簡論CDIO的地方高校嵌入式系統模擬實驗室建設研論文
簡論CDIO的地方高校嵌入式系統模擬實驗室建設研論文
論文摘要：主要結合CDIO工程教育模式下地方高校對實踐教學的要求和地方高校實驗室的功能定位，探討地方高校嵌入式系統實驗教學改革的必要性，提出了改善實驗室的硬體環境，引入PROTEUS軟體，加強實驗技術隊伍建設和深化管理體制改革等完善嵌入式系統模擬實驗室建設的構想。
論文關鍵詞：CDIO；嵌入式；模擬；實驗室建設
CDIO工程教育模式的核心內容中關於設計實驗和實踐場所有專門的標準，實驗室作為教學、科研的重要場所，對培養應用型專業人才的地方高校尤為重要，這決定了開設了電氣資訊類專業的地方高校必須建設嵌入式系統模擬實驗室。本文主要從改善實驗室的硬體環境，引入PROTEUS軟體，加強實驗技術隊伍建設等方面提出了完善嵌入式系統模擬實驗室建設的構想。
一、CDIO工程教育模式地方高校實驗室的功能定位
CDIO工程教育模式是直接按照工業界的要求建立的一整套工程教育實施體系，得到了國際高等工程教育界的認同，它從“培養什麼人”和“怎樣培養人”這兩個根本問題出發探索工程教育問題。它具有全面系統性、實踐可操作性、國際先進性和普遍適應性，CDIO工程教育模式是培養大學生實踐能力和創新精神的有效途徑，它有利於促進我國高等工程教育改革，實現我國高等工程教育國際化。CDIO的核心內容包括一個願景、一個教學大綱和12條標準，其中12條標準分別考察專業培養理念、課程計劃的制定、設計實驗和實踐場所、教與學的方法、教師提高以及考核和評估等最根本的、體現CDIO工程教育特色的要求。
實驗室是教師教學、科研和學生實踐的重要基地和場所。實驗室的功能定位直接關係到實踐教學的效果和人才培養的質量。CDIO工程教育模式採用相互聯絡、相互依存的理論和實踐課程體系培養學生從理論學習和全程實踐體系中獲得設計、製作和主動學習的經驗，對以培養應用型人才為目標的地方高校來說，CDIO教育模式特別適合電氣資訊類專業人才培養的需要。筆者認為依據以上模式，地方本科院校實驗室的功能如下：以培養應用型、創新型工程人才為目標，堅持以基本能力和素質訓練為基礎，以綜合素質提高為核心，進一步拓展專業技能訓練，突出學生的創新能力培養，注重工程實踐能力的培養，在實踐技能訓練中培養學生嚴謹求實、勇於創新的`工作作風，形成以學生為主體，理論學習與實踐創新相互促進的教學理念，促使學生的知識、能力和素質的綜合提高。
二、嵌入式系統模擬實驗室建設的必要性分析
實驗室作為開展科學研究、實踐教學和科技競賽等活動的實驗研究基地，即使資金特別緊張的地方高校為了提高人才培養質量，也會優先滿足電氣資訊類工科專業的實驗室建設需要，如湖北科技學院（簡稱“我院”）就建立了電工電子實驗室、微控制器實驗室和金工實習車間，一般都採用相應的實驗臺、實驗箱、各種儀器儀表來滿足教學的需要；但是由於資金和場地的限制，在同一個實驗室包括所有的裝置是不現實的。一般實驗室的裝置功能較單一、適應性較差，造成部分實驗室利用率低下，儀器裝置不能共用共享，人力資源、物力資源都不能被充分利用。因教育經費投入不足，很多地方高校教學儀器裝置的更新率低於退廢率和毀損率，造成儀器裝置陳舊、老化嚴重，無法滿足當今社會實際對校內實驗教學的需要；另外，隨著招生規模日益擴大，儀器裝置的臺套數趨於不足，實驗教學也受到不同程度的制約。
嵌入式技術是多學科交叉的產物，具有較強的實踐性和概括性，不易理解，需要用大量實驗來加深學生的認識和理解，建設好相關實驗室直接關係到學生能否真正掌握所學知識，教學能否達到人才培養目標。隨著嵌入式系統的應用領域不斷擴充套件，新的應用環境對嵌入式技術提出了更高、更嚴格的要求，嵌入式系統不僅需要具有低功耗、高安全性等基本特徵，還將向高效性、高實時性的元件化方向發展。目前，嵌入式軟體已成為軟體體系的重要組成部分，嵌入式技術的研究已經成為我國資訊化程序的重要課題之一，開設了電氣資訊類專業高校都在積極準備建立嵌入式系統實驗室，改進現有的嵌入式實驗教學體制，從教學、科研及專業發展等方面來說都很有必要，不僅有利於培養學生掌握嵌入式系統的基本理論知識和智慧產品的設計、開發技能，而且有利於教師掌握嵌入式技術的應用技能，提高教學、科研服務水平。
三、完善嵌入式系統模擬實驗室建設的構想
要提高嵌入式系統的應用水平，解決地方高校嵌入式系統實驗教學存在的主要問題，必須以建設和完善嵌入式系統模擬實驗室為前提，筆者認為主要應從以下幾個方面完善嵌入式系統模擬實驗室的建設。
1.改善實驗室的硬體環境
隨著擴招，地方高校實驗儀器不足、裝置陳舊，實驗室的硬體不硬，實驗室追求小而全、小而散，如我院電子與資訊工程學院擁有計算機、微控制器開發系統、ARM實驗箱、邏輯分析儀、示波器、訊號發生器等相關實驗裝置，還有專門的金工實習車間，但不少裝置長期處於閒置狀態；有的實驗室又沒有足夠數量、配套的儀器裝置，在實際教學中一些常規儀器裝置經常超年限使用，由於儀器裝置的超常使用，客觀上降低了教學質量。因此，在硬體建設方面必須加強實驗室的整體規劃，合理配置資源，在新購置儀器裝置時必須加強可行性和必要性論證，優先購置先進的、實用的和急需的教學科研儀器裝置，對儀器裝置使用率不高、以前存在閒置浪費現象的院部或實驗中心提出的採購申請計劃不予批准，即使已經批准的採購計劃也要採取向多家供貨單位瞭解其儀器裝置的功能和訊號，以免造成新的閒置和浪費。 2.引入PROTEUS軟體
軟體建設主要指根據實驗計劃和內容，有針對性地給學生提供一個實際操作平臺。PROTEUS軟體可以模擬、分析各種模擬器件和積體電路，具有三十多個元器件庫，數千種元器件模擬模型，多種訊號激勵源和虛擬儀器儀表；能實現微控制器模擬和SPICE電路模擬相結合；支援主流微控制器系統的模擬，提供軟體除錯功能。嵌入式模擬實驗室建設中引PROTEUS軟體，既適合課堂理論教學，也適合實驗室實踐教學，具體做法如下：
（1）在嵌入式系統課堂教學中引入PROTEUS軟體，PROTEUS的極為接近實際的動態演示可以激發學生興趣。授課教師在備課階段先根據教學內容準備好PROTEUS模擬模型，上課開始時先執行PROTEUS模擬模型，使學生看到模擬的執行現象或結果，讓學生產生一種好奇感，教師還可提出幾個與課堂內容相關的問題，讓學生帶著問題聽課，教師在理論知識講授完畢，再把PROTEUS模擬模型的硬體搭建和軟體除錯給學生演示一遍，就會使得具有較強的實踐性、概括性、不易理解的嵌入式技術變得容易理解和接受。
（2）在嵌入式系統實驗教學中引入PROTEUS軟體，會增強模擬性。PROTEUS軟體的執行簡單，只需一臺電腦就可以了，引入PROTEUS軟體，學生在寢室的電腦上就可以透過PROTEUS軟體自己學習嵌入式系統的相關知識，可以自行復習和預習課堂教學內容，透過PROTEUS平臺進行模擬實驗，從硬體的搭建，軟體的設計，軟硬體的聯合除錯都可以自己動手先做一遍，實驗課上學生就可以透過實物平臺進行驗證，透過這種課內外相結合的方式進行實驗，學生對整個實驗的原理、流程和結果都有一個深刻的認識和理解，效果是可想而知的。此外，PROTEUS軟體還可用於大學生的課程設計、電子競賽及畢業設計。
3.加強實驗技術隊伍建設
實驗教學長期被視為一種教學輔助手段，實驗人員作為教輔系列，進入的門檻相對教師系列要低的多，而且有些高校大多數實驗人員都是本校引進的高職稱高學歷人才的家屬，本身的專業背景根本無法滿足指導學生實驗的要求，人員的進修和業務培訓得不到應有的重視，只能勝任儀器裝置的擺放和內務整理及開關門的工作，致使實驗室工作人員的總體業務素質偏低，制約了實驗室各項功能的發揮。筆者認為加強實驗技術隊伍建設應該做到以下幾點。
（1）多渠道、多層次引進優秀實驗技術人員。透過制定相關政策，激勵教授、博士等高學歷高層次人才進實驗室，把實驗室建設與專業建設和學科建設相結合；鼓勵青年理論教師深入企業進行實踐鍛鍊，使他們成為“雙師型”人才，便於日後壯大實驗教學的師資力量；還可以花大力氣將企業界高層次的離退修技術人員補充到實驗技術隊伍中來。
（2）加大培養力度。為了提高實驗隊伍的業務素質，學校應鼓勵實驗人員參加在職進修，到部屬高校或校企共建的實驗室參觀學習和經驗交流等。
（3）加強實驗人員的業務考核。為了調動廣大實驗技術人員的主動性和創造性，應制定一套引入激勵機制、競爭機制的科學合理的考核管理辦法，如“實驗人員工作職責”、“實驗室工作人員考核辦法”等，對實驗人員的德、勤、能等方面德工作全面實行量化考核，有效地激勵實驗人員的工作熱情。
4.深化實驗室管理體制改革
有效的實驗室管理體制有利於實驗人員積極性的提高、學生的實踐能力和創新能力的培養。要深化實驗室管理體制改革，筆者認為地方高校可以實現校、院部兩級管理模式，明確劃分各自的職責和許可權，校級的發展規劃處對實驗室實行宏觀管理，負責實驗中心的建設和實驗室的整體規劃，校級的財務部門提供正常運轉、日常維修以及儀器裝置更新的經費來源和保障，校級的國有資產管理處負責實驗用房的調配，校級的裝置處負責實驗裝置的採購和招標工作，校級的人事部門負責實驗室主任的任命、實驗室工作人員的編制和待遇。院部的實驗中心則需要規劃本院實驗室建設的具體目標，制訂具體的實驗室管理措施，並負責組織開展實驗室教學管理工作。透過實現校、院部兩級管理模式，可以進一步明確兩者之間的職責分工，從而把對實驗室管理的責、權、利結合起來，提高實驗室的利用率和使用效益。
四、結束語
實驗室建設是一項系統工程，是辦好高校、培養合格人才的一項基礎工作，要在搞好硬體基礎設施建設的同時，更注重軟體建設。要辦好電氣資訊類應用型專業必須依靠實踐，因而實驗室必須先行建設；我校的嵌入式系統模擬實驗室還剛剛起步，為全校電氣資訊類專業提供了一個良好的實驗教學平臺，下一步將繼續總結我校以及其他兄弟院校的經驗，提高實驗技術隊伍的素質和責任心，深化管理體制改革，為全校師生提供一個良好的教學、科研和實踐環境。