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摘 要：本文针对嵌入式系统课程包含的知识面较广，涉及计算机内部结构、操作系统和高级语言编程等内容，学生难掌握的特点，提出基于Embest ARM嵌入式实验教学系统，建立创新的实验内容，加强设计性、综合性实验项目，激发学生学习的兴趣，并提供实验室开放保证实验项目充足的时间，提高学生的实践动手及创新能力，培养高素质的人才。
关键词：嵌入式系统；实验教学内容；实验设计；实验室开放
中图分类号：G434 文献标识码：A
The Exploration and Practice of Embedded System Experiment Teaching
CHEN Shu-qian，FU Yang-lie，ZHANG Li-hong
（School of Computer Engineering , Huaihai Institute of Technology , Jiangsu Lianyungang 222005）
Key words: embedded systems；the content of experiment teaching；experimental desing opening laboratory
实验教学对高等人才的培养起着不容忽视的作用。目前实验教学大多采用传统的教学模式，为了跟上科学技术的发展和社会对深层次人才的需要，提高学生的综合素质和科学实验能力，实验教学必须作改革的道路，以适应高校教育改革前进的步伐，基于这一点，我们精心设计构建嵌入式系统课程的实验教学方法和实验项目，并进行了有益的探索和实践。
1 创新实验内容，优化嵌入式系统课程体系
课程实验项目的选择是实验教学改革的重要内容，是和课程体系构成实验过程的一个基础要素，是选择实验方法、手段和形式的重要依据，也是实现培养目标，提高实验质量的核心环节。但是过去嵌入式系统课程实验受实验环境和条件的制约，仅仅设置了部分只利用Embest ARM实验仪验证的实验项目，如ARM汇编指令实验、Thumb汇编指令实验和部分汇编与C语言相互调用实验等验证性实验，而对一些设备要求较高的实验和较为复杂实验无法安排。导致了只强调对基本原理和命令的理解，忽视了创造思维和创新能力的培养，这很显然不符合现在社会对高素质人才的需求。
嵌入式系统课程要紧跟计算机技术的发展步伐，根据培养目标和人才培养模式的要求，更新实验内容，优化课程体系，剔出一些陈旧落后的内容，增加一些设计性和综合性的实验内容，并结合部分实际科研项目，力求做到新颖，高起点和前瞻性。嵌入式系统课程实验内容既要符合学生的认知特点，由浅入深，由易到难，又要涵盖课程的知识点。因此根据课程体系，充分考虑学生学习的兴趣和现有条件设置实验观测点，保证实验的效果。
1.1保证理论基础实验
嵌入式系统课程中涉及到多门学科的知识，有很强的综合性和应用性，同时又是后续课程内容的基础，这类的实验主要是ARM处理器工作模式实验实验和基本ARM指令实验。通过实验，第一使学生学习和掌握实验的基本知识和技能，知道怎样做好实验，怎样熟练使用常用命令；第二提高学生独立实验能力，形成科学实验的素质，第三扎实掌握使用嵌入式实验仪器能力，嵌入式实验环境搭建比较复杂，锻炼学生如何正确使用仪器设备是非常必要的，这为以后的综合实验以及开放实验室打下坚实的基础。
1.2加强综合性实验
嵌入式系统课程不但要求有深厚的处理器结构理论基础，更重要的是要学生能够应用所学知识完成简单嵌入式应用系统的设计和平台的搭建，这要求实验内容在安排上能够适应该阶段的理论课程教学的需要。我们安排一些设计性和操作性实验，如温度检测系统设计，LCD及触摸屏显示、以太网通信等常用嵌入式系统接口的配置、调试等实验，这些实验要求学生首先在课前完成实验的基本准备，自行选择实验仪器给出的部件，不给学生很多的限制，充分发挥学生的自主性，然后，教师点评设计方案的优缺点，和学生共同在嵌入式实验仪上进行配置，并通过相应的测试，比较各种设计方案的特点，让学生理解这些设备的功能与工作原理，进一步让学生掌握设备的使用，为最后的创新性实验建立良好的理论、设计、操作、和测试基础。
该部分实验内容的设置，要充分考虑实验室的设备情况，按每台套仪器设备2～3人一组的情况安排实验。该类实验要将学生分组，改变基础理论实验每个学生独立完成的模式，每个小组在充分讨论后提出各自的方案，这样能够培养学生的团队意识和团结精神，这在计算机领域中是非常关键和重要的。为避免有的学生忙死，有的学生不动手，实验课成为演示课，要求实验教师要单独对每个学生的操作过程和配置进行考核，并建议每个学生采用不同的方法完成，以保证整个实验的效果，不致成为有些学生偷懒的借口。
2 建立开放实验室环境
由于课程学时的限制，课程内的实验安排仅仅能够满足课程培养目标的基本要求，要培养和提高学生的实践能力、创新能力、实施素质教育，充分利用实验室的设备资源进行实践活动，并且激发学生的主观能动性，从而使学生由被动地位转移到主动，发挥学生的个人潜能，适应不同水平和能力的学生的个性要求，实现“以学生为本”的教学理念，开放实验室势在必行。
2.1完备的实验仪器设备环境
实验室不能停留在仅仅满足课内实验的水平之上，开放实验室更应该为学生提供更宽广的舞台，为学生提供良好的实验环境。由于嵌入式系统的特殊性，不可能要求实验室将所有嵌入式应用领域内的仪器设备购置全面，所以在设备选择上既要考虑代表性、可操作性，又要考虑各实验室的经费能力。我院通过购置典型应用平台和通用平台相结合的方式满足大多数同学的实验环境要求，例如：各类嵌入式开发版，智能家居平台、PDA平台、大学生科技竞赛平台等实际应用平台；同时购置用于基础实验的实验仪，满足日常教学活动。对于学生科研特殊的要求，由学生组成的研究小组向学校申请学生创新基金来补充实验环境的不足，例如我院的机器人团队。这样就可以满足不同层次，不同环境需求的学生到开放性实验室来完成自己的科技创新和技术研究活动。
2.2完善的开放实验室管理制度
建立完善的实验室管理制度是保证开放实验室良好运转的基础，其最主要的工作就是为学生提供优质的、便利的实验环境。尽可能提供设计性、综合性、创造性、开发性和研究性的实验项目，实验教师在开放实验方案的制定、资料的查询、器件的选择，仪器的调试、程序的编写、数据的处理等方面要充分调动学生的主动性，这不但符合因材施教和发展性教学原则，而且又能充分发挥学生积极性和创造性。
其次，加强实验师资队伍建设，重点培养和选拔有经验、有能力的实验教师担任开放实验的指导教师，。"名师出高徒"，没有一流的师资，就没有一流的学生。所以开放实验室要努力建设一支结构合理、理论水平高、实践能力强、具有创新精神和责任感的高素质的实验师资队伍。
2.3便捷的实验室开放预约和使用
学生进入开放实验室完成自主设计、创新实验，主要通过以下几个步骤完成：
第一步，学生预约实验；在预约实验的同时，向实验教师提交查阅文献资料后设计的实验方案，并提出实验方案所需要的实验设备，教师在审查实验方案后与学生进行交流，从方案的可行性、经济性等角度对实验方案进行充分讨论和修订，确定几个可行的方案和实验的时间。
第二步，完成设计实验的建构；在实验教师的帮助下，根据实验方案完成嵌入式设备的准备和连接，并讨论在实际的工程中，应重点考虑的因素。完成建构后利用实验室的测试设备对所搭建平台的仪器设备进行逐一测试，保证连接的正确性，并逐步掌握故障的排除方法，该步实验中实验教师可人为的设置一些故障点，以培养学生故障排除的能力。如果遇到实验室不能提供的硬件电路和设备，可以通过向学校申请学生创新基金自制或者购买。
第三步，按照所设计的实验目的，在实验平台上验证编写的程序，排查错误，直至所有软件设计正确无误。
第四步，按上述二、三步的方法，完成其他方案实验，并得出相应的设计结论，以便对方案进行比对，验证设计时的分析结果。
至此一个设计性、综合性的独立实验完成，在整个实验中教师仅仅起到辅助的作用，但是对教师却是一个非常大的挑战，他要求教师有极宽的知识面以应对在开放实验室过程中，学生实验可能出现的技术型问题。但他对培养学生的综合素质有着其他方式的实验不能替代的作用。
3 充分利用网络资源，实现教与学的互动
实验室的设备资源毕竟有限，随着高校的扩招，班级人数急剧增加，受实验设备及工作时间的约束，导致学生的实验时间仅能满足基本要求。而随着网络的普及，在良好的高校网络平台基础上，建立课程实验的网络平台，为学生提供丰富的基于WEB的课程课件、实验指导等资源，学生和教师可通过网络实时进行交流，及时地解决学生遇到的各种难题。同时，建立虚拟实验环境，部分基础性和验证性的实验均可通过该网络实验环境进行，方便学生，节约实验资源，为更好的开放实验室提供良好的基础。开放实验预约等实验管理工作也可以充分利用网络，实现实验室的高效管理。
4 结束语
面向21世纪科学技术飞速发展的今天，培养高素质的创新人才势在必行，实验室作为人才培养的重要基地，在培养具有创新精神和实践能力专门人才方面具有不可替代的作用。我们将在实践中不断研究探索，提高嵌入式系统课程的实验教学水平，充分发挥实验室的人才培养作用。
参考文献：
[1]高小霞.关于“开放式”实验教学的几点思考[J].实验室科学,2008（1）61~63.
[2]张莉.实验室开放探索[J].高校实验室工作研究,2007（12）53~54.
[3]王伟祖等.建立综合设计实验平台，培养学生创新能力[J]. 实验室研究与探索,2004（8）：74~75.
[4]张永兵等.教学实验室导论[M].山东教育出版社,2002.
[5]涂智寿.更新观念.加大计算机实验室改革力度[J].实验室研究与探索,2002（5）：112~114.
[6]李红艳等.改善实验室环境，营造育人的良好氛围[J].实验技术与管理，2004，（3）：129~131.
关键词：嵌入式系统；实验教学内容；实验设计；实验室开放
中图分类号：G434 文献标识码：A
The Exploration and Practice of Embedded System Experiment Teaching
CHEN Shu-qian，FU Yang-lie，ZHANG Li-hong
（School of Computer Engineering , Huaihai Institute of Technology , Jiangsu Lianyungang 222005）
Key words: embedded systems；the content of experiment teaching；experimental desing opening laboratory
实验教学对高等人才的培养起着不容忽视的作用。目前实验教学大多采用传统的教学模式，为了跟上科学技术的发展和社会对深层次人才的需要，提高学生的综合素质和科学实验能力，实验教学必须作改革的道路，以适应高校教育改革前进的步伐，基于这一点，我们精心设计构建嵌入式系统课程的实验教学方法和实验项目，并进行了有益的探索和实践。
1 创新实验内容，优化嵌入式系统课程体系
课程实验项目的选择是实验教学改革的重要内容，是和课程体系构成实验过程的一个基础要素，是选择实验方法、手段和形式的重要依据，也是实现培养目标，提高实验质量的核心环节。但是过去嵌入式系统课程实验受实验环境和条件的制约，仅仅设置了部分只利用Embest ARM实验仪验证的实验项目，如ARM汇编指令实验、Thumb汇编指令实验和部分汇编与C语言相互调用实验等验证性实验，而对一些设备要求较高的实验和较为复杂实验无法安排。导致了只强调对基本原理和命令的理解，忽视了创造思维和创新能力的培养，这很显然不符合现在社会对高素质人才的需求。
嵌入式系统课程要紧跟计算机技术的发展步伐，根据培养目标和人才培养模式的要求，更新实验内容，优化课程体系，剔出一些陈旧落后的内容，增加一些设计性和综合性的实验内容，并结合部分实际科研项目，力求做到新颖，高起点和前瞻性。嵌入式系统课程实验内容既要符合学生的认知特点，由浅入深，由易到难，又要涵盖课程的知识点。因此根据课程体系，充分考虑学生学习的兴趣和现有条件设置实验观测点，保证实验的效果。
1.1保证理论基础实验
嵌入式系统课程中涉及到多门学科的知识，有很强的综合性和应用性，同时又是后续课程内容的基础，这类的实验主要是ARM处理器工作模式实验实验和基本ARM指令实验。通过实验，第一使学生学习和掌握实验的基本知识和技能，知道怎样做好实验，怎样熟练使用常用命令；第二提高学生独立实验能力，形成科学实验的素质，第三扎实掌握使用嵌入式实验仪器能力，嵌入式实验环境搭建比较复杂，锻炼学生如何正确使用仪器设备是非常必要的，这为以后的综合实验以及开放实验室打下坚实的基础。
1.2加强综合性实验
嵌入式系统课程不但要求有深厚的处理器结构理论基础，更重要的是要学生能够应用所学知识完成简单嵌入式应用系统的设计和平台的搭建，这要求实验内容在安排上能够适应该阶段的理论课程教学的需要。我们安排一些设计性和操作性实验，如温度检测系统设计，LCD及触摸屏显示、以太网通信等常用嵌入式系统接口的配置、调试等实验，这些实验要求学生首先在课前完成实验的基本准备，自行选择实验仪器给出的部件，不给学生很多的限制，充分发挥学生的自主性，然后，教师点评设计方案的优缺点，和学生共同在嵌入式实验仪上进行配置，并通过相应的测试，比较各种设计方案的特点，让学生理解这些设备的功能与工作原理，进一步让学生掌握设备的使用，为最后的创新性实验建立良好的理论、设计、操作、和测试基础。
该部分实验内容的设置，要充分考虑实验室的设备情况，按每台套仪器设备2～3人一组的情况安排实验。该类实验要将学生分组，改变基础理论实验每个学生独立完成的模式，每个小组在充分讨论后提出各自的方案，这样能够培养学生的团队意识和团结精神，这在计算机领域中是非常关键和重要的。为避免有的学生忙死，有的学生不动手，实验课成为演示课，要求实验教师要单独对每个学生的操作过程和配置进行考核，并建议每个学生采用不同的方法完成，以保证整个实验的效果，不致成为有些学生偷懒的借口。
2 建立开放实验室环境
由于课程学时的限制，课程内的实验安排仅仅能够满足课程培养目标的基本要求，要培养和提高学生的实践能力、创新能力、实施素质教育，充分利用实验室的设备资源进行实践活动，并且激发学生的主观能动性，从而使学生由被动地位转移到主动，发挥学生的个人潜能，适应不同水平和能力的学生的个性要求，实现“以学生为本”的教学理念，开放实验室势在必行。
2.1完备的实验仪器设备环境
实验室不能停留在仅仅满足课内实验的水平之上，开放实验室更应该为学生提供更宽广的舞台，为学生提供良好的实验环境。由于嵌入式系统的特殊性，不可能要求实验室将所有嵌入式应用领域内的仪器设备购置全面，所以在设备选择上既要考虑代表性、可操作性，又要考虑各实验室的经费能力。我院通过购置典型应用平台和通用平台相结合的方式满足大多数同学的实验环境要求，例如：各类嵌入式开发版，智能家居平台、PDA平台、大学生科技竞赛平台等实际应用平台；同时购置用于基础实验的实验仪，满足日常教学活动。对于学生科研特殊的要求，由学生组成的研究小组向学校申请学生创新基金来补充实验环境的不足，例如我院的机器人团队。这样就可以满足不同层次，不同环境需求的学生到开放性实验室来完成自己的科技创新和技术研究活动。
2.2完善的开放实验室管理制度
建立完善的实验室管理制度是保证开放实验室良好运转的基础，其最主要的工作就是为学生提供优质的、便利的实验环境。尽可能提供设计性、综合性、创造性、开发性和研究性的实验项目，实验教师在开放实验方案的制定、资料的查询、器件的选择，仪器的调试、程序的编写、数据的处理等方面要充分调动学生的主动性，这不但符合因材施教和发展性教学原则，而且又能充分发挥学生积极性和创造性。
其次，加强实验师资队伍建设，重点培养和选拔有经验、有能力的实验教师担任开放实验的指导教师，。"名师出高徒"，没有一流的师资，就没有一流的学生。所以开放实验室要努力建设一支结构合理、理论水平高、实践能力强、具有创新精神和责任感的高素质的实验师资队伍。
2.3便捷的实验室开放预约和使用
学生进入开放实验室完成自主设计、创新实验，主要通过以下几个步骤完成：
第一步，学生预约实验；在预约实验的同时，向实验教师提交查阅文献资料后设计的实验方案，并提出实验方案所需要的实验设备，教师在审查实验方案后与学生进行交流，从方案的可行性、经济性等角度对实验方案进行充分讨论和修订，确定几个可行的方案和实验的时间。
第二步，完成设计实验的建构；在实验教师的帮助下，根据实验方案完成嵌入式设备的准备和连接，并讨论在实际的工程中，应重点考虑的因素。完成建构后利用实验室的测试设备对所搭建平台的仪器设备进行逐一测试，保证连接的正确性，并逐步掌握故障的排除方法，该步实验中实验教师可人为的设置一些故障点，以培养学生故障排除的能力。如果遇到实验室不能提供的硬件电路和设备，可以通过向学校申请学生创新基金自制或者购买。
第三步，按照所设计的实验目的，在实验平台上验证编写的程序，排查错误，直至所有软件设计正确无误。
第四步，按上述二、三步的方法，完成其他方案实验，并得出相应的设计结论，以便对方案进行比对，验证设计时的分析结果。
至此一个设计性、综合性的独立实验完成，在整个实验中教师仅仅起到辅助的作用，但是对教师却是一个非常大的挑战，他要求教师有极宽的知识面以应对在开放实验室过程中，学生实验可能出现的技术型问题。但他对培养学生的综合素质有着其他方式的实验不能替代的作用。
3 充分利用网络资源，实现教与学的互动
实验室的设备资源毕竟有限，随着高校的扩招，班级人数急剧增加，受实验设备及工作时间的约束，导致学生的实验时间仅能满足基本要求。而随着网络的普及，在良好的高校网络平台基础上，建立课程实验的网络平台，为学生提供丰富的基于WEB的课程课件、实验指导等资源，学生和教师可通过网络实时进行交流，及时地解决学生遇到的各种难题。同时，建立虚拟实验环境，部分基础性和验证性的实验均可通过该网络实验环境进行，方便学生，节约实验资源，为更好的开放实验室提供良好的基础。开放实验预约等实验管理工作也可以充分利用网络，实现实验室的高效管理。
4 结束语
面向21世纪科学技术飞速发展的今天，培养高素质的创新人才势在必行，实验室作为人才培养的重要基地，在培养具有创新精神和实践能力专门人才方面具有不可替代的作用。我们将在实践中不断研究探索，提高嵌入式系统课程的实验教学水平，充分发挥实验室的人才培养作用。
参考文献：
[1]高小霞.关于“开放式”实验教学的几点思考[J].实验室科学,2008（1）61~63.
[2]张莉.实验室开放探索[J].高校实验室工作研究,2007（12）53~54.
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[4]张永兵等.教学实验室导论[M].山东教育出版社,2002.
[5]涂智寿.更新观念.加大计算机实验室改革力度[J].实验室研究与探索,2002（5）：112~114.
[6]李红艳等.改善实验室环境，营造育人的良好氛围[J].实验技术与管理，2004，（3）：129~131.