大学生电子技术类创新实践基地的建设与成效

大学生电子技术类创新实践基地的建设与成效

堵国樑　汤勇明　朱　为　凌　明

（东南大学电子科学与工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　笔者所在的学院基于其嵌入式系统实验室开展了大学生创新实践基地的建设工作，一方面建设了提高大学生电子类系统设计实际开发能力的嵌入式系统和可编程逻辑器件课程，另一方面直接支持了大学生的创新实践活动项目，取得了良好的成绩。本文介绍了该大学生创新实践基地建设的相关工作情况和大学生创新实践活动的开展情况，也对所做工作进行了一定的总结。

【关键词】　创新实践基地　嵌入式系统　可编程逻辑器件　创新实践项目

【中图分类号】　G642．44　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2007）04－0045－04

东南大学电子科学与工程学院针对学院的实际情况，在学校相关部门政策上和经费上的支持下，于2004年成立了“嵌入式系统实验室”。确定了“以嵌入式系统实验室为中心，以可编程逻辑器件基础及应用和嵌入式系统设计课程为主干，以科研成果为依托，以理论与实践结合为指导，构建完整的本硕贯通课程体系及实践平台”的教改思路，从实验室建设、课程建设到支持大学生实际创新活动等多方面开展工作。经过两年多的实际运行，该实验室作为东南大学电子科学与工程学院的大学生创新实践基地已取得了良好的效果。

1．实验室建设

嵌入式系统实验室以40套标准实验装备配置进行规划，相关部门积极配合，无论在经费还是场地使用上都给予了帮助。实验室管理和构架采用新型模式，除了配备一名常规管理人员外，参与实验室建设和教学的人员，都是在不同学科领域中教学科研一线的教师。我们以课程组的方式进行组合，共同参与课程体系、实践平台的建设和改革。通过共同探讨得到较全面的课程体系，同时也在一定程度上减轻了学校用于专职实验教学人员编制的压力。

我们根据教育部提出的“要进一步加强科学研究和教学实验的结合，推进实验教学内容、方法、手段及人才培养模式的改革与创新的指导性意见”^［1］，建设嵌入式系统实验室中实践平台，将科研成果进行有机转化，研制出有自己特色的、适合教学过程的自主实践教学平台。“可编程逻辑器件基础及应用”实践平台，利用了国家863计划“PDP重大专项”中的研究成果，将其中相关部分经过提炼整合成实践平台；而“嵌入式系统设计”实践平台则是ASIC国家工程中心利用授权研发的具有自主知识产权的ARM芯片，并在此基础上开发研制ARM教学开发实践平台，这在国内高校中还是比较少见的。

嵌入式系统实验室建成后，吸引了国内外知名企业参与办学。2004年周立功公司无偿给实验室捐赠了30套ARM开发实验平台；2006年，美国AL　TERA公司正式与本实验室合作，建立了“EDA／SOPC联合实验室及培训中心”，同时赠送了价值三十多万美元的软硬件实验平台。这些资源对大学生的创新实践活动起到了很好的作用，为学科建设和科研开发提供了有力的支撑。

2．课程建设及教改

（1）课程体系建设思路

可编程逻辑器件和嵌入式系统越来越得到各行各业的广泛应用，对这类人才的需求也越来越旺盛，由此对高校相关课程的设置也提出了新的要求。东南大学电子科学与工程学院在2001年就开始建设可编程逻辑器件与嵌入式系统课程体系，向学生系统讲授相关知识。课程体系建设的基本指导思想包括以下几点：

①强调课程建设的先进性和时效性，即课程所介绍的是当前行业广泛运用的主流技术，保证授课内容在一段时间内不落伍。

②强调课程建设中软硬件的协同设计，即在课程建设的同时开发对应的教学实验平台。

③强调课程对学生能力培养的全面性，即通过课程教学，从理论知识到实践动手能力，从设计技巧到工程规范，从提出问题到解决方案，从开发流程到系统实现，从人员分工到团队合作等多方面让学生增长知识、积累经验。

④强调课程的系统性，即在构建课程体系及教学内容时考虑本科生及研究生的相互衔接，实践教学平台做到最大限度的本、硕共享。

（2）“嵌入式系统设计”课程建设

“嵌入式系统设计”课程的主要教学目的和内容包括：

①使学生了解嵌入式系统的概念，熟悉嵌入式系统软硬件设计、调试的流程和一般性方法；

②针对目前流行的基于ARM架构的嵌入式微处理器与源码公开的操作系统uClinux进行详细剖析，并结合具体嵌入式系统开发实验，使学生能够掌握嵌入式系统的设计与开发方法。

本课程的建设工作及具体成果包括：

①已公开出版教材一本。另一本讲义也已使用二届，修改后即将正式出版。

②完成全套多媒体教学课件的制作工作。

③完成课程配套教学实验平台的开发及其实验指导书的编写。

（3）“可编程逻辑器件的基础与应用”课程建设^［2］

课程的主要教学目的和内容包括：

①认识最新的PLD产业发展情况和主流PLD芯片的选择，紧跟新技术发展动态；

②扩展以PLD技术为主的逻辑电路系统设计知识面，提高对技术的认识层次；

③加强实际PLD软硬件设计能力的培养，使其具备独立的设计中等规模逻辑电路系统的能力；

④加强HDL编程训练，突出模块化思想及规范性要求，同时使其熟悉团队协同工作模式，为以后参加大型逻辑系统开发项目做准备。

结合上述教学内容计划，“可编程逻辑器件的基础与应用”课程建设工作主要围绕三个方面展开：

①组织授课内容，改进教学方法。将可编程逻辑器件及其相关设计技术（包括其最新技术发展）介绍给学生，增加学生教学中参与讨论的环节；

②建立实验体系，组织实验内容。通过构建新的实验体系，培养学生的可编程逻辑器件设计能力，积累逻辑系统的开发经验；同时学习逻辑系统的模块化划分和团队合作工作模式，加强实际锻炼，并在设计开发的规范性方面加以引导；

③设计配套实验电路系统。针对新建的实验体系，配套设计其适用的实验电路系统，包括实验电路及其附件（如电源、下载电缆、功能扩展子板等）、电路系统使用说明书和实验指导书。

近年来，我们连续申报成功了三项东南大学教改项目：“嵌入式系统设计课程的教学及实验研究”“嵌入式系统课程体系及实践教学平台的研究”以及“可编程逻辑器件的基础与应用课程教学及实验方法研究”。这些教改项目的开展为课程体系的建设及实践平台建设提供了强有力的支撑。

3．大学生创新实践活动支持

本学院组建的嵌入式系统实验室，在满足相关课程讲授和实验的同时，也已成为大学生创新实践基地。

学生课外科技及创新活动可以分为两大类，一是多数学生都需要参加的项目，如由东南大学教务处组织的学生课外科研训练计划（SRTP）；另外是部分有专长的学生参加的活动，如电子设计竞赛活动。虽然竞赛活动性质和要求不同，但在创新实践基地都可以得到支持。其主要作用如下：

（1）对学生在SRTP项目选题上起到引导作用。它可以使学生从某些纯调查类项目转向能实现特定功能的电子系统设计开发，更好地体现学校启动SRTP项目时的初衷，创造更多机会让工科学生能够独立进行实际科研项目的开发，提高实践能力；

（2）对学生有效完成SRTP项目起到保障作用。由于实验平台中有现成的单片机、可编程逻辑器件和ARM芯片等，使学生的项目开发硬件调试工作量下降，成功实现项目目标的概率随之提高；

（3）学生在开展SRTP项目时能产生创新灵感。学生在项目开发过程中更能专注于体现项目的特色，有助于他们完成设计，实现不同程度的创新。对于参加校内外各项学科竞赛活动的学生，嵌入式系统实验室担当起了主要的技能培训和项目实施平台的任务。不仅可以得到指定专业指导教师的培训，而且能够任意选用其中的实验平台、电路系统和实验设备等。

上述工作配合了“可编程逻辑器件”和“嵌入式系统”的课程教学和实验，真正起到了提升学生创新实践能力的作用。学生已在各类课外学科竞赛和科技创新活动中取得了优异的成绩。如近两年来，在大学中的SRTP项目数量、整体按期完成度及优秀作品完成数量等方面都名列前茅，并在校内外多项大学生电子设计类学科竞赛中也取得很好的成绩。其中包括2004年“芯源杯”全国IC设计大赛本科生组特等奖，在2004年和2006年的“Intel杯全国大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题邀请赛”获二、三等奖。

4．总结

在嵌入式系统实验室基础上所做的大学生创新实践基地建设工作，从课程建设到配套教材、实验平台的开发，从课内本身的教学实践到对课外大学生创新实践活动项目的支持，已形成一套相对成熟和完整的体系，实现了对我院学生在电子设计类课程从理论教学为主到加强实用化锻炼的延伸。总结以上工作，主要有以下一些经验：

（1）积极投入

首先，在实验室建设过程中从场地到资金都需要有大量的投入。学院给出一间标准教室按照高要求进行装修布置。设备投入包括，从全套语音系统到投影设备，从计算机到网络，从直流稳压电源到示波器，使之成为电子技术类课程实验和教学皆适用的多功能教室。

其次，在课程实验平台的建设过程中，以较少的投入达到理想的效果。“嵌入式系统设计”课程的实验平台是自主研发的产品，通过校办产业生产销售，减少了经费的投入；“可编程逻辑器件基础与应用”课程实验平台的研发、制作等都是相关教师自己完成的。达到了节约经费和对教学支持作用的突出效果。

（2）系统规划和组织

可编程逻辑器件和嵌入式系统教学和实践平台的建设工作得到了系统的安排和落实。在嵌入式系统实验室建设之前，我们就提出了这两门课程的建设思路。在实验室建设期间，分别对两门课程提出了教材和实验平台的建设要求，明确了课程在实践能力培养方面的具体期望。同时申请校级教改项目，进一步推动课程建设工作；在实验室建设完成后，两门课程建设成果与配套实验平台一起相继投入本科教学工作。

（3）软硬件协调发展

建设可编程逻辑器件和嵌入式系统的教学实践平台最主要的目的，就是加强学生参与创新实践活动的能力培养。因此，应自始至终注重对于课程建设本身及其配套实验平台的协调发展。课程建设包括教学大纲、教材和多媒体课件等软件建设；实验平台包括实验电路系统、配套附属电路、实验大纲、实验指导书等课件开发。

（4）产学研紧密结合

鉴于电子科学与工程学院的科研实力比较突出，学院的多数教学人员同时也工作在科研和产业开发的第一线。本次教学实践平台的开发过程充分展现了产学研相结合的巨大作用。嵌入式系统课程实验平台走出了一条与产业化产品同步开发的道路；可编程逻辑器件课程实验平台则在科研任务开发间隙倾力打造。

（5）课内外同步作用

创新实践基地在承担两门课程教学的同时，直接对各类学生课外学科竞赛和科技创新活动提供支持。根据学生课外科技活动的特点，采取不同的支持模式，为他们提供了良好的活动环境和平台。

（6）充分利用各种社会资源

嵌入式系统实验室在成立之后并没有局限在电子科学与工程学院范围内，而是积极与校外各企事业单位联系，探索可行的合作办学模式。在已建成的教学实践平台的基础上，进一步吸引了社会资金和技术的投入，改进实验室本身的建设工作。

参考文献：

［1］　《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》（教高〔2007〕2号）

［2］　汤勇明，郑姚生，等．“可编程逻辑器件的基础与应用”课程建设与教学实践［J］．南京：电气电子教学学报，2007，29（4）

（原载于《电气电子教学学报》，2007年第4期）