物聯網應用型人才培養背景下的嵌入式系統的實踐教學探討

熊旭輝，程永山，童　強，柯宗武

(湖北師范學院 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 　435002)

物聯網應用型人才培養背景下的嵌入式系統的實踐教學探討

熊旭輝，程永山，童強，柯宗武

(湖北師范學院 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 435002)

摘要：物聯網應用型人才培養背景下的嵌入式系統實踐能力培養是隨著物聯網專業開設而出現的一個新問題。嵌入式系統是實現物聯網的感知、通知、計算與執行功能的關鍵技術，需要開發人員具備全面軟硬件知識和綜合應用開發能力。為了激發學生的學習積極性和主動性，培養學生的嵌入式系統開發實踐能力和創新意識，分析了嵌入式系統開發對其實踐教學的要求，對嵌入式系統的實踐教學進行探討，建立了層次型實踐教學模式。實踐表明，該模式可有效地提高實踐能力與促進創新能力，并為學生的技術與職業發展潛力打下良好的基礎。

關鍵詞：物聯網；嵌入式系統；實踐能力

中圖分類號：TP393.3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2714(2015)04- 0108- 04

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.021

收稿日期：2015—08—24

基金項目：2014年湖北師范學院校級教研項目(XJYB201454)、2013年湖北省高等學校省級教學研究項目(2013354)、2014年湖北省高等學校省級教學研究項目(2014367)資助

作者簡介：熊旭輝(1971—)，男，副教授，主要從計算機系統結構、物聯網與嵌入式系統應用研究.

物聯網是“十二五”規劃的戰略性新興產業之一，是信息領域新一輪發展的主要增長點。2010年教育部發布了物聯網專業申報通知，至2014年3月，新增物聯網專業的國內高校已達351所。湖北師范學院計算機科學與技術學院于2010年成功申辦“省級戰略性新興(支柱)產業人才培養計劃項目通信工程(物聯網方向)”，并于2011年開始招收本科生，2013年成功申辦物聯網工程專業并開始招收本科生。

在物聯網工程專業中，嵌入式系統課程的地位發生根本變化。嵌入式系統課程從過去計算機相關專業的介紹性選修課程變成現在物聯網工程專業的基礎專業性課程。究其原因，嵌入式技術是物聯網應用的唯一物聯源頭、物聯手段與物聯界面，是實現感知和控制的前端平臺、是實現泛在互聯的設備節點、是實現服務的用戶接口[1]。由此可見，嵌入式系統是物聯網的關鍵技術之一，學生的嵌入式系統實踐能力決定了物聯網工程專業人才的培養成效。

嵌入式系統實踐能力培養是物聯網工程專業人才培養的一個難點。軟、硬件技術緊密結合的嵌入式系統的內容極其廣泛，實踐學時有限，學校的物聯網工程專業的絕大多數學生之前從未接觸過嵌入式系統技術，因而實踐教學難度很高。為了培養學生掌握物聯網背景下的嵌入式系統實踐能力，激發學習興趣、樹立信心，提高學生的競爭力和可持續發展能力，促進物聯網戰略性新興(支柱)產業人才培養計劃的實施，在學校的向應用技術類型高校轉型發展改革的大背景下，開展嵌入式系統實踐能力培養的探索是很有必要的。

1嵌入式系統實踐教學的要求與問題

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，并且對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統[2]。當前微電子技術的發展使得嵌入式CPU芯片具備了更強的處理能力和集成了類型更多的接口，嵌入式系統普遍替代了純硬件方案和通用計算機方案，廣泛應用于工業控制系統、信息家電、通信設備、醫療儀器、智能儀器儀表等眾多領域[3]。嵌入式系統具有外延寬，知識面廣，綜合性高和實踐性強等特點，因而其實踐教學遠遠較其它普通課程高。隨著信息化，智能化，網絡化的發展，特別是物聯網產業的誕生與發展，需要進一步分析當前的嵌入式系統開發對其實踐教學的要求。

嵌入式系統開發要求高校的嵌入式系統實踐教學既要使學生具有較強的實際動手能力，還要使學生能夠真正地將理論運用于具體的產品開發中的更高層次能力。嵌入式系統開發過程可劃分為系統需求分析、設計、開發、集成、測試等階段。在系統需求分析階段，開發人員需要準確地分析描述嵌入式系統所具有的輸入、輸出、計算與控制等各種功能要求，并且精確地刻畫出嵌入式系統的性能、成本、功耗與體積等非功能性特征。在設計階段，開發人員運用各種軟硬件原理進行嵌入式系統的總體結構設計，并劃分出軟硬件模塊。在開發階段，開發人員熟練地運用各種相關的軟硬件理論與技術實現嵌入式系統的各個軟硬件模塊。在系統集成和測試階段中，開發人員將嵌入式系統的軟硬件等各個組成部分集成起來，并進行系統調試和整機測試，對發現的問題進行改進。高校的嵌入式系統實踐教學并不是簡單地等價于技能培訓。嵌入式系統實踐教學的目的是使學生針對實際應用需要設計、依據相關的軟硬件原理開發出一個適合需求的專用計算機系統。社會職業培訓為了迎合學生的找工作需要，一味地讓學生實踐，學生只是機械地進行簡單的編程與調試的操作訓練，只知其然不知所以然，幾乎沒有涉及到理論知識，導致學生的社會適應性差，知識體系自我完善能力弱，只能從事低層次的操作，而沒有系統設計開發能力[4]。因此，高校的嵌入式系統實踐教學不同于社會職業培訓，必須使學生能夠在嵌入式系統的實踐學習中將理論與實踐密切結合起來，從而滿足市場對創新性人才的需求。

目前，我院的嵌入式系統課程是伴隨物聯網工程專業設置而開設的，開設時間短，積累少，缺乏專職的嵌入式系統實驗指導教師。學院為了配合嵌入式系統的實踐教學，先后購入了ARM11嵌入式開發板和物聯網實驗箱。然而，開發板和實驗箱所配套的實驗指導書是完全按照社會職業培訓的模式進行編寫的，學生只是簡單按照實驗指導書的案例進行驗證性實驗。由于實驗方式機械單一，更沒有與物聯網應用結合起來，只能使學生得到概念性認識，大多數學生很難產生濃厚的興趣，無法達到嵌入式系統開發所要求的理論運用能力和實際動手能力要求，更無法滿足綜合性和創新性的培養要求。

2嵌入式系統實踐教學層次的建立

2.1　目標

國際技術教育協會定義工程設計為：系統和創造性地把科學和數學原理運用于實踐[5]。因此，嵌入式系統實踐教學的根本目標就是通過合適的實踐教學使得學生具備系統地和創造性地將相關的軟硬件理論運用到物聯網環境下的嵌入式系統開發過程的能力，同時具備較熟練的開發技能。

2.2　設計原則

根據嵌入式系統開發的要求，嵌入式系統實踐教學的基本設計原則如下：

1)有助于學生形成系統性的認知結構。從嵌入式系統的開發過程可以知道，運用軟硬件知識去設計開發一個嵌入式系統，換言之，解決一個嵌入式系統的應用問題，其本身就是嵌入式系統的認知結構。因此，合適的嵌入式系統實踐教學與嵌入式系統的認知結構是一致的，這就要求在進行嵌入式系統實踐教學時，避免割裂一般性原理與具體應用的聯系。

2)有意義的實踐技能培養。嵌入式系統實踐教學的目的就是要使學生運用相關理論實現符合實際要求的嵌入式應用，因此嵌入式系統的實踐教學是以學生為中心的有意義的建構學習。這就要求在進行嵌入式系統的實踐教學時要避免采用那種機械的技能培訓方式，使學生建構自己關于嵌入式系統的實踐能力。

3)以人為本，有利于學生的長期發展。由于嵌入式系統的知識面廣和綜合性強，其具體技術還在不斷發展，不可能在有限的實踐教學課時內使學生全部掌握所有的知識與能力，因此嵌入式系統實踐教學更要注意讓學生“學習如何學習”，促進學生心智的發展和潛能的發揮，避免那種一味迎合企業的短視做法。

2.3　實踐教學層次設置

根據物聯網工程專業的要求，經過學院教師的討論，確定了嵌入式系統的實踐教學層次。各層次之間的實驗內容呈遞進關系，依次為基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗，以及探索創新性實驗。 基礎性實驗的目的是為了使學生了解和掌握嵌入式系統的基本目的、基本功能、基本方法和基本技能。在實踐教學中，我們發現學生照搬實驗設備制造商提供的實驗指導書進行實驗的效果極差，只追求完成實驗即可，基本不知道實驗目的和意義。因此，我們認為基礎性實驗不等同于驗證性實驗，在設計基礎性實驗時，要注意避免那種機械的實踐技能訓練，即基礎性實驗也應是一種有意義的實踐學習。通過基礎性實驗，學生應掌握嵌入式系統開發的某一項基本技術是為了解決什么問題，其運用方法是什么，如何開展實驗過程，如何觀測實驗結果，實驗結果反映了什么問題。

設計性實驗的目的是為了使學生能夠運用若干項基本技術解決一個由具體應用抽象出來的問題情境的獨立實踐能力。通過基礎性實驗學習，學生一般已經知曉嵌入式系統開發的單項技術的使用方法。但是，在基礎性實驗階段，學生還不具備脫離實驗指導書和老師指導的獨立運用能力，更不具備深入地處理問題細節的實踐技能。因此，設計性實驗從物聯網行業的具體應用抽取出若干單項技術復合的問題情境。通過問題情境設置，使學生將之前掌握的單項技術遷移到復合的問題情境中，進而培養學生處理較復雜的問題的能力、提高學生的信心、激發學生的潛能與內在學習動機。

綜合性實驗的目的是培養學生的嵌入式系統開發技術與物聯網工程專業的其它專業知識在實踐中的綜合運用能力。在基礎性和設計性實驗的基礎上，由3~4名學生組成一個項目組，要求學生根據物聯網工程的專業特點，鼓勵他們發揮主體性，采用模擬電路、數字電路、計算機網絡、物聯網通信技術、傳感器原理及應用、傳感網原理及應用、RFID原理及應用與嵌入式系統等專業知識完成一個數據采集、傳輸、存儲和處理的物聯網項目。該項目可以由教師命題，或鼓勵學生自行設計。在項目設計開發過程中，使學生掌握嵌入式系統項目設計開發的流程與方法，培養學生的團隊精神和克服困難的意志。

探索創新性實驗的目的是進一步培養學有余力的學生的創新能力。在這個實踐教學階段，由老師帶領一個學生創新團隊，指導他們參加大學生科研、專業或學科競賽，或者科研項目。在老師的指導下，學生創新團隊較深入地研究物聯網領域中的某個關鍵技術或者難題，例如，大規模傳感器數據采集的數據存儲結構、多傳感器的數據融合方法等；或者，以當前國內外的熱點問題為課題，開闊學生的視野，例如，面向移動醫療的可穿戴式的低功耗嵌入式設備。值得指出的是，本階段的重點是培養學生如何從物聯網的大背景下發現、提出、分析與解決問題的能力，以及克服困難的方法與意志，從而鍛煉學生的創新思維、創新實踐能力，讓這些鉆研能力強的學生有機會發揮他們的聰明才智，而不是注重研究結果。

2.4　實踐教學評價

為了檢查實踐教學的效果，需要對基礎性、設計性、綜合性和探索創新性實驗進行評價。總體來說，無論是哪種類型的實驗，都是重在考查實現過程，而不僅僅是實驗結果。

對于基礎性實驗，實驗指導教師檢查實驗中的單項技術原理的應用過程和對實驗結果的分析，以及是否簡潔熟練地使用單項技術原理，從中觀察學生是否掌握單項技術原理的熟練程度。 對于設計性實驗，實驗指導教師除了要檢查技術原理的應用過程和實驗結果分析外，還要評估學生能不能正確地分析問題情境、是否恰當地描述了選擇技術的依據，從中觀察學生的分析能力和解決復雜問題的能力。

對于綜合性實驗，從項目的整體設計方案進行評價，包括問題的背景與意義、技術選型、總體設計、軟硬件的開發(含細節)、結果分析與成果展示等幾個方面。為了降低"搭便車"的現象，要求每個學生都要實現至少一項單項技術，并進行答辯，解釋自己的工作。

對于探索創新性實驗，由于主要是針對學有余力的學生，所以不作平時考查，而是采用特長學分機制，由物聯網專業教師組成評估小組，對學生的工作進行評估，并向學院建議給予合適的學分。

2.5　實踐教學的初步成效

通過對物聯網專業的學生進行層次型實踐教學，培養了學生的良好的實踐技能，更使學生對嵌入式系統開發有一個比較完整的實踐學習過程，較全面地和較深入地掌握了嵌入式系統的技術原理在物聯網中的應用。特別是鼓勵學生積極參加省級大學生創新創業訓練計劃項目、挑戰杯等各項大學生科研活動，以及全國大學生物聯網設計競賽(TI杯)和"藍橋杯"全國嵌入式設計與開發等競賽，獲得十多項國家級和省級以上團體和個人獎項，極大地培養了學生的創新能力，促進了學生的信心和興趣。

3結語

針對物聯網應用型人才培養背景下的嵌入式系統的實踐教學要求，通過嵌入式系統的開發過程，建立了基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和探索創新性實驗的層次實踐教學模式。通過基礎性實驗使學生熟練掌握單項技術原理的運用，通過設計性實驗進一步鍛煉學生的分析問題和技術選型運用能力，通過綜合性實驗全面鍛煉了學生的項目設計開發能力，通過創新性實驗鍛煉了學生攻克難關的創新能力，為他們以后的工作和進一步深造打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]何立民. 從嵌入式系統視角看物聯網[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2010,10:5～8.

[2]俞建新,王健,宋健建. 嵌入式系統基礎教程[M]. 北京: 機械工業出版社,2008.

[3]孫士明,劉新平,鄭秋梅,等. 計算機專業嵌入式系統實踐教學體系探索[J]. 實驗室研究與探索,2009,(05):122～125.

[4]劉立,陽小華,馬家宇. 基于立體模型的嵌入式系統實訓改革嘗試[J]. 計算機教育,2010,(06):145～146.

[5]韓德強,張麗艷,邵溫. 計算機工程專業方向嵌入式系統實踐教學的探討[J]. 實驗技術與管理,2010,(03):191～193.

[6]幸靚.加強實驗教學改革培養學生創新意識[J]. 教育研究,2004，(1):4～6.

The exploration of practice teaching of embedded system

in the background of IoT application-oriented talents cultivation

XIONG Xu-hui, CHENG Yong-shan, TONG Qiang, KE Zhong-wu

(The College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University, Huangshi435002, China)

Abstract：A new problem of the practice ability of embedded system is emerged in the background of IoT application-oriented talents cultivating. The embedded system is the critical technique to implement the perceptive, notified, computation and executive functions of IoT, so developers are demanded to possess a comprehensive knowledge of hardware and software and application development capabilities. In order to stimulate students' enthusiasm and initiative and develop their development practical ability and innovation of embedded system, the demands of embedded systems practice teaching was analyzed and practice teaching embedded systems are discussed, so the establishment of hierarchical practice teaching mode was established for embedded system course. Practice shows that the model can effectively improve the practical ability and promote innovation, and lay a good foundation for the development of technical and vocational potential of students.

Key words：IoT;embedded system;practice ability