基于智慧農業的嵌入式系統課程體系建設探索

摘 要：本文首先介紹了智慧農業背景下的物聯網嵌入式系統發展，進而結合都市型現代農業，從我校計算機專業嵌入式系統方向培養要求和教學目標出發，探討了嵌入式系統課程體系建設中涉及課程設置、實踐教學等問題，對培養都市型現代農業信息技術人才，進一步推進嵌入式技術在智慧農業發展中的應用具有積極的現實意義。

關鍵詞：智慧農業 嵌入式系統 體系建設

中圖分類號：G643 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（a）-0141-02

隨著計算機信息技術的發展，我國傳統農業正在加快向現代農業轉型，而智慧農業將成為現代農業未來發展的趨勢。智慧農業將農業看成一個有機聯系的系統，依托嵌入式技術、感知技術、互聯互通技術、智能化技術等綜合、全面、系統地應用到農業系統的各個環節，使得農業系統的運轉智能化、多功能，大力推進農業科技創新。

智慧農業所涉及的關鍵技術包括嵌入式技術、檢測技術、通信技術等。嵌入式是當前發展最快、應用最廣、最有發展前景的信息技術應用領域之一。目前，許多高等院校的計算機、電子、軟件等專業針對市場需求，開設了嵌入式系統相關課程，也在逐步完善適應社會需求的嵌入式系統的教學體系。本文基于智慧農業背景，結合都市型現代農業開設嵌入式課程的經驗，對農林院校嵌入式課程教學改革進行了探討。

1 智慧農業物聯網嵌入式系統

智慧農業是最近興起的一個概念，出現的時間很短，目前還沒有一個公認的定義。中國農業大學李道亮教授認為： 智慧農業是以最高效率地利用各種農業資源，最大限度地降低農業成本和能耗、減少農業生態環境破壞以及實現農業系統的整體最優為目標，以農業全產業、全過程智能化的泛在化為特征，以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯網技術為支撐和手段，以自動化生產、最優化控制、智能化管理、系統化物流和電子化交易為主要生產方式的高產、高效、低耗、優質、生態和安全的一種現代農業發展模式與形態。

要建設智慧農業，就要依托物聯網等先進的科學技術。物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）的概念是在1999年提出的，2005年國際電信聯盟（ITU）發布的ITU互聯網報告，對物聯網做了如下定義：通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

智慧農業物聯網唯一的物聯源頭是嵌入式系統。隨著嵌入式系統的各個領域應用需求的多樣化，嵌入式技術已成為當今電子技術發展的主流。

本文基于嵌入式技術，針對農林院校計算機專業嵌入式系統方向課程體系的特點， 通過一系列教學嘗試，對計算機專業嵌入式系統方向的課程體系建設進行了一些探索，使學生在保證專業原有課程的基礎上，根據專業方向的不同，側重點有所差別，將智慧農業貫徹課程體系始終，使學生在軟件和硬件設計方面都得到很好的鍛煉，最終為都市型現代農業培養全方位的信息技術人才。

2 嵌入式課程體系建設

（1）我校計算機專業嵌入式系統方向培養和教學目標。

我校計算機專業嵌入式系統方向培養目標培養側重嵌入式軟件設計開發的嵌入式系統開發人員。根據學生的接受能力，嵌入式系統的學習體現層次性、漸進性、注重實踐性，尤其側重培養在農業領域中的嵌入式系統應用能力。（圖1）

嵌入式系統課程體系的設置體現“注重工程能力培養的嵌入式系統人才知識體系”，學習側重嵌入式軟件設計部分。嵌入式系統教學體系教學目標是掌握四個“1”，即“一種主流嵌入式微處理器、一門開發語言、一種嵌入式操作系統、一套開發工具”，嵌入式開發語言主要有匯編語言、C和C++語言、Java語言等；嵌入式操作系統主要有Windows CE、Linux等；集成開發工具主要有Windows CE開發工具、ADS等。

（2）嵌入式系統課程體系。

北京農學院計算機與信息工程學院自2011年設置了計算機專業嵌入式系統方向，根據自由選擇的原則在大學三年級實施特定方向培養，同期購買了30套嵌入式開發實驗平臺設備，可實現每人一臺的教學環境。

嵌入式系統課程體系大致可分為：基礎課程、專業基礎課以及專業課。

基礎課程在大學一、二年級開設，主要學習理工科的一些基礎課程，如高等數學等。

專業基礎以及專業課的開設時間以及內容如表1所示。需要特別說明的是根據我校“3+1”本科人才培養模式，大學前六個學期完成的是課內學習，旨在掌握較寬厚的基礎知識和扎實的專業知識，最后一學年有計劃地到校內外實調基地進行為期一年的實踐和實訓，所以第七學期和第八學期是專業實習和畢業設計實習環節。

嵌入式導論課程：介紹嵌入式的主要應用領域、嵌入式軟件開發的基本概念、嵌入式軟件開發的基本流程和基本方法、嵌入式系統的特點。

嵌入式操作系統課程：介紹嵌入式系統基本知識，嵌入式操作系統與通用操作系統的差別。結合典型的嵌入式操作系統對操作系統的基本構成、工作機制、系統移植剪裁和實時任務調度等內容進行介紹。我校根據具體情況選擇、Linux、WinCE等嵌入式操作系統進行教學。

嵌入式程序設計基礎：介紹嵌入式系統體系結構、嵌入式系統設計的基本方法、軟件編程及外圍設備接口和驅動等。通過該課程的學習，學生了解和掌握必要的嵌入式系統設計方法學的概念、方法和工具嵌入式程序設計基礎，掌握嵌入式系統的基本原理與設計開發思想，學生能完成簡單的嵌入式系統的軟硬件設計。

JAVA開發語言：介紹Java語言的體系結構、Java語言的基本概念和程序設計的基礎知識、面向對象的程序設計的思路和方法。培養學生的編程能力，使學生能夠運用Java語言作為完成應用程序設計。

嵌入式接口技術：介紹鍵盤接口、LED顯示器接口、觸摸屏、通信接口、中斷接口、A/D和D/A轉換、ARM的JTAG接口。

嵌入式高級編程：介紹Android嵌入式開發環境搭建的方法，項目結構；Android的體系結構，嵌入式軟件開發流程；嵌入式特性開發，多媒體開發，數據存儲開發，聯網開發等開發方法，學生通過實踐能達到獨立完成開發單機、網絡嵌入式軟件的能力。

3 嵌入式課程實踐教學

（1）層次化實驗實踐教學。

實驗室選用UP-Magic6410嵌入式實驗開發平臺，著重培養學生在該平臺下進行嵌入式Linux程序開發的相關環境搭建與軟件設計方法的能力。針對各模塊以及嵌入式系統的應用背景，按照由淺入深，不同課程層次對應不同實驗項目等原則，組織設計了三個層次的實驗，循序漸進，逐步提高，以滿足不同階段的實驗和實踐需求，分別為涉及嵌入式導論的基礎性實驗、涉及嵌入式程序設計基礎的實操性實驗、設計嵌入式高級編程的提高性實驗。基礎性實驗多以理論驗證為主，在于學習方法；綜合性實驗和提高性實驗則多以應用為主，在于提高能力。三個層次的實驗教學內容，為學生提高了動手能力，進一步的實踐開發和畢業設計打下了良好的基礎。

（2）通過項目案例，強化實踐教學。

首先，依托教師實際的科研或工程項目，教師在實驗課程實施時，可以按照模塊化將案例的分解到各個部分，鼓勵學生對實例所采用的技術和方案進行不同角度的評價，變被動知識灌輸為主動探索思考，使教學理論知識與科研實踐有機地結合在一起。

其次，在設計綜合課程設計等綜合性實驗時，結合教師實際的科研或工程項目，在強調基礎性知識掌握的同時，鼓勵學生創新的綜合設計。使得學生既掌握了一些具體的通用的嵌入式系統的開發方法，也能發揮主觀能動性，獨立設計并實現較完整的嵌入式系統，激發學習、創造熱情。在課程設計綜合實驗中，考慮到學生水平差異，按照“自由組合、自主選題”的原則，要求學生課外查找資料進一步地學習，引導學生進行主動性學習，對某些問題進行深入的分析研究，進而提出自己的設計思想，此環節中設計思想的原創性也將作為課程考核的重要內容。

（3）鼓勵學生參與科研項目，注重培養創新能力。

通過項目實踐來鍛煉和提高學生動手能力是非常重要的。我校實行導師制指導學生，在參與教師科研項目的過程中，本科生導師負責學生在整個科研期間從理論到具體操作的各個環節的指導工作，加強了指導力度。

學生在家禽食品安全追溯系統的嵌入式系統應用項目中，教師組織學有余力的同學成立興趣小組，直接參與到前沿的課題和項目中去，將食品安全追溯系統按照生產鏈的六個環節分解成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項目的形式實踐開發，真正做到“在學中做，在做中學”，以務實的項目培養學生的實踐科研能力。

（4）鼓勵學生積極參與課外科技活動。

近年來，高等院校加大了學生的課外科技活動開展的力度，筆者指導的學生參與了北京市大學生科研計劃，利用嵌入式平臺，對溫室環境等參數檢測，進而對溫室大棚實現智能化控制，學生在該課題中，運用所學理論知識，系統的完成了整個項目，獲得了北京市大學生科研計劃成果二等獎，尤其值得一提的是，畢業的學生在擔任京郊村官期間，將課題成果應用于所服務的村鎮，取得了良好的效果。實踐證明，鼓勵學生參與課外科技活動，將會拓展學生的知識體系，并學以致用，對進一步提高學習興趣以及培養合作精神發揮了至關重要的作用。

（5）做好畢業設計及畢業實習

我校實行的是采取“3+1”人才培養模式。以往學生在第八學期進行畢業論文和實習，部分學生在校內機房根據教師給出的題目完成畢業實習和設計論文，學生如果不走出去。就無法完成理論與實踐的有機結合，部分同學雖然通過實習單位的學習完成畢業論文，但是畢業設計和論文的時間和質量也難以保證。因此，我們將畢業論文提前到第七學期安排任務，進行設計、論文的前期準備及調試工作，既可以保證充分的畢業設計時間又可以提高學生專業課的學習興趣和主動性，做到有的放矢.提高設計.論文和專業課的學習質量。

針對在校學生缺少行業背景知識這一缺點，在教學中大力開展了與企業的合作，直接把學生派到相關企業進行實習和畢業設計，使得培養的嵌入式人才能夠適應企業的需要，目前我院已經建立了中軟、中國農業科學院信息所等校外實習基地，并簽訂了相關的實習協議。一方面學生在實踐工程項目中完成畢業設計和論文，綜合能力得到極大的提升，另一方面用人單位在與學校合作辦學的過程中也為自己培養了急需的技術人才，實行了定單式培養，最終構筑高校.學生和企業獲利的共贏平臺，從而實現人才培養和社會需求的無縫對接。從以往經驗來看，選擇嵌入式系統開發課題并能按時保質保量完成課題的的學生知識面更廣，就業面更寬，既可以從事軟件開發，也可以適應硬件的開發工作。

4 結語

嵌入式系統作為應用性極強的課程，其教學體系建設是一項復雜而艱巨的任務，包括完整的課程設置體系結構、不斷的豐富實踐教學內容，獲取更多的實踐項目等內容。隨著嵌入式在現代農業應用的迅猛發展，如何真正立足于農業院校發展特色，培養高素質嵌入式系統農業信息化人才，將是我們今后教學的方向和努力目標。

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