以智能家居為載體的高職物聯網專業嵌入式微控制器課程改革探索

浦靈敏，胡宏梅

（蘇州健雄職業技術學院 人工智能學院，江蘇 蘇州 215411）

0 引 言

物聯網是物物相連的互聯網，這里的物就是指智能終端設備，而智能設備的核心就是微控制器，它通過對數據和信息的分析處理，實現對物體的智能化控制。

隨著嵌入式技術在物聯網產業和日常生活中占據的比重越來越大，企業對嵌入式技術人才的需求也與日俱增。近年來，嵌入式微控制器被廣泛應用于物聯網、工業互聯網等領域，各大高職院校也紛紛在物聯網應用技術專業開設了嵌入式微控制器類課程，我院的嵌入式微控制器采用了意法半導體（ST）公司推出的基于ARM Cortex-M內核32位的STM32系列處理器，該處理器以其眾多優點廣泛應用于各個行業，大到工業控制，小到家用電器，如工業機器人、無人機、運動手環等，都能見到STM32處理器的身影。該課程為物聯網專業的核心課程之一。

1 課程現狀

高職物聯網專業課程體系綜合了不同學科的專業知識，結合了硬件設計和軟件開發，既需要掌握理論又與實際應用緊密聯系，特別對實踐要求很高，嵌入式微控制器課程涉及軟件編程、硬件設計與調試等綜合應用能力，而目前的教學內容仍以知識點的驗證性技能實訓為主，涵蓋了開發環境的搭建、GPIO口控制、中斷系統、定時器、串口通信、LCD顯示、模/數轉換器等處理器內部資源的應用，每個模塊相對獨立，前后關系不明顯，學生很難了解基于STM32嵌入式微控制器的整機控制系統的開發過程。隨著教改的深入，課程最后一般會安排1～2個綜合性的任務，但仍然無法滲透物聯網產業的新需求；同時由于缺乏接口編程和無線通信方面的任務，導致與其他物聯網技術的銜接也不夠，使之在物聯網專業課程體系中成為一門普通的32位單片機課，完全不能體現STM32微控制器在物聯網產品開發中的關鍵技術應用。

本文結合目前我院正在開展的課程教學改革實踐，提出以具有代表性的物聯網智能家居產品為貫穿課程的綜合項目，把各碎片化的知識點和技能點結合起來進行教學的課程設計方案，通過自制的物聯網智能家居實訓平臺和配套的教學資源，重構課程體系和典型任務，力求通過循序漸進的模塊學習，進一步提高學生STM32微控制器的應用開發技能。

2 課程設計思路

以物聯網智能家居典型產品為載體，研究嵌入式微控制器課程項目教學方案，依托團隊自主研制的實訓平臺，將智能家居控制系統分解成模塊，設計以這些模塊功能作為子任務的課程體系，使得每個任務的目標更為明確。同時，通過制定和實施有效的評價體系，有效評估學生真正的實踐技能。

2.1 課程定位

嵌入式微控制器課程是為拓展學生的專業知識和技能而開設的一門培養學生物聯網系統技術集成能力的專業課程，培養學生具備物聯網嵌入式系統整合能力、程序語言設計能力、產品應用導向能力，使學生具備理論聯系實際、運用所學知識發現問題和解決問題的能力，為今后從事物聯網智能系統的安裝和調試、終端產品的軟硬件測試和開發打下基礎。

2.2 課程硬件系統

本課程采用專業團隊自主開發的智能家居嵌入式實訓平臺，相關硬件資源如圖1所示。與傳統的STM32開發板不同，該實訓平臺可以通過WiFi和GPRS無線通信模塊與物聯網云端連接，并能與本地ZigBee協調器組成網關，實現遠程和近距離組網通信，最終能夠使學生真實體驗基于STM32微控制器的物聯網智能家居系統軟硬件設計調試全過程，并為后續無線傳感器網絡和安卓APP開發等課程打好堅實基礎。

圖1 智能家居實訓平臺硬件資源

此外，該硬件平臺引出了所有的STM32微控制器GPIO引腳，預留通用擴展接口區，學生可根據智能家居項目的實際情況，創新性地設計連接其他外圍傳感器電路模塊，打破原來項目配套硬件的限制，解決了智能家居項目內容不斷更新的問題，使嵌入式微控制器課程的項目開展更具靈活性。在實訓平臺上，學生能夠結合課堂所學，實現自己設計和搭建硬件電路。

2.3 課程教學內容

在教學內容上，根據物聯網專業的特點，在課程標準中著重突出STM32微控制器與外圍驅動電路的設計方法，并加大傳感器驅動程序操作實踐訓練力度，注重對網絡和接口編程方面的技術技能的培養。在此基礎上，重構原有課程教學內容，將傳感器、單片機、移動終端開發等課程中與物聯網相關的內容進行提取、歸納和整合，并將其融入到智能家居項目中，重新設計后的課程教學項目內容如圖2所示。

圖2 課程教學內容

在課程內容的資源上，建設與線下課程互為配套和補充的線上教學資源，包括基于自制實訓平臺的教學視頻、覆蓋全部學時的多媒體課件和網絡答疑模塊，學生可以反復觀看、隨時學習、實時互動。同時，線上資源中加入大量的基于STM32微控制器的工業應用案例庫和技能大賽真題，從而激發學生學習主動性，培養課堂外的創新實踐能力，也為今后學生自主創業與各級各類技能大賽做好了人才儲備。

此外，課程采用意法半導體最新的開發軟件—STM32CUBEMX，它允許用戶使用圖形化界面直觀地對目標微控制器的引腳、時鐘等進行初始化配置，快速生成程序架構，并在Keil-MDK上進行二次開發，大大降低了使用門檻，非常適合有一定單片機基礎的高職學生使用。

2.4 評價體系

傳統的評價體系已經無法滿足企業對嵌入式微控制器領域人才的需求，本課程摒棄過去以終結性考核為主的評價方式，通過校企共同設計考核標準，建立多元化評價體系，突出項目展示和匯報環節，由課程相關老師、企業專家、小組互評進行成果的點評和分析，重點考核課后拓展任務完成情況，孵化創新性的應用。對于小組課后基于STM32嵌入式微控制器設計開發的項目參加校級以上各類大賽獲獎的，給予直接認定課程成績。為學生應用課堂知識解決實際問題和開拓實踐創新設計提供了一個很好的外部評價空間，充分調動了學生的學習積極性。

3 結 語

通過以成熟的物聯網智能家居為載體的高職物聯網專業嵌入式微控制器課程改革，構建STM32微控制器課程項目的教學體系，創新自制實訓平臺，改變評價體系的思路，明確了教學的方向，充分調動了學生學習的熱情，讓學生充分融入到項目的設計和開發中，使學生對嵌入式微控制器在物聯網產品上的技術應用有了更深入的了解。

實踐證明，該課程改革取得了良好的效果，學生在各級各類雙創大賽和嵌入式技能大賽中均取得了優異成績，學生制作的智能家居控制系統在全國物聯網創新應用大賽中獲得一等獎，學生能很好地學習和理解STM32處理器作用和性能，正確掌握物聯網領域嵌入式產品開發較為合理的方案，相關畢業生受到用人企業的一致肯定。