嵌入式系統與設計在物聯網工程專業的教學方法探索

謝盈 丁旭陽 陳建英 穆磊

摘要：本文結合物聯網工程專業的特點，在對“嵌入式系統與設計”教學現狀進行分析的基礎上，對該門課程的教學方法和教學內容進行了補充和完善，使該課程更符合物聯網工程專業的本科培養目標。

關鍵詞：嵌入式系統與設計;物聯網工程;教學方法

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）43-0131-02

隨著信息技術的發展，物聯網（Internet of Things，IoT）作為繼互聯網之后的一種新興產業，將包括用戶、設備和設施在內的各種終端通過傳統互聯網技術實現互連互通，以提供個性化、集成化的應用。目前，物聯網產業已經以“新一代工業革命”的趨勢，成為世界經濟產業的基礎，在生產生活中的各個重要領域都需要大量物聯網工程專業的人才[1]。為了適應物聯網產業發展下的人才需求，教育部已在各大高校確定了上百個物聯網相關專業，以期培養更多相關人才適應產業和社會的需求。

物聯網是一個交叉學科，融合了傳感器技術、通信技術、RFID技術、嵌入式系統與設計技術等多個學科[2，3]。其中，嵌入式系統與設計技術是實現感知和控制必不可少的前端平臺，也是物聯網專業的一門重要必修課程。

目前，我院已開設了“嵌入式系統”和“嵌入式應用開發”兩門課程，以培養學生具有初步的嵌入式系統軟硬件開發能力。相關課程教學主要是基于MCU（如ARM處理器等）和嵌入式操作系統（如Linux等）的編程教學，教學內容與物聯網工程專業結合得不夠緊密，與物聯網工程專業的學生培養目標存在著一定的偏差。

一、課程現狀

物聯網工程專業“嵌入式系統與設計”課程在教學過程中還需要在以下四個方面進行完善。

1.前導課程部分。“嵌入式系統與設計”作為一門交叉學科，對學生所應具備的基礎知識提出了較高的要求，學生需要進行大量前導基礎課程的學習，包括：操作系統、單片機、組成原理、C語言、電子電路學、傳感器技術、網絡與通信技術、RFID技術等[4-6]。在實際教學中很難保證每門前導課程的開設質量，而對于學過的課程，學生一般不愿自覺進行有針對性的復習。

2.實驗實踐部分。該門課程作為一門實踐性強的課程，需要通過大量的、綜合性的實驗來提升學生的動手能力。當前該門課程的實驗內容主要以ARM編程為主，不涉及傳感器網絡、RFID等智能終端的系統集成應用，不符合物聯網專業學生的培養目標。

3.應用開發部分。在物聯網應用中，嵌入式系統更依賴于具體的應用背景。目前，通信、自動化等專業以嵌入式處理器為核心，主要側重于硬件部分的教學;計算機、軟件等專業則以嵌入式操作系統為主導，更多地偏向于軟件部分的教學。而對于具有學科交叉性的物聯網專業的教學來說，既需要硬件部分的教學也少不了軟件部分的教學。

4.前沿知識部分。隨著物聯網應用的推陳出新，嵌入式領域的相關知識更新很快，教師需要不斷補充學科前沿知識，更新教學內容，讓學生形成更完整的知識體系。目前的“嵌入式系統與設計”的教學不適應物聯網專業人才的培養需求，本文對該門課程授課內容、授課思路和授課方式進行了相應的調整和補充，使該門課程更具目的性和針對性，更符合物聯網工程專業的學生培養目標。

二、課程在物聯網工程專業中的教學方法探索

“嵌入式系統與設計”作為物聯網工程專業的重要必修課程，在實際教學中主要從課堂上的理論教學和實驗課上的動手能力培養完善目前教學過程中的不足。

（一）理論教學環節

課程在理論教學中，需要在夯實學生理論知識的基礎上擴展學生思維和視野。為此，在理論教學環節采取以下手段幫助學生掌握理論知識。

1.將課堂直接講解與課后間接交互相結合。“直接講解”主要通過傳統的教師課堂授課、課后答疑、作業練習、階段性隨堂測試的方式展開。針對前導課程多，學生不愿主動復習的情況，提出了課后“間接交互”的方式。在課后，教師整理每個章節中涉及的前導知識，并以提綱的形式放到課程網站或課程微信公眾號上，通過布置課后小論文、隨堂抽問等形式督促學生提前有針對性地復習。再將學生分成小組，每個小組在課后輪流將本次課程的相關資料放到課程網站或課程微信公眾號上，以方便其他學生查閱和指正。通過這種“間接交互”的方式可以讓學生參與到講授過程中，間接地提高了學習積極性。相關材料包括：前導知識點講解的文檔、參考書籍、參考教材、平臺軟件下載、教學大綱、實驗大綱、課程ppt、實驗指導書和范例資源等。

2.在教學過程中通過差異性對比，幫助學生理解理論知識。嵌入式系統與通用計算機系統、物聯網應用與一般的網絡應用都有相似和各異的地方。在授課過程中，教師應當從嵌入式系統與其他計算機系統（如桌面系統）的對比、物聯網應用與一般網絡應用的差異中幫助學生理解理論知識。譬如，將嵌入式交叉開發方法與學生熟悉的本地化軟件開發方法進行對比，將嵌入式操作系統和普通桌面操作系統進行對比等。

3.培養學生的自學能力讓學。生養成借助廣泛的媒介資源去搜集、提煉、擴充知識的習慣。基于物聯網背景下的嵌入式系統及設計的知識是相當豐富的，而本門課程通過“間接交互”的方式提供的課程資源和參考資料是有限的。因此，在課堂教學中老師應引導學生充分利用互聯網、圖書館等資源，搜索與課程內容相關的資料，并適時在課堂上組織討論，讓學生歸納總結，以便達到舉一反三、加深印象和理解難點的作用。長此以往，能培養學生養成自學的習慣。

（二）實踐教學環節

物聯網工程專業的“嵌入式系統與設計”課程實驗環節應有物聯網相關的實驗內容。課程通過層次化的實驗體系，從基礎實驗、應用實驗到綜合實驗，促使學生循序漸進地提高動手能力，達到能力訓練和啟發創新的目的。其中，基礎實驗主要加深課程學習后對原理、方法的理解。實驗內容包括：嵌入式交叉開發環境的搭建及使用、gcc/gdb/makefile的使用、I2C/UART數據讀寫、處理器時鐘電路/復位電路設計、JTAG調試接口電路設計、外設及接口模塊設計等。應用實驗主要培養學生以嵌入式系統作為物聯手段來實現物聯網應用。實驗內容包括：多任務系統開發、嵌入式GPRS通信、溫度傳感器的數據讀寫、RFID數據讀寫等。綜合實驗難度較大，主要培養學生設計和實現嵌入式系統的能力。實驗內容結合物聯網實驗箱，包括無線路燈控制系統、學校停車場停車引導系統、室內無線定位系統等。

通過層次化的實驗體系，加強了學生在物聯網應用背景下的嵌入式系統的應用及設計能力。經典案例和在實踐中產生的優秀案例也會放到課程網站或課程微信公眾號上，以方便新生借鑒和學習。

三、總結

任何物聯網應用都離不開嵌入式系統或具備聯網能力的嵌入式終端。本文結合物聯網工程專業的特點，在對傳統的“嵌入式系統與設計”課程教學現狀進行分析的基礎上，對該門課程在理論教學環節和實踐教學環節的教學方法和教學內容進行了補充和完善，通過從課堂到課后的互動、從教師到學生的參與、從鼓勵到實際動手的過程、從單一獨立的實驗到層次化的實驗體系使得“嵌入式系統與設計”課程更符合物聯網工程專業的本科培養目標。

參考文獻：

[1]教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會.高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范[M].北京：機械工業出版社，2012：6-29.

[2]孫國棟，田萱，張海燕.面向物聯網的“嵌入式系統”課程教學改革的探索[J].中國林業教育，2014，32（2）：69-71.

[3]宋軍，王一雄，徐鋒.物聯網驅動下的嵌入式系統教學改革[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，（4）：1-2.

[4]周立功，王祖麟，陳明計等.ARM嵌入式系統基礎教程[M].第3版.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]錢峰.EZ-USBFX2單片機原理、編程及應用[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[6]霍華.“嵌入式技術”課程教學方法改革[J].計算機教育，2012，（6）：48-50.

The Teaching Method Exploring of Embedded System and Design in IoT Engineering

XIE Ying1，DING Xu-yang2，CHEN Jian-ying1，MU Lei1

（1.School of Computer Science and Technology，Southwest University for Nationalities，Chengdu，Sichuan 610041，China;2.School of Computer Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 611731，China）

Abstract："Based on the features of IoT Engineering and the current teaching situation of Embedded Systems and Design"，teaching methods and contents were supplement and improved，which makesEmbedded Systems and Design" more suitable for the undergraduate teaching goal of IoT engineering.

Key words：Embedded Systems and Design;IoT Engineering;teaching methods