物聯網專業背景下的嵌入式課程體系建設初探

摘要：針對嵌入式課程教學中常見的問題，探討了物聯網專業背景下進行嵌入式課程體系建設的特點、內容和方法。研究該體系核心課程的組成、課程之間的聯系、課程內容在教學上的取舍以及考核上的安排，實現體系中課程的聯網互動，達到人才培養上的最優組合。

關鍵詞：物聯網；嵌入式課程；體系建設

作者簡介：陳海生（1980-），男，廣東徐聞人，廣東海洋大學信息學院，講師；郭曉云（1976-），男，湖北公安人，廣東海洋大學信息學院，講師。（廣東 湛江 524000）

基金項目：本文系廣東海洋大學2012年度教育教學改革項目（項目編號：XJG201259）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0063-02

物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。[1]物聯網包括感知層、網絡層、應用層等。[2]感知控制層必須借助嵌入式的傳感器，網絡傳輸層必須借助嵌入式路由或者節點設備，應用服務層中還需要嵌入式終端設備等。可見嵌入式技術在物聯網中扮演著重要的角色，因此探討物聯網背景下的嵌入式課程體系的建設具有極其重要的現實意義。

一、嵌入式課程教學中存在的問題分析

1.課程之間缺少良好的互動

主觀上期望課程A對課程B起著促進作用，但在實踐中卻造成A和B課程相互分割，或者A和B課程之間的互動不明顯。

目前的“微機原理與接口技術”課程普遍是圍繞1978年英特爾公司生產的第一個16位的微處理器8086來說明其指令系統、匯編語言程序設計、存儲器系統、微機總線與輸入/輸出技術、中斷系統、典型接口芯片及其應用等內容來講述的，但在當前的嵌入式系統的設計中，幾乎沒有采用該芯片的方案。

而在后續的“嵌入式系統原理與應用”課程中講的就是基于ARM架構的處理器的原理與應用。從學生反饋回來的信息看，前面“微機原理與接口技術”的課程對“嵌入式系統原理與應用”課程作用不大。

再接著后面的“操作系統原理”課程也是對一般性原理進行描述，未能跟前面“嵌入式系統原理與應用”課程結合起來應用。

因此，如何把相關課程連結成一個完整的、連續的和層次互相推進的不可分割的整體，是當前迫切需要解決問題之一。

2.課程教學內容缺乏創新

信息學科發展迅速，但是教學方法和教學內容卻沒有跟上。如“單片原理與接口技術”課程存在的問題有：以匯編語言為編程語言；授課與實驗環節脫離，理論脫離或落后實際；無后續課程銜接。[3]

當前以51為代表的單片機依然是應用中的熱點。然而從物聯網的網絡分層模型看，底層的感知層主要由單片機、嵌入式系統加上各種傳感器和無線通信模塊構成，稱為網絡末端或節點。待管理對象的屬性信息、狀況信息及環境信息等由節點收集、融合與轉發。網絡高層的管理、控制信息由節點執行。眾多的網絡節點組成了整個物聯網。[4]

可見單片機與無線通訊合二為一是物聯網時代單片機教學的必然形式和特點，各種新型接口和模塊的使用也是新時期單片機或嵌入式系統的主要表現形式。

因此，必須研究在物聯網專業背景下，對原有教學內容、方法和實踐環節加以變革。

3.多個課程內容重復，教學缺乏溝通

主觀上為了讓學生學習更多知識，設置了多門課程，但在實際中卻造成了課程內容重復之處較多。特別是相關課程的任課教師缺少溝通，造成教學內容上的大范圍重復。

比如，“RFID技術應用”課程將會涉及到射頻識別技術、無線數據通信技術、安全技術，以及應用案例等，會跟“物聯網安全技術”和“物聯網應用案例分析”等課程造成大部分重復。

又如，“物聯網控制基礎”是介紹了物聯網技術的基礎理論、實際應用案例和最新的前沿技術，包括標識技術，物聯網架構技術，通信技術，網絡技術，網絡定位技術，軟件、服務和算法技術，硬件技術，數據和信號處理技術，發現與搜索引擎技術，關系網絡管理技術，電源和能量存儲技術，安全與隱私技術，標準化和相關技術等，其會跟“物聯網工程”中內容造成部分重復。

因此，有必要站在宏觀角度對課程內容進行統籌安排，實現課程和課程之間的聯網，形成一個有機的整體，發揮最大的作用。

4.介紹性的課程過多，實踐性課程過少

比如前面指出的“物聯網控制基礎”課程里面就介紹了很多技術。又如“物聯網專業導論”、“通信原理概論”、“智能控制概論”和“物聯網安全技術”等都屬于介紹性質比較強的課程。

設置多個理論課程能擴大知識面，但容易造成泛濫。主觀上期望學生學習更多的東西，但是從實踐效果來看，不是很理想，原因是由于很多技術理論沒有進一步深入通過實驗來驗證，很多認識都是停留在表面。因此，必須研究哪些是最根本的理論基礎，把這個基礎打好，比泛泛而談更加有現實意義。

5.課程考核不盡科學

比如，“傳感器與自動檢測技術”課程和“單片機原理與應用”課程歷來的考核就是通過試卷形式來進行的。因此，學生必須通過死記硬背，才能考個高分。如何制作一個傳感器模塊，如何制作簡單的基于單片機的應用系統，或者把傳感器和單片機課程有機結合起來，做一個大一點的應用來考核，都比單純的考試有效果。

基于以上問題的思考以及嵌入式課程對物聯網專業建設有著特別重大的意義，因此提出把嵌入式課程作為一個體系來建設——研究該體系的核心課程的組成、課程之間的聯系、課程內容在教學上取舍以及考核上如何安排，實現體系中課程的聯網互動，達到人才培養上的最優組合。

二、課程體系建設探討

1.嵌入式課程體系架構

根據自身的辦學條件，以兩大課程系列、兩個中型實習和一個大型實習來建設嵌入式課程體系。該體系架構如表1所示。

課程系列1是以單片機為代表，加上一個中型的“單片機應用實習”為目標。課程系列2是以ARM為代表，加上一個中型的“嵌入式應用實習”為目標。兩者最后歸結為一個大型實習“物聯網項目開發實習（工程訓練）”。

課程安排的總原則是：與時俱進，合理安排，層次遞進，實踐為第一要務。

2.更新并合理安排課程內容

課程系列1采取的措施是淘汰原有實驗平臺，建立以具有新一代單片機教學實驗系統。例如，成都無線龍ZigBee無線網絡專業開發系統C51RF-CC2530-PK是CC2530/CC2531的專業開發系統，完全滿足IEEE802.15.4標準和ZigBee 2007/PRO技術標準的無線網絡技術設計開發。采用該方案的好處是可以跟后續的無線傳感器網絡聯系起來，為無線傳感器網絡應用提供堅實的工具基礎。[5]

在“傳感器與自動檢測技術”課程中注意體現RFID技術應用，同時該課程不應當占用太多學時，歷來教學是把所有傳感器原理都講完，但是效果不是很好，選擇一兩款最有代表性的傳感器，把傳感器基本常識貫穿在其中，然后馬上轉入單片機的教學中，把傳感器和單片機教學有機結合起來，在這里可以設置一個課程設計。最后通過“單片機應用實習”把課程系列1的課程全部聯系起來，做一個中型實習。

課程系列2體現了嵌入式的高端應用，“微機原理與接口技術”課程講的不再是8086微處理器，而是講基于ARM架構的微機，為后續的“嵌入式系統原理與應用”課程奠定基礎。接著講述“操作系統基本原理和應用”課程，把學生分為三個方向去掌握Android，Linux，WinCE等操作系統，最后進行一個中型的嵌入式應用實習，從而把課程系列2所有課程融會貫通。

例如，友善之臂的TINY6410開發板，其非常適合移動互聯網應用開發。其是一款以ARM11芯片（三星S3C6410）作為主處理器的嵌入式核心板。[6]可以利用該開發板講述基于ARM11架構的微機原理與接口技術。在開發板上應用Android，Linux，WinCE等操作系統進行嵌入式開發應用等。

3.研究課程的歸類

對課程進行歸類：A.實踐性強的；B.理論基礎強的；C.一般了解性理論。對于實踐性強的課程要加大投入，而且應當占用多一點課時。對于理論基礎強的要通過實踐的手段來加強對理論的透徹理解和應用，而且應當占用一定課時。對于一般了解性理論的課程不應當占用太多的課時，學生可以一邊學習一邊了解。讓學生把更多的時間用在實踐上來，而不是讓學生疲于學習太多的理論。

4.考核落腳于實踐

研究每一個課程的特點，對考核做出一般性的指導原則。實踐性課程要用實踐來考核，盡量避免死記硬背，這對人才培養沒有益處。即使是理論課程也需要考核學生是否掌握該理論課程的實驗方法和手段等。牢牢地圍繞著人才培養目標，做出對學生考核的具體要求，采取有效的措施促成這個目標的實現。

三、結語

本文探討了物聯網專業背景下進行嵌入式課程體系建設的特點、內容和方法。物聯網技術涵蓋范圍很廣，涉及到多學科互相交叉融合。若能把握物聯網核心支撐技術——嵌入式課程體系的建設，對物聯網專業的建設將有一定的現實意義。

參考文獻：

[1]黃鵬，楊云志，李元忠.物聯網推動RFID技術和通信網絡的發展[J].電訊技術，2010，50（3）：85-89.

[2]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）：1-11.

[3]蔣書波，王曉榮.嵌入式系統平臺課程體系教學方法探析[J].中國電力教育，2013，（2）：116-117.

[4]陳奎，黃為勇，田傳耕.物聯網時代單片機教學的思考與改革[J].福建電腦，2012，（6）：173-175.

[5]無線龍科技集團.產品詳情[EB/OL].http：//www.c51rf.com/index86.html.

[6]友善之臂.Tiny6410開發板[EB/OL]. http：//www.arm9.net/tiny6410.asp.

（責任編輯：王意琴）