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1、现代嵌入式实践教学平台在面向 创新的信息类专业实践教学中的应用 总结报告 武汉理工大学 2004年 12月 现代嵌入式实践教学平台在面向 创新的信息类专业实践教学中的应用 刘泉 李方敏 徐成 吕锋 薛立功 21 世纪是人类全面依靠知识创新和应用创新知识的世纪。当前我国大学本科教育从总体上来说，比较重视课堂知识传授，对能力特别是创新能力的培养，还很欠缺。未来大学教育应更加重视素质、人格、知识和能力，特别是创新能力的全面培养。为此，我们从 2002 年 10 月起利用在嵌入式系统方面的科研成果，积极探索了信息类专业面向新世纪的创新实验体系。通过“构建创新实验体系、工程实践、电子设计竞赛、自主设计、
2、学生电子兴趣小组”的改革和创新教育，走出了一条培养创新设计型人才的道路。经过两年多的实际应用，该成果于 2004 年 10 月通过了湖北省教育厅组织的专家鉴定（其主要技术成果也已通过湖北省科技厅组织的专家鉴定），认为该成果整体达到了国内领先水平。一、探索了把最新科研成果直接转化为实践教学资源的新途径 我们在深化教学改革的基础上，提出了“宽基础，重素质，到前沿”的专业办学目标，所谓“到前沿”就是利用最先进的科研成果培养学生的创新能力，提高学生的综合素质。为此，我们对实践性教学环节进行了大胆的改革和探索，通过创新实验体系的构建、创新性设计实验、结合工程实践、电子设计竞赛、大学生科研创新计划项目和学
3、生电子兴趣小组等一系列实践教学的改革和创新，探索出了培养专业基础知识扎实、综合素质好、动手能力强、具有创新意识和能力的高水平人才的新途径，并取得了良好的效果，得到了相关单位和专家的一致好评。二、构建创新实践教学体系 由于 IC 设计技术和生产工艺、计算机系统、通信和网络技术等的发展，人类已进入了信息时代，在这个时代所用的基本知识与基本技能，以及我们要设计的对象系统都发生了变化。电子信息系统的特点是复杂度大幅度上升，技术机制演变加快，技术生命周期变短，以及要求设计时间不断减少。如今，那些上百万晶体管芯片的设计没有电子设计自动化（EDA）工具的辅助是无法完成的。过去，我们的教学基本上是面向简单电路
4、和简单系统的。从简单系统到复杂系统所涉及的变化不只是量变，而且还有质变。对于复杂系统人们的精力主要放在观念设计上，在高抽象层次上进行。因此适当增加大规模复杂系统的分析和管理是十分必要的。因此，在一些观点上应作调整，主要体现在：（1）提高抽象层次，解决复杂性问题；（2）适当加强对系统基础知识和系统分析能力的培养；（3）加强利用工具进行复杂系统（特别是数字系统）设计能力的培养；（4）由于电路设计和系统设计已趋统一，进入了片上系统时代，系统设计人员已经是集成电路（IC）的主要设计人员。实验课程改革的指导思想是：加强基础、培养能力、提高素质、激励创新。按照这个指导思想，基于自主开发的实验平台，我们对实
5、验课程体系和教学内容进行了改革和创新，编写了新的实践教学大纲和实验讲义。我们打破专业界限，改革过去实验依附于理论课程的旧体系，按一级学科或学科门类整合教学实验内容，独立设置了“电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验、计算机技术实验、嵌入式系统综合设计实验”等五门院级公共基础实验平台课，并基于我们研制的嵌入式实践教学平台，开设了 EDA技术实验、DSP技术实验、现代通信实验、现代电子学实验、嵌入式系统实验等专业综合实验课。实验平台课由 12 个模块构成，学生在教师指导下自主选题或自己设计题目，独立设计，自主实验实现，从而培养了学生的科学实验能力和创新思维能力。实践教学的改革，不仅实践教学内
6、容要创新，而且实验技术和手段也要创新。我们通过开展“计算机网络”、“嵌入式系统”和“可编程实验技术”等新实验技术课题的研究，增强了学生对日新月异的电子信息技术的适应能力，也培养了他们的创新能力。三、自主设计现代嵌入式实践教学平台 现代嵌入式系统实践教学平台是我院前期有关“嵌入式智能控制技术与系统”的科学研究的基础上，运用协同设计技术、操作系统、网络技术等的理论和方法，将硬件设计、软件开发、应用设计有效结合形成的嵌入式实践教学平台，具有自主知识产权。该平台针对国内高校嵌入式实验的需要而研制，能满足信息、控制、电子、计算机等专业的高职高专、本科及研究生教学的具体要求以及市场对嵌入式人才的需求，使学
7、生掌握各种嵌入式系统的原理结构、基本特征和实现方案；设计的系列嵌入式实验解决方案，不仅能满足各种层次学生对操作技能和嵌入式技术基本原理的教学要求，更重要的能适应本科生和研究生的创新设计以及产品研发的需求。该平台是一个系列、完整的解决方案，包括 7 个子系统，既可以单独使用，也可以灵活组合以满足不同层次的教学需求。1、基于 51单片机的开放实验系统 该实验系统基于 Intel和 Philp 的 51 单片机，结合我们自主研制的监控程序和最小的 TCP/IP协议栈，主要适用于单片机原理与应用、接口技术等课程实验和相应的产品开发。由于51 单片机的广泛应用，以及它简单易学，最适合学生作为入门的嵌入式
8、实验设备。2、基于 PowerPC 的开放实验系统 该实验系统基于 Motorola的 XPC860网络通信处理器，结合 VxWorks和 Linux 嵌入式开发环境的编程，主要适用于嵌入式系统设计、操作系统、计算机网络、网络安全等课程实验和相应的产品开发。通过对 BSP（broad support packet）、协议栈、进程调度等的实验，对系统硬件底层驱动和嵌入式系统体系架构有一个较为深刻的认识。3、基于 ARM 的开放实验系统 教学平台在面向创新的信息类专业实践教学中的应用刘泉李方敏徐成吕锋薛立功世纪是人类全面依靠知识创新和应用创新知识的世纪当前我国大学本科教育从总体上来说比较重视课堂知
9、识传授对能力特别是创新能力的培养还很欠缺面的科研成果积极探索了信息类专业面向新世纪的创新实验体系通过构建创新实验体系工程实践电子设计竞赛自主设计学生电子兴趣小组的改革和创新教育走出了一培养创新设计型人才的道路经过两年多的实际应用该成果于年月通国内领先水平一探索了把最新科研成果直接转化为实践教学资源的新途径我们在深化教学改革的基础上提出了宽基础重素质到前沿的专业办学目标所谓到前沿就是利用最先进的科研成果培养学生的创新能力提高学生的综合素质为此ARM 是目前最流行的嵌入式微控制器，广泛应用于信息家电、工业控制等方面，该实验系统基于 SAMSUNG 公司的 S3C44B0和 S3C2410，结合 W
10、inCE、uC-liunix及 uCOS等不同的嵌入式开发环境，主要适用于嵌入式系统设计、操作系统、接口技术、信号检测等课程实验和相应的产品开发。4、基于 DSP 的开放实验系统 该实验系统基于 TI 公司的 TMS320C2407 和 TMS320C5402数字信号处理器，可以实现基于嵌入式网络和现场总线方式下的工业控制和信号处理方案，可以完成基于网络环境下的语音信号处理和传输等任务，并可以与计算机网络进行嵌入式融合等等。5、基于 FPGA、SoPC 的开放实验系统 嵌入式技术的一个发展趋势是可重构以及可编程的SoC（System on Chip），基于 Alter公司的 FPGA器件，结合
11、 MaxPlus II嵌入式开发环境，可以完成嵌入式 IC 核的软件实现，完成中小逻辑任务的全数字化逻辑和 SoPC设计，并且可以与其它嵌入式系统配合的多 CPU协同处理工作。6、基于 INTEL IXP425的开放实验系统 该实验系统基于 Intel公司的 IXP425网络处理器，结合 VxWorks和 Linux 嵌入式开发环境的编程，可以完成基本的嵌入式 INTEL高速宽带网络实验，可以对计算机网络架构有较为清晰和明确的认识，进而进行 VPN、IPsec/IKE 的设计与实现。通过对系统 BSP（broad support packet）的掌握，进而对系统硬件底层驱动和嵌入式系统体系架构
12、有一个较为深刻的认识，并实现与与计算机网络进行嵌入式融合等等。7、面向教学的开放源代码的嵌入式操作系统及集成开发环境 针对我们以上开发的 6 个实验系统，以学生自主设计和开发为出发点，我们研制了适用于教学的具有自主知识产权的嵌入式操作系统集成开发环境，并在此基础上不断完善和发展，从而形成具有特色嵌入式的实践教学软件开发平台，学生通过对以上各种嵌入式实验系统开发环境的学习和掌握，能敏捷地掌握各种嵌入式系统的硬软件工作原理和实现手段，从而大大提升学生的动手设计和创新能力。四、建立综合设计实验室，加强工程实践 首先，我们建立了嵌入式系统综合设计实验室。配备了 70 台 PIV的联网机房和 Xilin
13、x的 SOPC协同设计工具，例如 EDK、PROTEL、MAXPLUSII 等，让学生充分掌握设计开发工具，掌握从原理图到电路模拟、到 PCB板的完整设计过程；利用自主研制的 EDA-II实验箱，使学生掌握从 VHDL 语言或原理图输入到逻辑模拟、到编程下载、测试的完整设计过程。嵌入式系统综合设计实验室还配备了自主研制开发系列嵌入式开发板，可以使学生掌握主流的PowperPC、ARM、DSP等开发系统，掌握 VxWorks、Linux、WinCE等主流的嵌入操作系统和相应的开发环境Tornado、SDT，同时掌握软硬件协同开发的工具和方法。由于电子信息类的课程均具有较强的实践性，所以在教学计划
14、实施中我们着力加强工程实践环节的建设，并把嵌入式实践教学平台的运用贯穿其中。工程实践由工程训练、电子实习、毕业实习和毕业论文 4 个部分组成。教学平台在面向创新的信息类专业实践教学中的应用刘泉李方敏徐成吕锋薛立功世纪是人类全面依靠知识创新和应用创新知识的世纪当前我国大学本科教育从总体上来说比较重视课堂知识传授对能力特别是创新能力的培养还很欠缺面的科研成果积极探索了信息类专业面向新世纪的创新实验体系通过构建创新实验体系工程实践电子设计竞赛自主设计学生电子兴趣小组的改革和创新教育走出了一培养创新设计型人才的道路经过两年多的实际应用该成果于年月通国内领先水平一探索了把最新科研成果直接转化为实践教学资
15、源的新途径我们在深化教学改革的基础上提出了宽基础重素质到前沿的专业办学目标所谓到前沿就是利用最先进的科研成果培养学生的创新能力提高学生的综合素质为此就毕业设计来说，主要培养学生的科学研究能力和技术综合开发能力。针对毕业设计中存在的设计课题内容陈旧、理论与实际脱节、学生纸上谈兵多、实际动手少等问题，对毕业设计工作进行了一系列的改革，使毕业设计质量明显提高，加强了学生综合运用所学知识、技能分析解决工程实际问题的能力。基于前面各环节嵌入式实践教学的基础，我们对毕业论文进行了三种模式的探索：（1）教师从科研课题或技术应用开发中选出题目，如嵌入式运动控制器设计，指导学生独立完成；（2）学生到即将分配去的
16、工作单位完成毕业论文，例如，2001 年在中国联通、上海宝信软件公司等单位，有 10 多位同学参加实际项目研究与开发，如基于嵌入式的交通流量检测系统设计；（3）学生自主设计题目，再由教师修改审定，在教师指导下，学生独立完成。经过一个学期的毕业论文工作，使学生的知识和能力得到升华，创新思维得到充分激励。五、电子设计竞赛 大学生电子设计竞赛是一项面向全国电子信息类大学生的群众性科技活动，它对于造就新一代具有开拓意识、创新精神和协作精神的人才意义深远。大学生电子设计竞赛的作用绝非传统的课堂教学和实践教学可以替代的，它能有效地培养学生的动手能力和理论联系实际的能力，它已远不是一个单纯的实验或一门课程的
17、考试，而是多学科知识和实际动手能力的综合运用，无论是所涉及的知识的广度和深度，还是需要具有的综合运用和实际操作能力都具有相当的水平和难度。大学生电子设计竞赛的时间虽只有短短的四天，但其竞争却是相当激烈的，参赛获奖的难度更大。但是，也正因为投身于激烈的竞争之中，参赛学生才得到了锻炼，增长了才干。许多事例证明，参加电子设计竞赛的获奖学生，大多经历了我们系统的创新实践培养。并且由于在创新思维和动手能力上占有优势，越来越受到用人单位的青睐，他们在激烈的就业竞争中已经得到了社会的认可。在连续四年参加的“全国大学生电子设计竞赛”和“全国大学生数学建模竞赛”中，我院均取得了较好的成绩，分别获得了 2001
18、全国大学生电子竞赛二等奖；2001 全国大学生数学建模竞赛二等奖；2003 全国大学生电子竞赛一等奖；2001 全国大学生电子竞赛湖北赛区一等奖、二等奖。2004年湖北省大学生电子设计竞赛一等奖一名，二等奖两名，三等奖五名。六、建立学生电子兴趣小组 电子实验、实习等，往往受到场地、设备、时间等因素的限制，尚不能满足学生的需要，学校应积极开辟各种实践途径，鼓励学生踊跃参加课外科技活动，为了提高电子通信类专业学生学习嵌入式的兴趣，经学院研究决定成立了嵌入式开发兴趣小组。嵌入式开发兴趣小组是一个以“自由、协作、创新”为理念，以推动嵌入式技术进步为己任的技术团体。该兴趣小组为对嵌入式技术感兴趣的学生提
19、供了一个沟通交流，学习提高的良好环境，努力营造了一个互相帮助，老手带新手，新手帮老手的友好氛围。该兴趣小组以嵌入式技术为研究主体，努力保持技术上的先进性和前瞻性，努力通过各种途径为学生提供学习、实践、交流、承担项目、就业联络等机会。为此，小组定期举办嵌入式开发技术讲座，定期举办嵌入式技术沙龙，促进不同水平层次小组成员之间的沟通交流；成立嵌入式开放实验室，提供嵌入式技术实验环境；发布嵌入式系统研究开发项目，提供实践机会；加强与企业的联系和合作，努力帮助学生获得就业机会。教学平台在面向创新的信息类专业实践教学中的应用刘泉李方敏徐成吕锋薛立功世纪是人类全面依靠知识创新和应用创新知识的世纪当前我国大学
20、本科教育从总体上来说比较重视课堂知识传授对能力特别是创新能力的培养还很欠缺面的科研成果积极探索了信息类专业面向新世纪的创新实验体系通过构建创新实验体系工程实践电子设计竞赛自主设计学生电子兴趣小组的改革和创新教育走出了一培养创新设计型人才的道路经过两年多的实际应用该成果于年月通国内领先水平一探索了把最新科研成果直接转化为实践教学资源的新途径我们在深化教学改革的基础上提出了宽基础重素质到前沿的专业办学目标所谓到前沿就是利用最先进的科研成果培养学生的创新能力提高学生的综合素质为此嵌入式开发兴趣小组成立两年多来，很快便凝聚了 100 多名学生，他们积极探索嵌入式技术，普及和推广嵌入式技术，其骨干成员是
21、电子竞赛获奖的生力军，毕业后也成为华为等公司的技术骨干，获得用人单位的高度评价。七、应用情况 开发的现代嵌入式实践教学平台除在武汉理工大学应用外，还在华中科技大学电子系建立了一个 ARM 实验环境，湖南大学计算机与通信学院建立了包括 DSP、ARM、PowerPC 的实验开发环境，同时也在湖南科技大学计算机学院得到推广应用。全国有 1000 多所高等学校，绝大部分高校有信息类和控制类专业，并且是招生最好的专业之一，学生人数多，实验设备需求大，而目前业界对嵌入式人才的需求旺盛，几乎所有相应专业的学校都有建立嵌入式实验室的需求。因此，该实践教学设备具有非常好的市场推广前景。目前，我们与武汉华中天润
22、数码技术有限公司和武汉理工光科股份有限公司合作，由他们负责市场开发，对嵌入式技术实践教学设备进行更广泛的推广应用。八、创新点 1 项目的核心是将嵌入式系统的最新科研成果直接转化为信息类专业的实践教学资源，研制开发了面向信息类专业实践教学的现代嵌入式技术实践教学平台，构建了基于现代嵌入式实践教学平台和创新实践教学体系；2 研究开发了面向实践教学的具有自主知识产权的嵌入式操作系统集成开发环境和具有自主知识产权的 8 位 CPU IP 核，提升了学生的创新设计能力；3 设计的系列嵌入式实验解决方案，不仅能满足各种层次学生对操作技能和嵌入式技术基本原理的教学要求，更重要的能适应本科生和研究生的创新设计
23、以及产品研发的需求。九、相关成果 近 3 年出版相关着作和教材 6 本，发表有关论文 81 篇，其中被 SCI、EI 和 ISTP 检索 46 篇，申请国家发明专利 6 项，各类相关获奖 13 项。教学平台在面向创新的信息类专业实践教学中的应用刘泉李方敏徐成吕锋薛立功世纪是人类全面依靠知识创新和应用创新知识的世纪当前我国大学本科教育从总体上来说比较重视课堂知识传授对能力特别是创新能力的培养还很欠缺面的科研成果积极探索了信息类专业面向新世纪的创新实验体系通过构建创新实验体系工程实践电子设计竞赛自主设计学生电子兴趣小组的改革和创新教育走出了一培养创新设计型人才的道路经过两年多的实际应用该成果于年月通国内领先水平一探索了把最新科研成果直接转化为实践教学资源的新途径我们在深化教学改革的基础上提出了宽基础重素质到前沿的专业办学目标所谓到前沿就是利用最先进的科研成果培养学生的创新能力提高学生的综合素质为此