高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)改革與實踐

摘 要：文章總結(jié)了高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的主要問題，并針對這些問題進行了教改探索，以嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)為例演示教改實踐。實驗項目緊跟行業(yè)發(fā)展，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色，從易到難，從簡單到綜合，層層遞進，從而解決了“學(xué)了不會用”“課堂與實際脫節(jié)”的問題。實踐表明，教學(xué)改革解決了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的痛點和難點，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升了技能，取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序；云平臺；課群

中圖分類號：TP393.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-04

0 引 言

嵌入式技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一門實踐要求高、綜合性強的專業(yè)課程，前導(dǎo)課程多[1]，知識點龐雜，入門門檻高。高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)除要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程、嵌入式主流操作系統(tǒng)、嵌入式開發(fā)環(huán)境的建立[2]等，還要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)特點，要求學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)項目中的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)知識和技能、物聯(lián)網(wǎng)端+云端[3]的項目開發(fā)模式，掌握物聯(lián)網(wǎng)云平臺的使用，具備基本的嵌入式開發(fā)知識、技能及簡單物聯(lián)網(wǎng)項目的設(shè)計與實現(xiàn)能力，為未來從事物聯(lián)網(wǎng)方面的工作打下良好基礎(chǔ)。但目前高職嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)面臨諸多問題，研究探索這門課程的教改對于提升學(xué)生技能和學(xué)生的職場競爭力有重要意義。

1 高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的問題

（1）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)入門難，對學(xué)生的知識儲備、技能儲備要求高

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)前導(dǎo)課程多，比如C程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)電與模電、單片機、Linux操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信[4]等。前導(dǎo)課程沒學(xué)好，導(dǎo)致基礎(chǔ)不牢，這門課程想學(xué)也學(xué)不好，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性受到打擊。

（2）實驗資源受場地、時間等客觀條件限制，學(xué)生無法充分使用

受實驗室管理制度的約束，實驗設(shè)備只能上課時間使用，課余時間想做實驗也缺乏設(shè)備。高職學(xué)生的經(jīng)濟條件普遍不是很好，自己購買設(shè)備存在困難，導(dǎo)致缺少實驗條件，缺少實踐練習(xí)。

（3）缺少具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的高職嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)教材

由于高職學(xué)校擴招，近年來從中職升上來的學(xué)生比例越來越高，他們基礎(chǔ)較為薄弱，喜歡動手實踐，不喜歡聽理論知識。當(dāng)前嵌入式教材大部分是本科教材，理論知識較多，實踐內(nèi)容較少，缺少合適的具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的高職嵌入式教材。

（4）學(xué)生接受能力不同，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足不同層次學(xué)生的需求

學(xué)生的接受能力不同，如果教學(xué)內(nèi)容難了，大部分學(xué)生聽不懂；如果內(nèi)容過于簡單，有部分學(xué)生又“吃不飽”，難以滿足不同層次學(xué)生需要，無法做到因材施教。

（5）學(xué)生普遍有畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣、積極性不高

由于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)入門門檻高，實驗條件受限，學(xué)生普遍覺得課程難學(xué)，學(xué)習(xí)興趣、積極性不高。

2 嵌入式系統(tǒng)課程教改探索

針對上述問題，本文進行了以下方面的教改探索：

（1）為解決嵌入式系統(tǒng)技術(shù)入門難以及對學(xué)生的知識儲備和技能儲備要求高的問題，梳理嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的基礎(chǔ)課程，包含但不限于C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)電模電、單片機、Linux操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信等，明確嵌入式系統(tǒng)開發(fā)會用到的課程內(nèi)容，要求任課教師將這些內(nèi)容作為重點必教內(nèi)容，并針對這些課程提供線上課程。因為某些課程開設(shè)的時間比較早，學(xué)生對有些內(nèi)容可能已經(jīng)遺忘。如果有線上課程，他們能夠根據(jù)需要補上自己薄弱的環(huán)節(jié)，降低嵌入式的入門難度。

（2）針對實驗資源受場地和時間等客觀條件限制、學(xué)生無法充分使用的問題，購置一批樹莓派開發(fā)板和相關(guān)的傳感器模塊，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生的每個寢室配備兩套實驗資源，方便學(xué)生課余時間進行練習(xí)。

（3）針對缺少具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)課程教材的問題，梳理與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)緊密相關(guān)的嵌入式知識，形成補充講義，配合實驗文檔采用“知識點→案例→實際項目”遞進的教學(xué)方式[5]，從易到難，從簡單到綜合，進行知識傳授和技能訓(xùn)練。

（4）針對學(xué)生接受能力不同，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足不同層次學(xué)生的需求的問題，在進行實驗設(shè)置的時候分為基礎(chǔ)實驗、驗證性實驗和拓展實驗[6]，要求基礎(chǔ)實驗、驗證性實驗是必做實驗，拓展實驗是拔高內(nèi)容，可以選做。充分利用線上課程能讓學(xué)生反復(fù)觀看、自主學(xué)習(xí)的特點，將拓展性的內(nèi)容做成網(wǎng)課，采用學(xué)生自主學(xué)習(xí)、老師答疑的方式。

（5）針對學(xué)生普遍有畏難情緒、學(xué)習(xí)興趣和積極性不高的問題，一方面可以通過提供網(wǎng)課資源，幫助他們查漏補缺，降低學(xué)習(xí)門檻；另一方面，給學(xué)生提供開發(fā)板，讓他們能夠自主進行實驗練習(xí)。同時成立興趣小組[7]，既可以培育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，也能為技能競賽選拔人才，起到以點帶面的作用，為其他同學(xué)樹立榜樣，帶動其他同學(xué)共同進步。

將教學(xué)目標(biāo)分為“知識層、技能層、應(yīng)用層、創(chuàng)新層”的遞進目標(biāo)。知識層：通過老師課堂講解、線上課程教學(xué)視頻、實驗文檔的原理部分，解決“學(xué)什么”問題。技能層：學(xué)生根據(jù)教師提供的實驗文檔，完成課堂任務(wù)，當(dāng)場驗證學(xué)習(xí)效果，找到學(xué)習(xí)痛點、難點，解決“怎么學(xué)”的問題。應(yīng)用層：線上教學(xué)資源中一部分是案例和綜合性較高的實驗，屬于拓展學(xué)習(xí)，由學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況判斷是否要學(xué)習(xí)，解決“怎么用”的問題。創(chuàng)新層：成立興趣小組，鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、攀登計劃、技能競賽等，在實戰(zhàn)中鍛煉技能，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。開展線上與線下混合式教學(xué)，提供豐富的線上教學(xué)資源，滿足學(xué)生個性化需求。

3 教改實踐

3.1 教學(xué)內(nèi)容

高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程涉及的教學(xué)內(nèi)容包括嵌入式硬件的基本組成，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，主流嵌入式操作系統(tǒng)Linux的使用、裁剪和編譯，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建，嵌入式應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法，物聯(lián)網(wǎng)云平臺（OneNET）和無線通信模塊ESP8266的使用。根據(jù)高職學(xué)生動手能力較強、理論知識薄弱的特點，在教學(xué)中通過大量的實驗進行知識傳授、技能訓(xùn)練。緊跟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢，圍繞物聯(lián)網(wǎng)項目中所需的嵌入式開發(fā)知識和技能，從虛擬機到開發(fā)板，從單個知識點到項目綜合訓(xùn)練，從Linux基礎(chǔ)、嵌入式開發(fā)環(huán)境建立、Linux應(yīng)用程序開發(fā)、Linux驅(qū)動程序開發(fā)、云平臺和ESP8266五個方面設(shè)計實驗，見表1所列。

3.2 教學(xué)設(shè)計

教學(xué)設(shè)計以學(xué)生為中心，遵循認(rèn)知規(guī)律，設(shè)置遞進任務(wù)。利用線下課堂和真實設(shè)備進行知識講解、技能演示、任務(wù)訓(xùn)練；以線上在線課程作為補充，課后開展案例實踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、技能競賽訓(xùn)練等活動來提升技能，激發(fā)潛能，提高學(xué)習(xí)興趣。

遵循認(rèn)知規(guī)律，設(shè)置遞進任務(wù)，即將目標(biāo)任務(wù)分解成子任務(wù)，化整為零。利用線下課堂、真實設(shè)備和線上在線課程的單元學(xué)習(xí)模塊，提供實驗文檔、演示視頻、實驗素材等，讓學(xué)生進行專項知識學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練；通過在線課程的案例模塊展示實際應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生有所創(chuàng)新，完成“知識層、技能層、應(yīng)用層、創(chuàng)新層”嵌入式進階教學(xué)（如圖1所示），實現(xiàn)“老師教、學(xué)生仿，學(xué)生創(chuàng)，老師用”的角色互換。

3.3 以嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)為例演示教改實踐

教改對于提高學(xué)生的實操能力、工程能力、職場競爭力具有現(xiàn)實意義。以12學(xué)時的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)為例演示教改實踐，實驗內(nèi)容從專項知識點訓(xùn)練到多個知識點疊加訓(xùn)練再到開源項目[8]的復(fù)現(xiàn)，實驗環(huán)境從虛擬機到開發(fā)板再到云平臺，從易到難構(gòu)建訓(xùn)練項目，覆蓋嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)所需知識和技能，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色。嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)教學(xué)內(nèi)容見表2所列。

Linux Socket網(wǎng)絡(luò)通信需要讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)通信的基本概念和網(wǎng)絡(luò)編程函數(shù)簇，能根據(jù)基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)程序編程流程編寫網(wǎng)絡(luò)客戶端程序。在該實驗中使用圖2所示的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具Netassist、抓包工具Wireshark，幫助解釋說明Socket、IP地址、端口、四元組、網(wǎng)絡(luò)模型（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層）等網(wǎng)絡(luò)基本概念，并設(shè)置Netassist為服務(wù)器模式，編寫網(wǎng)絡(luò)客戶端程序與Netassist進行通信。通過編寫客戶端程序掌握網(wǎng)絡(luò)編程的基本函數(shù)，通過實驗對網(wǎng)絡(luò)通信過程有感性的認(rèn)識，降低學(xué)習(xí)的難度，緩解學(xué)生的畏難情緒。

網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器設(shè)計讓學(xué)生模擬實現(xiàn)Web服務(wù)器，掌握并發(fā)服務(wù)器的工作原理以及常用的通信協(xié)議HTTP，并將進程知識和網(wǎng)絡(luò)通信知識結(jié)合。首先在虛擬機上實現(xiàn)使用多進程編寫簡單的并行Web服務(wù)器，再使用交叉編譯和嵌入式開發(fā)環(huán)境建立知識，將虛擬機上的程序移植到開發(fā)板。這個實驗綜合性較強，Linux Socket網(wǎng)絡(luò)通信、交叉編譯、嵌入式開發(fā)環(huán)境這些單個知識點在前期課程中已經(jīng)學(xué)過，在該實驗中得到綜合使用。在開發(fā)板上實現(xiàn)Web服務(wù)器，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)各個知識點之間的配合使用。

網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器設(shè)計是讓學(xué)生模擬實現(xiàn)Web服務(wù)器，但嵌入式系統(tǒng)中的Web服務(wù)器有更高的要求，模擬實現(xiàn)的Web服務(wù)器實用性較差。嵌入式開發(fā)中有很多可以使用的開源資源，學(xué)會使用開源資源是從事嵌入式工作的一項重要技能。BOA服務(wù)器編譯及測試能夠讓學(xué)生掌握開源Web服務(wù)器BOA的工作原理及使用方法，學(xué)生通過閱讀開源代碼，可以學(xué)習(xí)先進的編程理念和編程技巧，加深對網(wǎng)絡(luò)通信的理解。BOA服務(wù)器在嵌入式項目中經(jīng)常使用，以BOA服務(wù)器為例，教學(xué)生如何編譯、移植、使用開源項目，設(shè)計實驗內(nèi)容與實際工作內(nèi)容接軌，提高學(xué)生興趣，提升學(xué)生技能，增強職業(yè)競爭力。首先在虛擬機中完成該實驗，再啟發(fā)學(xué)生將其移植到開發(fā)板上，前期實驗中學(xué)生已經(jīng)做過相關(guān)移植工作，考察學(xué)生是否會活學(xué)活用，將知識轉(zhuǎn)化為能力；同時通過綜合性的實驗，進一步訓(xùn)練學(xué)生，提升技能。

通過采集溫濕度上傳至OneNET云平臺讓學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)模式，構(gòu)建“端+云”的物聯(lián)網(wǎng)項目。OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，是基于物聯(lián)網(wǎng)特點打造的專業(yè)化網(wǎng)絡(luò)通道，提供“云-管-端”一體化的智能管道和支撐系統(tǒng)。在OneNET云平臺上創(chuàng)建應(yīng)用，應(yīng)用下建立虛擬設(shè)備，每個虛擬設(shè)備有其設(shè)備ID和APIKEY，對應(yīng)真實場景中的設(shè)備。OneNet云平臺數(shù)據(jù)流展示如圖3所示。云平臺替代傳統(tǒng)服務(wù)器的角色，降低了項目開發(fā)的成本、周期、難度，在物聯(lián)網(wǎng)項目中得到了廣泛應(yīng)用。與云平臺通信需要符合云平臺所支持的通信協(xié)議，由此引出JSON數(shù)據(jù)格式等知識。從實際工作需求提煉實驗，以溫濕度模塊為例，實驗采集傳感器數(shù)據(jù)上傳至云平臺。該實驗綜合性強，需要使用驅(qū)動開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通信、云平臺、交叉編譯、嵌入式開發(fā)環(huán)境建立等多項知識，增強學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)。

四個實驗從易到難，從簡單到綜合，層層遞進，讓學(xué)生知道如何將知識組合起來形成一個實際項目，解決“學(xué)了不會用”“課堂與實際脫節(jié)”的問題。實驗的設(shè)計緊跟行業(yè)發(fā)展，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色。

3.4 課程考核

為保證學(xué)習(xí)效果，從多維度考核學(xué)生，評定學(xué)生成績，重視培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和實踐能力。在考核時，通過課堂提問等方式考察學(xué)生課前預(yù)習(xí)的情況，通過優(yōu)慕課的在線測試、實驗環(huán)節(jié)（實驗指導(dǎo)書、演示視頻）檢驗學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況，通過優(yōu)慕課的課后作業(yè)鞏固學(xué)習(xí)效果，查漏補缺，每學(xué)期安排二到三次隨堂測試，對階段性知識內(nèi)容進行考核，讓學(xué)生保持適度的學(xué)習(xí)緊張感，有效完成本課程教學(xué)目標(biāo)。建立課內(nèi)、課后多元評價體系，參與第二課堂的同學(xué)，根據(jù)其學(xué)習(xí)表現(xiàn)，主要從作品完成度、難度等方面判斷，給予一定的附加分，鼓勵學(xué)生參與，提高實踐能力。

4 結(jié) 語

本文開展的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)改革旨在從學(xué)生的實際需求出發(fā)，切實解決他們學(xué)習(xí)中的難點和痛點。針對高職學(xué)生大部分來自農(nóng)村、家庭經(jīng)濟條件普遍不是很好的問題，以宿舍為單位提供實驗器材，既能解決他們課余時間因缺少實驗器材無法練習(xí)的問題，又有助于培養(yǎng)他們的團隊意識、協(xié)作精神，在宿舍建立良好的學(xué)習(xí)氛圍。另外，提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)相關(guān)前導(dǎo)課程的網(wǎng)課資源，方便學(xué)生自主復(fù)習(xí)，降低這門課程的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)興趣；重視課程的前后聯(lián)系，進行課群建設(shè)[9]。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)是一門綜合性很強的課程，加強與其他前導(dǎo)課程任課老師的溝通，建設(shè)綜合的實踐項目，貫穿多門課程。利用前導(dǎo)課程進行獨立知識點的訓(xùn)練，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程集成各知識點呈現(xiàn)綜合的訓(xùn)練效果。重視工程實踐能力的培養(yǎng)，打造符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)特色的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)課程[10]。從教學(xué)內(nèi)容（梳理教學(xué)內(nèi)容、緊跟行業(yè)變化、增加物聯(lián)網(wǎng)的最新技術(shù)）、教學(xué)方式（線上與線下相結(jié)合）、學(xué)生培養(yǎng)（進行各類實踐訓(xùn)練、課堂實踐練習(xí)、組建興趣小組、參加技能競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃等）等方面進行實踐與探索。

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作者簡介：張 萍，江西撫州人，碩士，現(xiàn)任廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)專任教師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

收稿日期：2023-07-06 修回日期：2023-08-03

基金項目：廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021教育教學(xué)改革研究與實踐項目（粵工貿(mào)院教〔2021〕127號）