简论CDIO的地方高校嵌入式系统仿真实验室建设研究

　　论文摘要：主要结合CDIO工程教育模式下地方高校对实践教学的要求和地方高校实验室的功能定位，探讨地方高校嵌入式系统实验教学改革的必要性，提出了改善实验室的硬件环境，引入PROTEUS软件，加强实验技术队伍建设和深化管理体制改革等完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想。

　　论文关键词：CDIO；嵌入式；仿真；实验室建设

　　CDIO工程教育模式的核心内容中关于设计实验和实践场所有专门的标准，实验室作为教学、科研的重要场所，对培养应用型专业人才的地方高校尤为重要，这决定了开设了电气信息类专业的地方高校必须建设嵌入式系统仿真实验室。本文主要从改善实验室的硬件环境，引入PROTEUS软件，加强实验技术队伍建设等方面提出了完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想。

　　一、CDIO工程教育模式地方高校实验室的功能定位

　　CDIO工程教育模式是直接按照工业界的要求建立的一整套工程教育实施体系，得到了国际高等工程教育界的认同，它从“培养什么人”和“怎样培养人”这两个根本问题出发探索工程教育问题。它具有全面系统性、实践可操作性、国际先进性和普遍适应性，CDIO 工程教育模式是培养大学生实践能力和创新精神的有效途径，它有利于促进我国高等工程教育改革，实现我国高等工程教育国际化。CDIO的核心内容包括一个愿景、一个教学大纲和12条标准，其中12条标准分别考察专业培养理念、课程计划的制定、设计实验和实践场所、教与学的方法、教师提高以及考核和评估等最根本的、体现CDIO工程教育特色的要求。
　　实验室是教师教学、科研和学生实践的重要基地和场所。实验室的功能定位直接关系到实践教学的效果和人才培养的质量。CDIO工程教育模式采用相互联系、相互依存的理论和实践课程体系培养学生从理论学习和全程实践体系中获得设计、制作和主动学习的经验，对以培养应用型人才为目标的地方高校来说，CDIO教育模式特别适合电气信息类专业人才培养的需要。笔者认为依据以上模式，地方本科院校实验室的功能如下：以培养应用型、创新型工程人才为目标，坚持以基本能力和素质训练为基础，以综合素质提高为核心，进一步拓展专业技能训练，突出学生的创新能力培养，注重工程实践能力的培养，在实践技能训练中培养学生严谨求实、勇于创新的工作作风，形成以学生为主体，理论学习与实践创新相互促进的教学理念，促使学生的知识、能力和素质的综合提高。

　　二、嵌入式系统仿真实验室建设的必要性分析

　　实验室作为开展科学研究、实践教学和科技竞赛等活动的实验研究基地，即使资金特别紧张的地方高校为了提高人才培养质量，也会优先满足电气信息类工科专业的实验室建设需要，如湖北科技学院（简称“我院”）就建立了电工电子实验室、单片机实验室和金工实习车间，一般都采用相应的实验台、实验箱、各种仪器仪表来满足教学的需要；但是由于资金和场地的限制，在同一个实验室包括所有的设备是不现实的。一般实验室的设备功能较单一、适应性较差，造成部分实验室利用率低下，仪器设备不能共用共享，人力资源、物力资源都不能被充分利用。因教育经费投入不足，很多地方高校教学仪器设备的更新率低于退废率和毁损率，造成仪器设备陈旧、老化严重，无法满足当今社会实际对校内实验教学的需要；另外，随着招生规模日益扩大，仪器设备的台套数趋于不足，实验教学也受到不同程度的制约。
　　嵌入式技术是多学科交叉的产物，具有较强的实践性和概括性，不易理解，需要用大量实验来加深学生的认识和理解，建设好相关实验室直接关系到学生能否真正掌握所学知识，教学能否达到人才培养目标。随着嵌入式系统的应用领域不断扩展，新的应用环境对嵌入式技术提出了更高、更严格的要求，嵌入式系统不仅需要具有低功耗、高安全性等基本特征，还将向高效性、高实时性的组件化方向发展。目前，嵌入式软件已成为软件体系的重要组成部分，嵌入式技术的研究已经成为我国信息化进程的重要课题之一，开设了电气信息类专业高校都在积极准备建立嵌入式系统实验室，改进现有的嵌入式实验教学体制，从教学、科研及专业发展等方面来说都很有必要，不仅有利于培养学生掌握嵌入式系统的基本理论知识和智能产品的设计、开发技能，而且有利于教师掌握嵌入式技术的应用技能，提高教学、科研服务水平。

　　三、完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想

　　要提高嵌入式系统的应用水平，解决地方高校嵌入式系统实验教学存在的主要问题，必须以建设和完善嵌入式系统仿真实验室为前提，笔者认为主要应从以下几个方面完善嵌入式系统仿真实验室的建设。
　　1.改善实验室的硬件环境
　　随着扩招，地方高校实验仪器不足、设备陈旧，实验室的硬件不硬，实验室追求小而全、小而散，如我院电子与信息工程学院拥有计算机、单片机开发系统、ARM实验箱、逻辑分析仪、示波器、信号发生器等相关实验设备，还有专门的金工实习车间，但不少设备长期处于闲置状态；有的实验室又没有足够数量、配套的仪器设备，在实际教学中一些常规仪器设备经常超年限使用，由于仪器设备的超常使用，客观上降低了教学质量。因此，在硬件建设方面必须加强实验室的整体规划，合理配置资源，在新购置仪器设备时必须加强可行性和必要性论证，优先购置先进的、实用的和急需的教学科研仪器设备，对仪器设备使用率不高、以前存在闲置浪费现象的院部或实验中心提出的采购申请计划不予批准，即使已经批准的采购计划也要采取向多家供货单位了解其仪器设备的功能和信号，以免造成新的闲置和浪费。

   

　　2.引入PROTEUS软件
　　软件建设主要指根据实验计划和内容，有针对性地给学生提供一个实际操作平台。PROTEUS软件可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，具有三十多个元器件库，数千种元器件仿真模型，多种信号激励源和虚拟仪器仪表；能实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合；支持主流单片机系统的仿真，提供软件调试功能。嵌入式仿真实验室建设中引PROTEUS软件，既适合课堂理论教学，也适合实验室实践教学，具体做法如下：
　　（1）在嵌入式系统课堂教学中引入PROTEUS软件，PROTEUS的极为接近实际的动态演示可以激发学生兴趣。授课教师在备课阶段先根据教学内容准备好PROTEUS仿真模型，上课开始时先运行PROTEUS仿真模型，使学生看到模拟的运行现象或结果，让学生产生一种好奇感，教师还可提出几个与课堂内容相关的问题，让学生带着问题听课，教师在理论知识讲授完毕，再把PROTEUS仿真模型的硬件搭建和软件调试给学生演示一遍，就会使得具有较强的实践性、概括性、不易理解的嵌入式技术变得容易理解和接受。
　　（2）在嵌入式系统实验教学中引入PROTEUS软件，会增强仿真性。PROTEUS软件的运行简单，只需一台电脑就可以了，引入PROTEUS软件，学生在寝室的电脑上就可以通过PROTEUS软件自己学习嵌入式系统的相关知识，可以自行复习和预习课堂教学内容，通过PROTEUS平台进行仿真实验，从硬件的搭建，软件的设计，软硬件的联合调试都可以自己动手先做一遍，实验课上学生就可以通过实物平台进行验证，通过这种课内外相结合的方式进行实验，学生对整个实验的原理、流程和结果都有一个深刻的认识和理解，效果是可想而知的。此外，PROTEUS软件还可用于大学生的课程设计、电子竞赛及毕业设计。
　　3.加强实验技术队伍建设
　　实验教学长期被视为一种教学辅助手段，实验人员作为教辅系列，进入的门槛相对教师系列要低的多，而且有些高校大多数实验人员都是本校引进的高职称高学历人才的家属，本身的专业背景根本无法满足指导学生实验的要求，人员的进修和业务培训得不到应有的重视，只能胜任仪器设备的摆放和内务整理及开关门的工作，致使实验室工作人员的总体业务素质偏低，制约了实验室各项功能的发挥。笔者认为加强实验技术队伍建设应该做到以下几点。
　　（1）多渠道、多层次引进优秀实验技术人员。通过制定相关政策，激励教授、博士等高学历高层次人才进实验室，把实验室建设与专业建设和学科建设相结合；鼓励青年理论教师深入企业进行实践锻炼，使他们成为“双师型”人才，便于日后壮大实验教学的师资力量；还可以花大力气将企业界高层次的离退修技术人员补充到实验技术队伍中来。
　　（2）加大培养力度。为了提高实验队伍的业务素质，学校应鼓励实验人员参加在职进修，到部属高校或校企共建的实验室参观学习和经验交流等。
　　（3）加强实验人员的业务考核。为了调动广大实验技术人员的主动性和创造性，应制定一套引入激励机制、竞争机制的科学合理的考核管理办法，如“实验人员工作职责”、“实验室工作人员考核办法”等，对实验人员的德、勤、能等方面德工作全面实行量化考核，有效地激励实验人员的工作热情。
　　4.深化实验室管理体制改革
　　有效的实验室管理体制有利于实验人员积极性的提高、学生的实践能力和创新能力的培养。要深化实验室管理体制改革，笔者认为地方高校可以实现校、院部两级管理模式，明确划分各自的职责和权限，校级的发展规划处对实验室实行宏观管理，负责实验中心的建设和实验室的整体规划，校级的财务部门提供正常运转、日常维修以及仪器设备更新的经费来源和保障，校级的国有资产管理处负责实验用房的调配，校级的设备处负责实验设备的采购和招标工作，校级的人事部门负责实验室主任的任命、实验室工作人员的编制和待遇。院部的实验中心则需要规划本院实验室建设的具体目标，制订具体的实验室管理措施，并负责组织开展实验室教学管理工作。通过实现校、院部两级管理模式，可以进一步明确两者之间的职责分工，从而把对实验室管理的责、权、利结合起来，提高实验室的利用率和使用效益。

　　四、结束语

　　实验室建设是一项系统工程，是办好高校、培养合格人才的一项基础工作，要在搞好硬件基础设施建设的同时，更注重软件建设。要办好电气信息类应用型专业必须依靠实践，因而实验室必须先行建设；我校的嵌入式系统仿真实验室还刚刚起步，为全校电气信息类专业提供了一个良好的实验教学平台，下一步将继续总结我校以及其他兄弟院校的经验，提高实验技术队伍的素质和责任心，深化管理体制改革，为全校师生提供一个良好的教学、科研和实践环境。