自制嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)教學儀器對高職院校教科研的促進作用

蔣建武 楊絢淵 段艷艷

[摘 要] 自制教學儀器是高職院校理工類學科適應專業(yè)知識體系結構更新升級變化快的特點而快速更新教學設備的一種有效方式。分析了自制儀器對嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學與教師科研的雙向促進作用，總結了嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)自制儀器過程中取得的成果，提出了教學儀器升級改造、科研案例教學儀器化轉化以及特殊教學設備專項自主研發(fā)三種自制教學儀器的研制方法。

[關 鍵 詞] 高職院校；嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)；自制教學儀器

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）24-0102-02

高職類嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是融合了電子信息和計算機兩個專業(yè)的復合型學科，具有學科技術發(fā)展快、專業(yè)知識更新快、教學內容變化快等特點，這對本專業(yè)的教學內容提出了要具有更高適應性的要求[1]。教學內容隨著技術的進步要不斷地更新，作為支撐實訓教學課程的教學儀器也必須隨著教學內容的更新而不斷升級。傳統(tǒng)外購式教學儀器存在更新周期長、升級成本高、維護難度大等特點，很難滿足本專業(yè)知識體系更新變化發(fā)展的需要[2]，因而適當?shù)剡M行自制儀器的開發(fā)對高職類嵌入式與物聯(lián)專業(yè)的教學與科研都具有極強的促進作用。

一、自制儀器對專業(yè)教學的促進作用

嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中包含了眾多對實踐動手能力要求較高的專業(yè)課程，如電子電路設計、單片機應用技術、無線傳感網(wǎng)絡技術等，這些課程都需要大量的實驗儀器支撐其實驗實訓課程。傳統(tǒng)外購的教學儀器固化了教學內容，長期的單一內容教學束縛了授課教師的創(chuàng)造性，不利于專業(yè)教學能力的提升[3]。自制儀器開發(fā)對授課教師提出了新的挑戰(zhàn)，使其必須更深入全面地理解教學內容，因而利用自制儀器開展教學時也更加得心應手，對專業(yè)教學也具有更大的促進作用。

（一）自制儀器促進授課教師對教學內容的理解與更新

教學內容的選取是課程建設的重要組成部分，授課教師對教學內容的熟練程度直接影響其教學效果。利用外購的教學儀器開展教學時，授課教師被動地去理解成品的教學儀器中所包含的教學資源，在此框架下完成教學任務，教師很難產生新的思路與想法，進行創(chuàng)造型的教學改革。用自制儀器開展教學對授課教師提出的要求更高，對教學內容理解要更加深刻。以單片機應用技術課程為例，利用成品的單片機實驗箱或實驗套件，授課教師因為不需要了解實驗儀器電路板的制作過程，所以對單片機最小系統(tǒng)的布線、芯片電源濾波電容位置擺放、晶振電路必須盡量靠近芯片放置等問題都難以有直觀的感受，而自制儀器必須經過多版電路的調整后才能最終定版，所以對這些問題都會有切身的體會。在自制教學儀器的使用中會不斷地發(fā)現(xiàn)一些新的問題，授課教師在學習了新的知識后也會對儀器設計有新的思路，由此實現(xiàn)對自制儀器的升級改造，在不斷解決問題的過程中授課教師的問題處理能力也同時得到了鍛煉。

（二）自制儀器促進學生實踐操作技能的提升

由于自制儀器為教師團隊自主開發(fā)，在儀器研發(fā)的過程中可以充分考慮人才培養(yǎng)的要求，將能力目標更好地融入儀器設計之中，使自制儀器具有更好的易用性、針對性和開放性[4]。本專業(yè)非常強調學生實踐操作能力的培養(yǎng)，很多外購儀器由于具有太強的封裝性，使學生在教學過程中的可操作性大大降低，僅能在設定好的條件下完成一些原理性的學習，這對學生實踐操作能力的培養(yǎng)非常不利。例如，在傳統(tǒng)的電子電路設計課程中使用的機柜式實驗臺，將所有的電路均固化設計，學生只要按照要求連線即可，學生可以學習理解原理，但是很難自主設計。因而我們摒棄了傳統(tǒng)的實驗柜，設計了多功能電子電路設計套件，教學過程中由學生先用計算機軟件仿真設計電路，然后在設計套件上搭建焊接實際電路驗證仿真結果。整個教學過程中學生自主操作設計的要求更多，不僅局限于理解原理，更要將其實際應用，由此不斷加強實踐操作技能的培養(yǎng)[5，6]。

二、自制儀器與教師科研的雙向促進作用

當前在高校教師的考核體系中科研占了很大的比重，然而與本科院校的教師相比高職類院校的教師在科研上處于天然的弱勢，缺乏良好的科研氛圍，沒有良好的項目支撐，這些都制約了高職教師科研能力的提升。對大部分出校門畢業(yè)，直接進校門工作的教師來說，自制教學儀器是鍛煉自身科研能力的良好手段。

（一）自制儀器促進教師自主科研能力提升

嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向使用的教學儀器就是一個實際可用的嵌入式產品，教學儀器的自制研發(fā)過程就是一個電子產品項目的完整研發(fā)過程，包含了需求分析、整體設計、硬件設計、硬件布板、硬件調試、軟件設計與編碼和軟硬件聯(lián)調等。與公司開發(fā)的產品相比，教學儀器具有開發(fā)難度更小、性能要求更低、設計周期更長并且錯誤容忍性更高等特點，這些特點為高校教師自主研發(fā)教學儀器提供了可能。在整個研發(fā)過程中，教師可以將以前在學校所學的知識融會貫通、二次理解升華，了解產品開發(fā)通用流程；通過多輪教學過程的使用，使研發(fā)教師了解產品日常運行維護的方法以及后期升級的方法。這些從研發(fā)開始，到運行維護以及升級改造的鍛煉可以切實提升教師的科研能力，遇到校內外其他縱橫向項目時，將會擁有接項目的底氣以及完成項目的能力。

（二）教師科研能力提高進一步促進自制儀器的研發(fā)與改造

教師科研能力提升后，將會獲得更多的承接校內外縱橫向項目的機會，這些縱橫向項目一方面使教師的科研能力進一步提升，同時在完成這些縱橫向項目時將會對專業(yè)自制儀器的研發(fā)以及升級改造提供廣闊的設計思路、豐富的項目素材。筆者在完成無線呼救器救援指揮系統(tǒng)、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關、空氣凈化器智能改造等縱橫向項目后，自制了基于無線呼救器救援指揮系統(tǒng)的智能電子產品開發(fā)套件，基于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關的智慧醫(yī)療開發(fā)套件，基于空氣凈化器智能改造的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)套件，這些自制套件儀器的開發(fā)強力提升了本專業(yè)人才培養(yǎng)的質量。

三、自制儀器的幾種研制方式

自制儀器的研發(fā)根據(jù)開發(fā)的形式不同可分為對現(xiàn)有教學儀器的升級改造、對科研案例進行教學儀器化轉化以及以教學為目的的自主研發(fā)三種不同的形式。

（一）對現(xiàn)用教學儀器升級改造

嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術更新快，很多教學儀器在使用過程中很快就落后于知識更新的步伐，直接淘汰掉比較可惜，立即購買新設備不現(xiàn)實也不經濟，對于此類儀器偏向于自力更生，升級改造。典型的設備是單片機應用技術課程中使用的實驗箱，由于單片機技術發(fā)展較快，芯片內核、時鐘頻率、Flash大小、ADC采集位數(shù)等各方面性能都在不斷的發(fā)展變化，為了追趕芯片的更新步伐而不斷地購買新設備的措施非常不合理，我們的解決思路是實現(xiàn)主控板與擴展板分離、定期更換核心芯片的最小系統(tǒng)用以適應主控芯片的更新升級，從8位芯片到16位芯片，再到32位Arm核芯片，由此延長了設備使用壽命，節(jié)約了資金，同時也鍛煉了教師。

（二）對科研案例進行教學儀器化轉化

實際的科研案例用于教學能極大地提升教學內容的真實性，激發(fā)學生的學習熱情。但很多教學案例不能直接作為教學項目來使用，這就需要對其進行教學儀器化或教學案例化改造，用以適應教學過程的使用。筆者在完成消防用的無線呼救器救援指揮系統(tǒng)的橫向項目的開發(fā)后將其進行了教學儀器化改造，實際產品中使用了大量的0603封裝的貼片電阻電容元件，實際生產時均使用貼片機直接焊接，但在教學中要求學生必須手工焊接，因而在改造過程中將其換成了直插式的封裝結構。

（三）以教學為目的的自主研發(fā)

在新興熱門專業(yè)建設中通常會碰到一些想用但是又買不到的教學設備儀器，這就要求教師能夠按照教學目的選取教學內容自主研發(fā)教學儀器。此類儀器沒有現(xiàn)成的產品作參考，開發(fā)難度大、對研發(fā)者的要求較高，此類開發(fā)建議與第三方進行校企合作共同開發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡技術是嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的專業(yè)核心課程，無線組網(wǎng)模塊是該課程的核心內容，其所需的無線傳感芯片存在體積小、布線難、EMC與EMI要求高等特點，因而在進行這部分教學儀器自制過程時與蘇州華祥科技有限公司進行了合作，在該公司設計的核心KW01無線傳感控制模塊基礎上進行了二次開發(fā)，由此規(guī)避了核心無線控制芯片布板復雜的難題，提高了自制儀器研制的周期，節(jié)約了研發(fā)成本。

自制教學儀器作為嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)方向教學的重要組成部分，其研制過程加深了專業(yè)教師對教學內容的理解，促進了課程教學改革的深入開展。自制教學儀器打通了專業(yè)教學與科研服務的關節(jié)，雙向提升了教師的教科研綜合服務能力。由易到難、由淺入深地推廣自制教學儀器的研發(fā)必將促進嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向科學持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]王長遠，霍曉奎，劉琦，等.自制儀器對促進教學改革的作用[J].實驗室研究與探索，2012（1）：117-118，187.

[2]許森東.自制儀器在高校實驗教學中的應用研究與實踐[J].中國教育技術裝備，2013（6）：128-129.

[3]曾垂省，梁亦龍，舒坤賢，等.自主研制實驗教學儀器設備的作用與意義[J].實驗科學與技術，2010（4）：178-180.

[4]李斌，譚鵬，陳國杰，等.自制物理實驗儀器的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2013（6）：46-49.

[5]于兵川，吳洪特.實驗教學與科研有機結合培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力[J].實驗室研究與探索，2010（2）：76-77，87.

[6]胡學龍.2009全國電子信息實踐教學成果評選二等獎以學生為本，打造創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺[J].電子世界，2010（9）：30-32.