物聯網工程專業單片機實踐教學設計

張秋云，郭秋梅

（西南科技大學 信息學院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

物聯網是一門新型應用型學科，由計算機科學與技術、通信工程等多學科相互交叉、滲透、融合發展而來，人才培養的過程中重點突出實踐能力和應用創新能力的培養[1-2]。物聯網專業作為國家倡導的新興戰略性產業，被列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》和2050年國家信息產業路線圖，已成為就業前景廣闊的熱門領域[3]。隨著5G時代的到來，萬物互聯將成為現實，行業對物聯網專業人才的需求將越來越大，同時對人才的要求也將不斷提高。物聯網可分為感知層、網絡層、數據處理層和應用層，涉及傳感、通信、網絡以及RFID、嵌入式系統等多種技術[4]。由于本科階段的物聯網專業的學生難以深入全面掌握這類知識，因此對該階段學生的培養應找準專業方向，以夯實基礎、增加實踐與應用能力為主。

當前我國物聯網產業應用已經進入高速發展階段，各種物聯網產品不斷投入市場，而作為物聯網產業的關鍵底層技術—單片機，更是迎來了又一次發展的機遇[5-6]。單片機是物聯網專業實踐性較強的課程之一，是多門課程的綜合應用，若課程實踐環節設置脫離專業背景以及行業需求，學生的培養將難以達到專業培養目標，滿足行業對學生能力的需求[7]。當前各高校物聯網專業的建設還屬于初期探索階段，專業性的教師比較欠缺，專業培養計劃、課程體系、知識架構還不夠完善[8]。就單片機課程而言，我校物聯網單片機實驗課程與其他專業統一開展，實驗內容尚未考慮物聯網專業應用特色，不利于物聯網專業學生的培養。

本文基于我校單片機課程現狀，通過對物聯網專業單片機實驗的研究與設計，使得學生在實踐中學會思考，學會發現問題、解決問題，鍛煉動手實踐能力，增強自信心，提高學習積極性。實驗設計結合教師項目，豐富實驗內容，激發學生學習興趣，改變實驗形式分層次進行實踐操作。通過引入教師科研項目提高學生學習興趣，培養學生的實際操作技能、綜合應用能力和團隊精神，為學生就業奠定一定專業基礎。

1 實踐教學設計

單片機作為物聯網感知層的關鍵技術之一，被廣泛運用到各類感知層設備的開發設計以實現對現實物理世界信號的采集與匯聚，其地位在物聯網行業不言而喻。單片機作為我校物聯網專業一門專業核心課程，應緊緊圍繞行業發展及需求展開教學。該課程具有較強的實踐性和應用性，通過學習該課程學生可以熟悉單片機基礎資源，掌握單片機控制程序編寫方法，為后續物聯網應用課程學習以及未來工作打下堅實的基礎。本文基于物聯網專業進行單片機實踐教學研究設計，重點突出培養學生運用所學知識和技能解決實際問題的綜合應用能力，提升物聯網專業學生在就業過程中的競爭力。緊跟物聯網發展趨勢，結合社會企業對物聯網人才的需求進行單片機課程實驗設計。

1.1 研究思路

面向我校物聯網專業的單片機實驗教學采用層次化設計，主要由以下三個層次組成。

（1）基礎實驗

該層次實驗是三個層次的關鍵部分，不僅是后續實驗，更是其他相關課程的重要基礎。在該部分實驗中主要以熟悉單片機資源應用的基礎性實驗為主，按單片機內部資源進行實驗設計，重點加強我校物聯網專業學生對單片機基礎知識和基本資源的理解與運用。

（2）綜合實驗

綜合實驗重在鍛煉學生分析問題、解決問題以及綜合運用能力，充分發揮學生主觀能動性，在該層次的實驗訓練中主要基于單片機資源進行綜合設計與運用。

（3）創新實驗

創新實驗則注重學生運用知識進行實際工程設計開發、團隊協作、創新創意能力，該部分實驗以開放式項目為驅動，以小組為單位進行。在開發項目的過程中以學生為中心，在實踐中學習提高。該層次實驗緊跟企業項目和老師科研，適時進行調整，以適應物聯網行業的發展與變化。

1.2 研究內容

本項目進行相關研究設計時，注重物聯網專業與課程特點及實踐教學自身的規律，按照層次化、差異化設計思路，優化設計物聯網專業單片機實驗，使之符合我校物聯網專業人才培養目標，滿足行業對物聯網專業人才的基本需求。在進行實驗設計過程中緊密結合行業需求，培養應用能力和創新能力。主要的研究內容如下。

（1）物聯網專業單片機課程實驗結構

物聯網專業單片機課程實驗的設計，一方面需要覆蓋課程基礎知識，強化學生對基本理論的認識與理解；另一方面更要體現層次化、多樣化，培養學生工程思維，提升學生分析解決問題、應用創新等多維度能力。基于我校現有單片機實驗室與硬件資源，充分發揮實驗平臺優勢，為學生提供更多的訓練機會，激發學生自主學習意識。

（2）物聯網專業特色單片機課程實驗形式

課程實驗是鍛煉學生實踐動手能力、分析解決問題能力、提高綜合能力的關鍵環節。因此，課程實驗教學設計的關鍵在于如何提高學生對單片機的學習興趣，使學生真正從實驗中提升能力。物聯網單片機實驗設計不僅要實現學生能力的提升，在實驗中更應注重對學生的吸引，不能讓實驗成為學生的負擔，應讓學生積極主動參與實驗。

（3）實驗教學內容

專業的不同在教學內容上的側重點也應有所劃分和區別，物聯網專業對學生培養的目標是使學生成為掌握傳感、通信、網絡等技術，具備寬廣的專業知識的高級工程技術應用人才。實驗教學作為培養學生掌握與運用物聯網相關理論、方法和技能的關鍵環節，其教學內容應緊跟行業發展適時變化。單片機作為物聯網專業關鍵課程，其實驗內容設計應以上述目標為指導，通過實驗訓練達到培養學生實踐能力、工程應用能力以及創新能力，掌握相關理論知識的目的。

1.3 研究方法

本項目從單片機課程實驗結構、形式、內容等方面入手，充分結合教師科研項目資源，緊跟物聯網行業發展，完成對具有物聯網專業特色的單片機課程實踐教學研究與設計，以達到培養具備扎實技術基礎物聯網專業人才的目標。物聯網專業單片機課程實踐教學設計采取循序漸進原則，結合科研項目豐富實驗內容，發揮學生創造性，改變實驗形式，從感性到理性、從基礎到提升，逐層遞進實現學生對理論知識的理解與運用的融會貫通。項目所設計課程實驗主要由基礎實驗、綜合實驗和創新實驗等三個層次構成。

（1）基礎實驗

該層次主要加深學生對單片機原理及應用課程基礎知識的認識和理解。按照單片機資源進行簡單實驗內容設計，通過實驗掌握單片機資源的使用，熟悉開發環境，學習簡單的設計方法，同時建立學生學習單片機課程的自信心。

（2）綜合實驗

該層次實驗將重點培養學生對所學知識的綜合應用和工程設計能力，將典型的實驗內容進行綜合并適當地加以變化。學生根據設計要求在任務書的指導下獨立設計并完成實驗內容，使其獲得自豪感與成就感，進一步培養、提升學生對單片機課程的學習興趣。

（3）創新實驗

該層次實驗將以教師相關科研項目為依托，以實際工程項目為實驗內容，發揮學生創新創造意識，讓學生以單片機為平臺，以團隊協作的方式進行相應方案的設計并解決項目問題，完成實驗內容。在此過程中，以學生為主體，教師為輔助，充分發揮實際項目可參與性和真實感的優勢，鍛煉學生項目管理能力，培養團隊協作的精神。

1.4 創新點

（1）分層次實驗設計

進行物聯網專業單片機實驗設計時應遵循由易到難、由淺入深的原則，逐步建立學生學習掌握單片機課程知識、運用單片機進行設計開發的持續自信心。通過三個層次實驗的優化設計，讓學生完成從基礎實驗到綜合實驗再到創新實驗等三個不同深度的訓練，加強知識理解與運用，鍛煉學生單片機應用系統開發能力，穩步實現學生全方位能力的提升。

（2）突破傳統的實驗形式

傳統實驗對每次實驗內容做了嚴格的規定，目前我校單片機實驗并未按專業劃分，不具有專業特色，且所有實驗都拘泥于實驗室。本項目突破上述實驗形式，根據物聯網專業特點進行實驗內容設計，同時實驗內容的完成在不同階段要求也不完全相同，相比我校現有實驗形式更加靈活多變，可以發揮學生的創新創造意識，發展創新應用能力。

（3）豐富實驗內容

伴隨著社會與技術不斷變革與發展，對人才的需求也隨之改變。目前我校物聯網專業正處于探索階段，根據社會對物聯網人才的要求，在人才培養過程中同樣需要進行變革。項目成員均具有豐富的項目經驗，與部分從事物聯網相關企業保持合作關系。本項目依托這些資源不斷豐富實驗內容，讓實驗內容更貼近實際需求，調動學生積極性，提高學習興趣。

2 結 語

本項目以我校物聯網工程專業單片機原理與應用課程實驗為研究設計對象，結合社會對物聯網人才的要求進行層次化實驗設計，擬解決以下關鍵問題。

（1）創新實驗內容，培養并提高物聯網專業學生對單片機課程的學習興趣。興趣是學習最好的動力，本項目在實驗設計中，突破傳統實驗內容設計，在現有的基礎上結合企業和教師的項目，提出一些新的設計任務要求，激發學生學習和設計熱情。在條件允許的情況下放開實驗內容，由學生結合自身情況自主設計并完成實驗。

（2）豐富實驗內容，提升物聯網專業學生專業技能。傳統單片機實驗主要集中對單片機資源使用部分，物聯網更多需要解決理論聯系實際的問題。單片機實驗教學過程中順應時代發展，跟蹤新的設計方法、新的開發手段，注重學生專業技能的培養。本項目根據社會發展、企業需求，豐富具有物聯網特色的實驗內容，讓學生能夠通過實驗在工程應用能力上得到訓練和培養，進而提高學生專業技能。

（3）改變實驗形式，培養學生創新能力。項目成員通過承擔科研項目，積累豐富的工程實踐經驗，并注重將科研成果和經驗融于教學，部分成果已轉化為教學資源，促進了教學水平的提高。充分發揮教師科研項目資源，使學生深入了解社會需求、體驗工程項目研究設計過程，樹立一定工程意識，發揮學生創新意識，提高創新能力。