基于項目驅(qū)動的“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”課程教學(xué)模式改革與實踐

引言

“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”是計算機、電子信息等專業(yè)的核心課程，兼具理論深度與實踐特性，對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力、創(chuàng)新思維及工程素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，課程內(nèi)容多以知識點碎片化講授為主，實踐環(huán)節(jié)依附理論教學(xué)，缺乏真實場景的項目支撐，導(dǎo)致學(xué)生難以建立完整的知識體系，實踐應(yīng)用能力與產(chǎn)業(yè)需求存在差距[2-4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，行業(yè)對復(fù)合型人才的需求日益迫切，要求學(xué)生具備跨學(xué)科知識整合能力與項目實戰(zhàn)經(jīng)驗[5-。項目驅(qū)動教學(xué)模式以實際項目為載體，將理論知識與工程實踐深度融合，引導(dǎo)學(xué)生在解決實際問題的過程中掌握核心技術(shù)。在此背景下，探索基于項目驅(qū)動的課程教學(xué)模式改革，對提升課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)需求的高素質(zhì)人才具有重要的現(xiàn)實意義。

1.課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”課程可以促進學(xué)生對單片機控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，但是教學(xué)實踐中暴露出多項結(jié)構(gòu)性問題[7-9]。首先，該課程教學(xué)內(nèi)容以單片機基礎(chǔ)和模塊實驗為主，缺乏理論知識與項目集成的訓(xùn)練以及學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計思維的培養(yǎng)，而且課程內(nèi)容對于快速發(fā)展的社會而言，存在更新滯后的問題。教材與教學(xué)內(nèi)容往往停留在單片機應(yīng)用層面，對如ESP32、LoRa通信、MQTT協(xié)議、云平臺接入等前沿技術(shù)涉及較少，難以滿足學(xué)生掌握完整物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的需求。其次，課程實驗與實際工程場景脫節(jié)，任務(wù)驅(qū)動弱，難以激發(fā)學(xué)生內(nèi)在動機。課程結(jié)構(gòu)偏重知識傳授，忽視能力培養(yǎng)[10]。教學(xué)活動主要圍繞知識點的講解與單一模塊實驗，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計任務(wù)的引導(dǎo)，學(xué)生在知識整合、方案構(gòu)思與系統(tǒng)實現(xiàn)方面訓(xùn)練不足。再次，教學(xué)模式依賴講授與單一實驗，缺少團隊合作、跨學(xué)科融合與開放性探索環(huán)節(jié)。課程實驗以模塊功能驗證為主，缺乏綜合性、情境化項目實踐，學(xué)生很難在有限的實驗環(huán)境中形成對“感知一傳輸一處理一應(yīng)用”全鏈條系統(tǒng)的理解。最后，評價體系以結(jié)果為導(dǎo)向，忽視過程性評價與學(xué)生多維能力發(fā)展。

圖1基于項目驅(qū)動的教學(xué)模式設(shè)計

2.基于項目驅(qū)動的教學(xué)模式設(shè)計

為有效解決現(xiàn)有教學(xué)問題，構(gòu)建能力導(dǎo)向的教學(xué)體系，本文提出了基于PBL理念的“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”教學(xué)模式設(shè)計，如圖1所示，主要包括以下五個方面。

2.1教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)

緊跟教育與應(yīng)用的步伐，在教學(xué)中不斷改變教學(xué)方式，以新工科為導(dǎo)向，將教學(xué)目標(biāo)從“知識傳授”轉(zhuǎn)向“能力建構(gòu)”。擺脫書本教育為主，以實踐應(yīng)用為主，結(jié)合所學(xué)的知識應(yīng)用于實踐中，增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對知識的轉(zhuǎn)化能力。結(jié)合本課程的內(nèi)容，主要從以下四個方面突出核心能力。

2.1.1嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)學(xué)生在嵌入式處理器、外圍電路設(shè)計、嵌入式C語言編程等方面的綜合能力。強調(diào)從原理圖設(shè)計、電路焊接到固件開發(fā)的全流程訓(xùn)練，提升學(xué)生獨立構(gòu)建嵌入式應(yīng)用原型的能力，具備面向傳感控制與數(shù)據(jù)采集任務(wù)進行軟硬件協(xié)同設(shè)計的能力。

2.1.2項目規(guī)劃與系統(tǒng)集成能力

引導(dǎo)學(xué)生在面對真實或擬真工程問題時，能夠科學(xué)規(guī)劃項目流程，識別系統(tǒng)組成模塊及其功能邊界，并具備基于技術(shù)規(guī)范進行模塊集成與調(diào)試的能力，強化從“感知—通信一處理一決策一執(zhí)行”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)角度對系統(tǒng)方案進行整體設(shè)計與實現(xiàn)的能力。

2.1.3團隊協(xié)作與項目管理能力

通過小組合作、角色分工、階段匯報、協(xié)作開發(fā)等教學(xué)環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生跨崗位溝通、進度控制、資源分配、沖突協(xié)調(diào)等團隊合作能力。引導(dǎo)學(xué)生在項目推進過程中運用敏捷開發(fā)、思維導(dǎo)圖、甘特圖等工具進行任務(wù)分解與進度追蹤，培養(yǎng)良好的項目管理意識。

2.1.4創(chuàng)新意識與工程問題解決能力

在項目驅(qū)動的實踐過程中，鼓勵學(xué)生結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在智慧醫(yī)療、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的典型應(yīng)用場景，提出個性化創(chuàng)新方案，嘗試進行問題建模、方案設(shè)計與原型驗證。強化學(xué)生從“提出問題一分析問題一解決問題”的工程思維鏈條，激發(fā)技術(shù)創(chuàng)新與實踐探索能力。

2.2項目任務(wù)體系設(shè)計

本課程構(gòu)建了分層遞進、任務(wù)導(dǎo)向的項目任務(wù)體系。該體系以真實應(yīng)用場景為載體，以技術(shù)融合能力培養(yǎng)為目標(biāo)，設(shè)計由淺入深、螺旋上升的三個層次項目，逐步提升學(xué)生從基礎(chǔ)認(rèn)知到系統(tǒng)集成的工程能力和創(chuàng)新意識。

2.2.1基礎(chǔ)實踐項目：模塊認(rèn)知與初步實踐

本階段主要目標(biāo)是幫助學(xué)生熟悉開發(fā)平臺與基本編程環(huán)境，建立對嵌入式系統(tǒng)運行機制的初步認(rèn)知。典型項目如溫濕度采集與LCD顯示系統(tǒng)，使用DHT11等傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合LCD1602或OLED顯示模塊，實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)讀取與動態(tài)顯示。學(xué)生將掌握基礎(chǔ)I/O控制、中斷處理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與模塊初始化等關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)項目打下編程與接口基礎(chǔ)。

2.2.2中級實踐項目：通信協(xié)議與節(jié)點構(gòu)建

該階段任務(wù)強調(diào)通信能力與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布機制的掌握，引導(dǎo)學(xué)生初步搭建點對點通信或多節(jié)點系統(tǒng)的功能框架，提升系統(tǒng)應(yīng)用能力。

基于MQTT協(xié)議的無線傳感節(jié)點設(shè)計：通過ESP32模塊連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)采集與MQTT協(xié)議下的消息發(fā)布，服務(wù)器端接收并可視化展示數(shù)據(jù)。

2.2.3綜合實踐項目：系統(tǒng)集成與應(yīng)用創(chuàng)新

在前兩個階段訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，綜合實踐項目任務(wù)側(cè)重于復(fù)雜系統(tǒng)的模塊協(xié)同設(shè)計與系統(tǒng)集成實現(xiàn)，模擬實際工程項目中多模塊協(xié)作的開發(fā)流程。

基于ESP32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：項目可涵蓋智能照明控制、門禁系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測與報警等多功能模塊。學(xué)生需完成系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計、通信協(xié)議選擇、硬件接口規(guī)劃、移動端（或網(wǎng)頁端）UI控制界面開發(fā)等綜合任務(wù)。

通過上述層層遞進的項目訓(xùn)練，每個項目均圍繞“真實應(yīng)用場景 ⁺ 技術(shù)整合”設(shè)計，強化系統(tǒng)性思維和模塊協(xié)同能力，可以綜合提升學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

2.3教學(xué)組織方式設(shè)計

課程圍繞“理論學(xué)習(xí) + 項目驅(qū)動”雙核機制，系統(tǒng)重構(gòu)教學(xué)流程，旨在打通知識與能力、理論與實踐、個人與團隊之間的壁壘。

首先，以真實或擬真的項目任務(wù)為主線，打破傳統(tǒng)“先教后用”的模式，采用“教-學(xué)-做”同步進行的螺旋推進式教學(xué)策略。其次，課程實施小組協(xié)作機制。根據(jù)項目內(nèi)容與學(xué)生特長進行任務(wù)分工，設(shè)置組長、技術(shù)負(fù)責(zé)人、測試員、資料整理員等角色，模擬工程項目中的崗位設(shè)置，強化學(xué)生的組織協(xié)調(diào)與跨角色溝通能力。最后，教學(xué)組織設(shè)置“項目里程碑”節(jié)點管理機制，如方案設(shè)計評審、中期成果展示、最終答辯驗收等。

2.4多元化評價機制設(shè)計

為了全面反映學(xué)生在知識掌握、能力建構(gòu)、素養(yǎng)提升等多維度的發(fā)展，設(shè)計具有可操作性、可追蹤性的多元化評價機制至關(guān)重要。

本課程構(gòu)建“過程性 + 終結(jié)性”與“個體 ⁺ 團隊”相結(jié)合的多維評價體系，重點包括以下方面。一是階段性評價：圍繞每一項目階段設(shè)定具體任務(wù)指標(biāo)，如項目立項匯報、功能模塊劃分、原型方案設(shè)計、中期演示與技術(shù)迭代等，進行文檔評估與技術(shù)評審；結(jié)合每位學(xué)生的參與程度、任務(wù)完成質(zhì)量與技術(shù)日志開展過程跟蹤。二是成果性評價：最終以項目系統(tǒng)功能的完整性、運行穩(wěn)定性、創(chuàng)新亮點、技術(shù)難度與用戶交互體驗為核心，綜合評定項目成效。成果展示需結(jié)合演示、答辯、展示板塊或線上平臺發(fā)布等多種形式，激發(fā)學(xué)生成就感與表達(dá)能力。三是評價方式組合：融合教師評價（專業(yè)指導(dǎo)） +， 小組互評（協(xié)作能力） + 學(xué)生自評（反思成長）等維度，構(gòu)建全過程性反饋閉環(huán)。每位學(xué)生需提交個人反思日志，系統(tǒng)回顧自己的貢獻、困惑與提升路徑，引導(dǎo)形成學(xué)習(xí)遷移與自我驅(qū)動的能力。

表1教學(xué)滿意度、學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)方式認(rèn)可度變化

2.5教學(xué)資源與支撐平臺建設(shè)

為提升課程實施的系統(tǒng)性與資源可達(dá)性，構(gòu)建統(tǒng)一、可擴展的教學(xué)資源與技術(shù)支持平臺是關(guān)鍵。

在硬件層面，選用具備廣泛行業(yè)適應(yīng)性的ESP32模塊作為統(tǒng)一的嵌入式開發(fā)平臺，并配備溫濕度傳感器、紅外模塊、OLED顯示屏、繼電器控制板等常用傳感與執(zhí)行元件，兼顧教學(xué)與產(chǎn)業(yè)接軌的實踐需求。

在軟件與平臺層面，引入OneNet、阿里云lTStudio等物聯(lián)網(wǎng)云平臺，支持學(xué)生將本地嵌入式設(shè)備接入遠(yuǎn)程服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與遠(yuǎn)程控制。提供云平臺接入教學(xué)賬號，統(tǒng)一資源調(diào)度，并配套API接口教學(xué)與調(diào)試工具，拓展學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的全面理解。

在課程資源層面，建設(shè)結(jié)構(gòu)化的資源庫，涵蓋教學(xué)視頻與案例拆解、完整的項目源代碼與功能模塊注釋、平臺操作手冊與接入指南、常見問題FAQ與論壇答疑社區(qū)，形成“教材 ⁺ 樣例 ∣+ 實踐 ⁺ 答疑”的閉環(huán)支持體系。同時，鼓勵師生共建“開源資源池”，促進資源共創(chuàng)共享。

3.改革成效分析

為驗證項目驅(qū)動教學(xué)模式在“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”課程中的實施效果，筆者在2023～2024學(xué)年對本科階段兩個平行班級開展了對比實驗。實驗持續(xù)一個學(xué)期，兩個平行班級學(xué)生共92人，隨機分為兩組，其中實驗組46人，控制組46人。實驗組采用本文提出的PBL教學(xué)改革模式，控制組繼續(xù)采用傳統(tǒng)講授與模塊實驗并重的教學(xué)方式。

3.1教學(xué)滿意度與學(xué)習(xí)興趣變化在學(xué)期末，通過教學(xué)問卷調(diào)查對學(xué)生的課程滿意度和學(xué)習(xí)興趣進行評分，采用Likeit五級量表，結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明，項目驅(qū)動教學(xué)能夠顯著提升學(xué)生對課程內(nèi)容的接受度與教學(xué)模式的認(rèn)可度，具有良好的教學(xué)適應(yīng)性。

3.2學(xué)習(xí)成果對比分析

以學(xué)生的期末項目成果評分和課程綜合考核成績（理論 ⁺ 實踐）為評價依據(jù)，評估學(xué)生知識與能力建構(gòu)水平。評價由兩位教師和一位企業(yè)導(dǎo)師共同完成。

實踐結(jié)果顯示，實驗組學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計、創(chuàng)新能力、協(xié)作表達(dá)等多方面表現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式，尤其是在整合硬件模塊、部署網(wǎng)絡(luò)通信方案和構(gòu)建用戶界面方面展現(xiàn)出更強的獨立完成能力。

表2學(xué)習(xí)成果對比

結(jié)語

本文基于“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)”課程教學(xué)中目前存在的問題，提出了項目驅(qū)動的教學(xué)改革路徑。從教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)、項目任務(wù)體系設(shè)計、教學(xué)組織方式設(shè)計、多元化評價機制設(shè)計、教學(xué)資源與支撐平臺搭建五個方面進行項目驅(qū)動的教學(xué)模式設(shè)計。基于PBL模式能夠提升學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力、系統(tǒng)設(shè)計能力與團隊協(xié)作意識。未來應(yīng)從以下幾個方面進一步深化改革：擴展項目類型與深度，覆蓋更多真實產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景，增強課程的工程性與前沿性；強化產(chǎn)教融合，吸引企業(yè)工程師參與教學(xué)指導(dǎo)，形成校企協(xié)同育人機制；探索線上線下混合式教學(xué)與智能教學(xué)平臺建設(shè)，提升教學(xué)資源可達(dá)性與教學(xué)過程可視化；推動課程成果與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科競賽銜接，構(gòu)建“課賽融合、學(xué)創(chuàng)一體”的人才培養(yǎng)生態(tài)。通過理論與實踐的結(jié)合，對課程滿意度與學(xué)習(xí)興趣變化和學(xué)習(xí)成果對比分析，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式在系統(tǒng)設(shè)計、創(chuàng)新能力、協(xié)作表達(dá)等方面均有較大提升。

參考文獻：

[1]陸國棟，李拓宇.新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑思考[].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[2]江雪，周青霞，譚思源.高職建筑工程技術(shù)類課程教學(xué)改革探究——以《建設(shè)工程項目管理》為例[]磚瓦，2024（4）：168-170，173.

[3]楊麗，程亞玲.借助智慧教育平臺，發(fā)展師生“幾何直觀”—助力明晰問題解決邏輯的思維路徑[J].教育與裝備研究，2025，41（5）：56-60.

[4]吳存華，朱慧貞.生成式人工智能與職業(yè)教育智慧教育平臺的融合應(yīng)用研究[].現(xiàn)代職業(yè)教育，2025（11）：121-124.

[5]張小飛.記憶技術(shù)視域下的智慧教育系統(tǒng)：理論特征、實踐樣態(tài)與潛在風(fēng)險[].教育導(dǎo)刊，2025（4）：12-20.

[6]殷婷婷，楊忠，徐楠，等.新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（12）：139-141，144.

[7]陳峰.以學(xué)生為中心的“單片機應(yīng)用技術(shù)”課堂教學(xué)改革與實踐[湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2025，38（3）：178-180.

[8]鄧武倉.嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)研究[].數(shù)字通信世界，2024（12）：93-95.

[9]韓美靈，鄭彬雙，胡冰.“互聯(lián)網(wǎng) + ”時代物流管理專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的改革與創(chuàng)新].物流工程與管理，2024，46（10）：132-136.

[10]張宏偉，王碩，王新環(huán).“互聯(lián)網(wǎng) + ”背景下嵌入式系統(tǒng)沉浸式教學(xué)改革研究[].工業(yè)和信息化教育，2024（5）：52-58.

作者簡介：陳小康，博士研究生，副教授，Chenxkxju@163.com，研究方向：放電加工及其復(fù)合加工技術(shù)（放電與電化學(xué)復(fù)合加工基礎(chǔ)理論和工藝研究）、循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備。

基金項目：新疆大學(xué)2024年研究生課程思政示范課程—嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)（編號：XJDX2024YKCSZ01）。