新工科背景下物聯網工程專業嵌入式系統課程教學探索

殷婷婷，楊 忠，徐 楠，吳有龍，王瑩瑩，許 蓓

（1.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169 2.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

為了應對全球新一輪科技革命和產業變革，高質量的應用型工程技術人才培養質量成為了影響國家工程技術水平和競爭力的關鍵因素，深化高等工程教育改革是提升我國工程技術人才培養質量和工程技術水平的必要途徑[1-2]。作為我國高等工程教育主動響應時代要求的戰略行動，新工科建設是提高人才培養能力，推動高等工程教育內涵質量發展的重要舉措[3-4]。

作為未來信息產業發展和各國戰略發展布局的重要方向，以互聯網和人工智能為主導的物聯網工程專業面臨人才培養的新挑戰和新要求[5]。多學科交叉融合的物聯網工程專業涉及了大量嵌入式系統技術的應用場景，通過開設嵌入式系統作為專業必修基礎課程，可以培養學生掌握良好的嵌入式系統開發和應用能力，為后續開展大規模、工程化物聯網應用系統打下良好基礎，對于提高物聯網專業人才培養質量以滿足行業需求具有積極意義[6-7]。

本文將從應用型大學物聯網工程專業人才培養角度出發，積極探索新工科背景下嵌入式系統課程教學方法，對嵌入式系統課程的內容體系、實踐環節等展開探索與研究。

1 物聯網工程專業嵌入式系統課程特點

在互聯網時代，以高速度、高可靠、低功耗等為特征的嵌入式系統應用日益廣泛和深入，智能終端、傳感設備、工控設備、消費電子等嵌入式終端早已滲透到工業、社會以及生活中。物聯網涉及傳感器數據采集、導航定位、設備控制等大量嵌入式應用場景，包含嵌入式網絡設備（服務器/網關/路由器）和嵌入式設備（移動設備/信息家電/工業設備）的嵌入式系統是物聯網的唯一物聯源頭。嵌入式系統需求分析，軟硬件設計、開發和測試等，已經成為物聯網工程專業的學生要熟練掌握的重要技能。

因此，嵌入式系統課程是物聯網專業的必修課程，在人才培養方案中處于重要位置。通過開設“嵌入式系統”這一課程，培養學生掌握良好的嵌入式系統開發和應用能力，為后續進一步開展大規模、工程化物聯網應用系統的研究、設計、開發和集成等打下良好基礎。

2 基于OBE理念的課程體系優化

OBE（Outcome based Education, OBE）教育理念又稱為成果導向教育，是一種以成果為目標導向，以學生為本，采用逆向思維方式進行的課程體系建設理念。在OBE工程教育理念中，認可教師必須對人才培養目標有清晰的認識和準確的定位，尋求設計合適的課程教學目標、教學內容和課堂生態，并通過考核評價持續改進教學，從而有效促進學生的學習，保證預期目標的達成。

2.1 以學生為中心確定教學目標

根據物聯網專業人才培養方案指導制定的教學大綱要求，結合金陵科技學院應用型本科院校定位，考慮學生思維活躍求知重實踐的年齡特征，明確以下教學目標：

（1）通過理論學習，掌握嵌入式系統的組成、需求分析、軟硬件設計布局方法等知識，熟悉常見嵌入式核心處理器的結構、指令系統和編程邏輯等。

（2）通過實驗實踐環節，具備一定的嵌入式系統設計、分析和綜合應用能力，能夠掌握基于嵌入式集成開發環境實現嵌入式系統資源開發調配、軟硬件協調和應用實踐的能力。

2.2 優化課程教學體系

2.2.1 理論與實驗穿插交融

課程體系包含了2.5學分的課程教學和1學分的課程設計，其中課程教學涵蓋了32學時的理論學習和8學時的實驗操作。在課程教學過程中將理論課程與實驗操作有機結合，通過課內實驗及時鞏固理論知識內容，加深理解，提升課程目標完成度。嵌入式課程體系如圖1所示。

圖1 嵌入式課程體系

2.2.2 通過應用案例概覽全貌

立足于應用型大學人才培養需求，在課程教材和教學內容選取過程中，應注意突出物聯網應用需求，弱化深層次原理；突出實驗實踐，避免過多過深的技術細節；突出知識體系的通用性和連貫性。根據以上要求，課程可以從物聯網專業實際應用案例出發，概覽嵌入式系統全貌。圖2展示了基于智能家居系統案例的嵌入式系統全貌。

圖2 基于智能家居系統案例的嵌入式系統全貌

2.2.3 圍繞問題構建知識體系

為了提高學生對課程知識的理解以及綜合運用水平，本課程引入圍繞問題構建知識體系的做法，包括：構建概念和原理的知識問題化，構建設計方法知識體系時的知識問題化，構建外設應用專題體系時的知識問題化，幫助學生學會根據需要構建的知識體系，從而加深記憶和理解，提高綜合應用和創新等能力，如圖3所示。

圖3 圍繞問題構建嵌入式系統課程體系

2.2.4 課程思政元素有機融入

高校思想政治教育應始終堅持把立德樹人作為教育的根本任務，應充分挖掘專業理論課程的育人元素，將思政教育深入到每一個環節[8]。嵌入式系統課程在多個教學環節有機融入思政元素。

（1）引導學生堅定理想信念，增強綜合素養

緊抓物聯網行業快速發展戰略機遇，立足應用型高校定位，引導學生知識與應用結合，增強綜合素養，引導學生堅定理想信念，積極實現個人價值。

（2）引導學生厚植愛國主義情懷

嵌入式處理器（芯片）是嵌入式系統的核心，結合中美貿易戰、美國芯片封鎖背景、國內外現狀，引導學生厚植愛國主義情懷，為國奉獻。

3 多層次多元化實踐教學

在新工科背景下，借助多層次實踐教學循序漸進的實踐教學體系，構建基于樹莓派的口袋實驗室，實現物聯網專業學生的實踐創新能力培養。

3.1 口袋實驗室建設

為滿足學生全天候開放實驗的學習需求，突破實驗室場地、設備數量、實驗室管理等多種因素的制約，根據現有的嵌入式系統設備，建設基于樹莓派開發板的口袋實驗室。根據物聯網專業特點，購置了多達一百套的ARM嵌入式系統開發板以及配套的常規傳感器與控制器模塊，如溫濕度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、4G/WiFi模塊、北斗/GPS定位模塊等。套件的功能涵蓋了模擬/數字電路、嵌入式系統、物聯網通信技術、物聯網識別技術等多個課程的教學。口袋實驗室的建設，體現了一種創新的教學理念，平衡了學生學習主觀能動性與管理制度之間的矛盾，有助于學生創新實踐能力和個性化的長遠發展，是一個真正的全開放、全共享、一體化的自主學習實踐平臺[9-10]。

3.2 多層次實踐教學內容設計

嵌入式系統課程實踐教學環節是完成物聯網硬件系統設計的核心課程。為了滿足這一應用需求，根據課程體系安排，融合基礎型、綜合型、進階型等多層次實踐教學內容，構建滿足個性化需求的實踐內容體系，見表1所列。

表1 多層次個性化實踐課程內容設計

該實踐體系以基礎型和綜合型為抓手，瞄準人才培養方案和課程目標，培養學生的嵌入式系統開發本領；同時以進階型為契機，課題融合學生的個性化興趣愛好，以分組方式協同完成，旨在探索學生對嵌入式系統開發乃至物聯網系統構建的潛力。

3.3 多元化實踐教學方法改革

3.3.1 以學生為主體

以學生為主體，以教師為主導，激發學生的學習內驅力，提高學生的學習積極性；調整傳統授課方式，以實驗引入法激發學生興趣和好奇心；創設合理問題情境，精心設計啟發性問題進行教學，釋放學生潛能；理解、尊重、信任學生，以良好師生關系鞏固學習效果。

3.3.2 融“教學做”為一體，提升實踐教學效果

課前布置項目任務，學生提前查找相關接口、代碼資料等，提出解決方案；課堂理論實踐相結合，教師示范與點評引導交叉，初步完成任務；課后反饋回顧，總結提升，提出更優的項目解決方案。

3.3.3 合理使用現代教育技術，提升廣度和質量

課堂內適當引入Kahoot趣味測驗、Padlet分組討論等，依托MOOC/超星/QQ群等平臺進行作業、測驗、教學反饋，及時調整教學策略。

3.3.4 緊密應用需求，廣泛涉獵

立足應用型本科，著眼于物聯網專業時代新興專業的機遇，充分利用產學研、學科競賽、大學生創新創業平臺，鼓勵學有余力的學生廣泛涉獵，培養具有自主學習、創新、團隊合作能力的專業人才。

4 結 語

本文從新工科戰略時代背景出發，在OBE工程教育理念的指導下，優化構建嵌入式系統課程體系，落實完整的“教學做”一體化模式；選用典型ARM-Cortex-A7作為硬件核心的樹莓派開發板打造“口袋實驗室”。在充分考慮課題與行業熱點需求緊密度和個性化選擇余量的前提下，設計個性化多層次進階型實踐課程內容，充分激發了學生的主觀能動性和掌握知識技能的潛力，培養了學生的綜合素質和合作創新能力，為物聯網應用型人才培養目標提供了強有力的支撐。