本科嵌入式系统教改中虚拟仿真技术的应用价值与实践探讨

一、引言

嵌入式系统是计算机技术、电子技术、控制技术等多个学科的交叉与融合学科之一，目前在工业自动控制、物联网技术以及智能装备等领域应用广泛，但现阶段在本科院校的嵌入式系统课程教学中存在三个问题，硬件资源投入成本较高，STM32 和 ARM 系列开发板及配套的多种传感器模块资源的购置成本和维护成本较高，难以支撑全校范围内嵌入式系统的课程教学；有些实验系统存在安全隐患，如嵌入式系统应用在工业控制、汽车电子等方面，由于嵌入式硬件条件的限制，难免存在造成设备损坏或者安全事故等问题；在传统实验教学中，无法拓展学生的创新性设计空间，难以让学生针对复杂系统级的设计问题进行实践。虚拟仿真技术利用计算机仿真模型、仿真软件、交互技术等构建仿真的交互虚拟环境，为解决以上三个问题提供了解决方案，虚拟仿真实验教学平台应用于实践教学中，使嵌入式系统教学能够转变传统的教学方式，提升教学的有效性。

二、虚拟仿真技术的应用价值分析

（一）突破硬件资源瓶颈，降低教学成本

嵌入式系统实验室包括不同架构的 CPU(51 单片机、STM32、Arduino)，各种传感器模块 ( 温度、湿度、陀螺仪、蓝牙等 )，以及各种调试工具 ( 示波器、逻辑分析仪 )，而常规的实验室建设需数十万元，更新换代周期短，维护成本高昂。虚拟仿真通过 Proteus、Keil、MATLAB/Simulink 等仿真软件在计算机内模拟构建一套完整的硬件电路与软件系统仿真嵌入式系统硬件开发、程序编写、系统调试过程。

（二）构建安全实验场景，拓展实践边界

嵌入式系统的实验如应用于工业控制、汽车电子往往会有高压、高速运动等危险工况，以往实验无法设置这种极端工况或者故障工况。而虚拟仿真技术借助于三维建模和物理引擎，为实验的开展提供高度拟真的虚拟实验环境，在虚拟的环境中，学生能够安全开展对异常工况的调试和故障诊断[1]。比如，学生可以用 MATLAB/Simulink 搭建虚拟工业生产线，可以完全不接触真正的设备进行调试，模拟电机超载、传感器故障等异常工况，学习嵌入式控制器处理故障工况的方法；学生可用CarSim 软件搭建虚拟的汽车电子系统，调试汽车发动机的 ECU 控制，避免学生操作不当带来汽车损毁的威胁。

（三）支持个性化学习，深化理论理解

嵌入式系统包含处理器体系结构、操作系统内核、硬件外设接口等多个层面的内容，基于传统的实验，受课时和空间的限制，学生们对嵌入式系统底层知识很难通透掌握。虚拟仿真的平台方便学生在 7×24 小时不限时远程实验，在虚拟平台上完成自定义的实验设计后可反复进行测试。针对“嵌入式操作系统”实验，基于 Virtual Box 虚拟的 linux平台，实验过程中可实时查看进程调度、内存管理等操作，平台会自动保存寄存器、总线通信信息等底层参数，便于直观掌握“死锁”“优先级反转”等较为抽象的内部概念。

三、虚拟仿真技术的实践路径

（一）虚拟实验平台的分层构建

虚拟仿真实验平台的构建中，应遵循“基础 - 综合 - 创新”三级虚拟实验平台构建逻辑，满足不同教学需求。首先，在基础层可以基于Proteus、Keil 等软件搭建单片机、ARM 处理器等基础开发环境配套标准化实验案例，覆盖相应的知识模块，并且帮助学生掌握嵌入式系统开发的基本技。在整合层通过 LabVIEW、ThingJS 等软件搭建物联网、工业控制等方面的应用环境，整合温湿度传感器、ZigBee 通讯模块、虚拟PLC 等，实现智能家居、环境检测等系统的实验，培养学生的综合集成能力。在创新层增加 Unity、UnrealEngine 等 3D 引擎，呈现仿真的工业环境（智能工厂、无人车间），学生可以自主定义嵌入式控制算法，进行虚拟调试改进生产过程，提供开展创新项目研究及课题研究的环境。

（二）课程体系的虚实融合重构

在课程体系重构中，以“理论 - 虚拟 - 实操”为切入，构建三位一体的课程体系，持续强化虚实结合的教学效果。在理论课程层面，根据“嵌入式系统原理”等课程实际情况，借助虚拟仿真演示处理器流水线、总线协议、存储架构等抽象内容 [2]。在虚拟课程层面，可开设 16 学时《嵌入式系统虚拟仿真实验》，然后设置硬件仿真、系统调试、应用开发三大模块。在实践内容保留 8 学时的实践教学（硬件实践主要解决好基础动手能力训练问题，比如电路的焊接、示波器的使用、硬件的调试等），选取代表性开发板（如STM32F103）进行核心模块的动手实践，从而降低硬件开发成本。

（三）教学模式的创新实践

在教学模式创新中，首先引导学生基于虚拟实验平台完成项目原型设计。例如，在“智能小车”项目中，让学生先在 Proteus 中设计电路原理图，编写电机驱动和循迹避障程序。其次，使用虚拟调试优化算法，根据不同路面行驶测试，对控制策略进行仿真验证，如：使用 PID算法仿真模块，根据参数优化小车速度稳定性。在此基础上，根据虚拟验证的最优方案来搭建实际硬件系统，由于前期虚拟仿真已排除主要代码漏洞，硬件实现成功率从传统模式的 30% 提升至 75% 。最后，将实验过程中记录的数据上云，教师利用 AI 分析对学生代码的逻辑漏洞提出针对性的完善意见，做到“设计- 仿真- 优化- 实现”的闭环式教学。

结语

在本科嵌入式系统教学中通过虚拟仿真技术的有效应用，能够为课程教学的改革以及实践创新提供可行路径，并且为突破传统教学的硬件瓶颈与安全限制，提供可靠的工具。未来，随着 AI 驱动的智能仿真技术应用以及元宇宙实验场景等技术在教育教学领域中的发展，虚拟仿真技术将更加深入地与嵌入式系统教学深度融合，进而推动教学模式从“知识传授”向“创新能力培养”转型。

参考文献

[1] 张宏伟 , 王硕 , 王新环 ." 互联网 + " 背景下嵌入式系统沉浸式教学改革研究 [J]. 工业和信息化教育 , 2024(5):52- 58.

[2] 侯志伟 , 杜青青 , 包理群 . 融入虚拟仿真的 ST M32 应用开发实验教学改革与实践 [J]. 物联网技术 , 2024, 14(7):147- 151.

作者简介：丁子佳 1985 年 10 月 女 汉族 山东省莱西市 单位 中级 硕士 研究方向物联网嵌入式