現(xiàn)簡單的操作，在此基礎上可以移植μC/OS等操作系統(tǒng)，適用于操作系統(tǒng)知識的學習和使用；核心板可以作為單獨的開發(fā)板使用，可以配合教程分發(fā)給學生課后燒寫調試練習或研發(fā)新項目；核心板完整的擴展資源、小巧的體積、大容量的存儲器配備，非常適合二次研發(fā)；模塊化的底板外擴資源豐富，設置外擴資源屏蔽開關，可兼容擴展；模塊化的設計便于今后更新處理器，節(jié)約大量成本。

三、創(chuàng)新實驗室的運作和管理

為充分發(fā)揮實驗室的資源優(yōu)勢，為更多學生提供自主發(fā)展和實踐鍛煉的空間，嵌入式創(chuàng)新實驗室制定了“立體化、模塊化、綜合性、開放性”的創(chuàng)新實踐教學及管理、運行機制。

1.一體化、模塊化的嵌入式實踐教學體系

學生在學習了嵌入式系統(tǒng)相關理論知識之后，如何能從實踐的角度更好地掌握實用的開發(fā)方法和技能，是我們在規(guī)劃、完善嵌入式實踐教學體系中重點關注的問題。從課程體系結構的角度，綜合考慮嵌入式系統(tǒng)與先修課程如計算機組成原理、模擬數(shù)字電子技術、操作系統(tǒng)、控制原理等相關課程的聯(lián)系，通過創(chuàng)新實驗室的知識講座、科協(xié)活動、學科競賽等各種途徑讓低年級學生了解整個學科課程之間的聯(lián)系，為后續(xù)學習嵌入式系統(tǒng)及應用課程打下堅實的基礎。從嵌入式處理器的角度，綜合考慮單片機與ARM、DSP、FPGA等嵌入式微處理器之間的相互聯(lián)系，并將這種聯(lián)系貫穿在嵌入式系統(tǒng)的設計應用開發(fā)這條主線中。如，為便于學生理解和掌握，我們對單片機的定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口等模塊深入講解其基本原理及接口的擴展技術；而ARM、DSP等芯片的資源豐富，則重點強調其體系結構以及實用的設計開發(fā)技術，并結合實例開發(fā)項目進行講解。

結合電氣信息類專業(yè)的培養(yǎng)目標，從學生的個性化教育出發(fā)，將創(chuàng)新實驗室的實驗內容由驗證型、提高型向綜合型、設計開發(fā)型和創(chuàng)新型逐層遞進，實驗內容的設計由單純的教學型向產(chǎn)學研相結合的方向轉變；采用工程案例化教學，突出科技創(chuàng)新在人才培養(yǎng)中的作用。以適應社會需求創(chuàng)新型人才為目標、以培養(yǎng)學生的技術應用能力、實踐創(chuàng)新能力為主線，構建了一體化、模塊化的嵌入式系統(tǒng)實踐教學體系。

2.多樣化、多層次的科技實踐創(chuàng)新活動

在嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的建設過程中，遵循實驗內容多層次、實驗設置多模塊、實驗手段多樣化。構建課程基礎實驗、課程設計、開放實驗項目、大學生科技創(chuàng)新STITP項目、創(chuàng)新競賽、畢業(yè)設計、工程實訓等相結合的創(chuàng)新實踐教學體系，如圖3所示。

在創(chuàng)新實踐教學體系中，既有簡單的演示性和驗證性實驗，使理論教學形象化，加深學生對理論的理解，又有難度較大的設計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗，鍛煉學生的創(chuàng)新實踐能力。學生可根據(jù)學習情況自主選擇與實際能力相符的實驗項目。

3.開放途徑、模式與運行機制

嵌入式創(chuàng)新實驗室全開放運行。除了課堂實踐教學由教師集中管理，其余的課外實踐主要采取以教師為監(jiān)督指導、由學生自主管理的運行模式。嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的開放性表現(xiàn)在實驗室資源面向全校學生全方位開放，即實驗內容、實驗場所、實驗時間的開放。

創(chuàng)新實驗室鼓勵學生申報嵌入式系統(tǒng)相關開放實驗項目。在學院相關教師申報實驗室開放項目的基礎上，由創(chuàng)新實驗室對開放實驗項目進行審核，并報學校實驗室建設與設備管理處，由學校組織專家對開放實驗項目進行審定，經(jīng)學校審定批準的開放實驗項目由嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室組織對學生開放。

實驗室開放課題要求學生以課題小組為單位在一個學期時間內協(xié)作完成一個完整的實際嵌入式課題開發(fā)，近兩年學生申報完成的典型課題有：“基于指紋識別的智能門鎖系統(tǒng)”、“基于閉環(huán)控制的仿人足球機器人全向行走”、“基于Cortex M3的Modbus RTU通信協(xié)議實現(xiàn)”、“太陽能蓄電池充放電控制電路設計與實現(xiàn)”、“嵌入式Cortex M3最小系統(tǒng)板設計與實現(xiàn)”、“基于GSM網(wǎng)絡的老年人身體姿態(tài)檢測系統(tǒng)設計”等。

實驗室開放課題注重學生的已有知識體系和認知特點，充分考慮不同年級學生的能力層次和個體差異，由淺入深、由易到難、循序漸進，并突出實踐創(chuàng)新活動的導向性、趣味性、開放性及綜合性，為學生的實踐創(chuàng)新提供廣闊的思考空間，促進學生的個性化發(fā)展。

學生通過獨立查閱資料、設計方案、硬件設計、軟件編程及調試，系統(tǒng)地掌握了嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件協(xié)同設計方法。該實驗教學模式在傳統(tǒng)實驗方法的基礎上，極大激發(fā)了學生自主探究的興趣，促使學生創(chuàng)造性思維與解決問題，有效提高了學生自主實驗與創(chuàng)新能力。

4.校企合作

通過校企合作等多種途徑，強化學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前與美國風河公司、德州儀器、北京精儀達盛、北京博創(chuàng)等多家公司建立了長期合作關系，為學生提供了良好的主題創(chuàng)新、實踐平臺，為教師提供了主題研究方向，為企業(yè)主題產(chǎn)品研發(fā)提供了技術服務。

結合企業(yè)的科研項目，讓學生參與完成一些子功能模塊的設計、開發(fā)與調試過程，已完成的典型課題有：“變電設備狀態(tài)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)”、“基于DSP的USB2.0通訊模塊的設計”、“變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件設計”、“基于嵌入式的病蟲調查統(tǒng)計器”等。通過一些與學生實踐創(chuàng)新及實際工作能力相關、受益面大的系統(tǒng)設計課題，使學生受到了功能相對完整的嵌入式系統(tǒng)實際工程項目的開發(fā)與調試過程訓練。

5.管理隊伍建設

結合研究生助教和本科生助管制度，形成了實驗室專職教師、專業(yè)教師、研究生、勤工助學本科生相結合的嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室實驗指導與開放運行管理隊伍。

強化對在崗實驗技術人員的培養(yǎng)，通過制定針對性政策及保障措施，鼓勵實驗技術人員的再培訓；制定了相關政策及獎勵措施鼓勵，督促實驗教師以及專業(yè)教師投入嵌入式創(chuàng)新實驗室的內涵建設實踐探索，申報相關研究課題；制定了對實驗教師的多樣化考核機制，使其更好地融入嵌入式實踐教學的實驗指導。

通過制定較為完備的系列政策，加快推進了嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室?guī)熧Y隊伍的建設，提升了嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實踐教學的質量。

四、建設成效

在嵌入式創(chuàng)新實驗室開放實驗平臺的基礎上，以提升學生的嵌入式實踐創(chuàng)新能力為核心，從整體出發(fā)，構建了循序漸進的多層次嵌入式系統(tǒng)實踐教學內容體系，目前有驗證性實驗近30個，設計性、綜合性實驗近20個，服務于自動化學院4個本科專業(yè)及其他學院的相關專業(yè)。

以實際工程需求為導向，構建了從開放性實驗項目到STITP創(chuàng)新項目、各級各類創(chuàng)新競賽、畢業(yè)設計等實訓環(huán)節(jié)相結合的多層次創(chuàng)新實踐體系。近三年創(chuàng)新實驗室共獲得校級和省級大學生STITP創(chuàng)新項目96項，包括2012年立項33項，其中國家級4項，省級5項；2011年立項38項，省級4項，校級重點13項；2010年立項25項，省級4項，校級重點9項。通過增加不同種類設備模塊，拓展實驗領域和實驗項目，近三年創(chuàng)新實驗室共完成了66項開放實驗項目。在畢業(yè)設計中，多人次獲得優(yōu)秀畢業(yè)論文獎，學生參與多項嵌入式系統(tǒng)項目設計與開發(fā)，申請專利十余項，公開發(fā)表學術論文多篇。

近幾年學生的出國深造、考研率明顯提高，多名學生被清華大學、上海交通大學等知名高校錄取。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，多名畢業(yè)生陸續(xù)進入國電南瑞、南自等大型企業(yè)，為社會輸送了大量優(yōu)秀人才。

依托嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的建設平臺，課題組完成了“基于問題設計型引導式教育，構建嵌入式系統(tǒng)實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系”的教學改革成果，被評為南京郵電大學教學成果一等獎，并被學校推薦申請2013年度江蘇省高等教育教學成果一等獎。

五、結束語

結合我校電氣信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)及應用課程的教學目標，從學生的個性化教育出發(fā)，探索了嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實驗室的建設，構建了一體化、模塊化的嵌入式系統(tǒng)實踐教學體系，討論了實驗室的開放途徑、模式與運行機制，探索了開放運行管理、實驗管理師資隊伍建設等。經(jīng)過不斷實踐，取得了較為明顯的效果。

參考文獻：

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[3]張騰飛，顧亦然，王瑾.電氣類專業(yè)嵌入式實踐教學內容與方法的改革探索[J].中國電力教育，2009，（14）：156-158.