基于物聯網方向的嵌入式系統工程專業課程體系構建研究

蔡振

【摘要】 物聯網為嵌入式專業的發展提供了廣闊的發展空間。根據培養目標，重構專業課程體系，提出以單片機為主的低端課程體系和以ARM為主的高端課程體系并舉，探討系統重構后的課程安排、教學形式和考核方式，最后總結實施效果。

【關鍵詞】 物聯網 嵌入式課程 體系構建

物聯網是目前社會發展最為迅猛的行業之一，但并非是一個全新的技術應用，是隨著傳感網、通信網、互聯網的成熟與積淀孕育而成[1]。物聯網技術已經被列為國家“十二五”規劃戰略性新興產業[2]，政府對物聯網產業的重視，給產業發展帶來了積極影響，物聯網為嵌入式專業的發展提供了廣闊的發展空間。由于嵌入式在物聯網體系中占有很重要的位置，因此，研究基于物聯網方向的嵌入式系統工程專業課程體系具有重要的現實意義。

一、原專業設置存在的問題

1.1課程安排脈絡不清楚

根據原專業的人才培養方案，人才培養偏向硬件層面一些，因此，安排了電路基礎、模擬電子技術、數字電子技術、印制電路板設計與制作、單片機小系統制作、ARM原理與應用、linux操作系統應用、嵌入式系統設計與應用等，學生在學了這些課程之后，發現與應用電子技術專業學的差不多，但對基于ARM嵌入式系統的學時比重相對較少，沒有凸顯嵌入式系統專業的優勢。

1.2課程獨立、同質化嚴重

在原有的專業課設置過程中，僅限于嵌入式系統所需課程，課程之間的鋪墊和滲透比較差。例如第三學期開設《單片機小系統制作》課程，課程只限于描述MCS-51系列單片機的學習，由于學期的限制，同時還開設的《ARM原理與應用》，課程限于ARM9系列微控制器的學習，兩門課程結構安排同質化程序較高，加上同時開設，前者沒有對后者起到鋪墊效果。

二、基于物聯網的嵌入式專業課程體系構建

2.1課程體系構建的指導思想

課程總目標是培養扎實的電子技術基礎和MCS-51單片機、ARM微控制器系統應用能力以及物聯網感知層的應用能力，能夠在產品維修工程師、產品安裝實施與調試工程師、技術支持工程師、應用程序開發工程師等職業崗位上，從事物聯網嵌入式產品維修、產品安裝實施與調試、技術支持以及應用開發等方面工作，有可持續發展能力和技術技能型專門人才。

嵌入式系統分為低、高端應用，結合學校實際情況，在開始學習階段，采用8位單片機入門，詳細掌握處理器內部構造和C編程語言，然后制作相關電子產品。在大二開始接觸高端ARM處理器，ARM內部構造復雜，對高職學生來講不需掌握其內部構造和指令系統，詳細講解控制外設的編程，制作嵌入式產品。從現有的條件來分析，如何統籌嵌入式的低端和高端系統實現在物聯網感知層面上的應用，是課程體系重構的指導思想。

2.2課程體系構架

根據上述指導思想，將原有的課程設置全部推翻進行重構，主要從兩個方向來實現：1）低端課程系列，以MCS-51系列單片機為主的課程系列，主要打造常規電子產品的設計與制作；2）高端課程系列，以ARM微處理器為主的課程系列，能對簡單嵌入式產品進行設計與制作，同時對物聯網產品進行操作和應用。專業課程體系架構如圖1所示：

低端課程系列為電類專業基本都需要開設課程，結合我院生源情況和市場需求，培養了常規的電子產品所需人才。該系列的課程安排和原有的安排也略有不同，為了突顯應用性，將《數字電子技術》放在《模擬電子技術》前面，為了強化單片機的重要性以及為ARM的學習打下基礎，開設兩學期的《單片機小系統制作》，這樣單片機的學習過程中，模擬和數字電路都學完，外加Protel技術的學習后，就可以進行電子產品設計與制作實訓了，實現課程之間環環緊扣，增加了各知識要點的滲透性。此外，《傳感器》是一個特殊的課程，在電子產品設計中也是一個必不可少的部件，而在物聯網中更是一個最重要的底層數據的源頭，因此，在高端課程系列中也很重要。

高端課程系列是基于物聯網而建立起來的課程，在原有嵌入式系統課程上演變而來，要突出物聯網感知層【3】的應用，減少嵌入式微控制芯片ARM的理論知識，加大對嵌入式系統應用設計的學習，以及嵌入式系統在物聯網感知層面的應用操作。課程首先安排物聯網工程概論，讓學生對物聯網建立概念，建議安排在第一學期，然后開設基礎課程《Linux操作系統應用》，懂得操作系統的應用后，接著開設《嵌入式系統技術與應用》，就可以在ARM開發板上進行嵌入式系統的學習和設計了，主要在Linux啟動引導程序、內核、文件系統、字符型設備驅動程序、GPIO接口控制程序、嵌入式圖形界面設計等方面、可以做出SD卡驅動、GPIO控制LED燈、PWM控制蜂鳴器等內容。在對嵌入式系統有一定程度的認識后，就開始進行物聯網感知層的課程開設，由于感知層的模塊很多，模塊之間實現無線通信，因此，射頻技術、移動通信技術、無線傳感網、數據庫等方面的知識都需開設，滿足感知層的認識和應用。由于物聯網在很多學科有交叉，所涉及到的知識也很多，結合我校實際情況，暫且在感知層上擴展嵌入式系統的應用。

實訓課程系列中《電子產品設計與制作》主要針對低端課程的訓練，可以制作心形燈、數字鐘、電子廣告屏、多任務控制器、無線取餐呼叫器、音樂光立方等電子產品。《嵌入式系統設計與制作》主要針對單個嵌入式控制系統的訓練，可以制作遠程溫度采集與曲線生成器、基于手機遙控的視頻監測車的設計與實現等嵌入式系統。《物聯網技術應用實踐》針對物聯網感知層的應用，基于目前物聯網在實際教學過程中遇到的問題，可以通過購買中智訊科技有限公司的ZWs210m4in1 IPv6下一代物聯網實驗平臺來實現。最后，綜合實訓放在第五學期，通過制作簡易智能家居產品將兩大類課程知識進行有效地整合，達到人才培養的目標。

2.3教學形式

對于兩個系列的課程，采用什么樣的授課形式，須得由課程性質來決定。事實上，目前高職院校推廣項目式教學由來已久，學校有段時間全部課程都推行項目式教學，但運行效果并不理想，對基礎性質的課程如數字電子技術、模擬電子技術采用傳統的教學模式效果要優于教改模式，并不是說教改模式不好，影響其教學效果的原因很多。結合學校實際情況，嵌入式專業在基礎課程教學上采用傳統的理論加實驗的教學模式，像protel、單片機、傳感器課程采用理論知識與項目實踐1：1的形式。由于高端系列課程其理論知識要艱深一些，高職層面的學生難以理解，應盡量壓縮在理論方面的學時，加大實踐操作學時，可以采用1：2的形式，或是更高。理論和技術知識也很重要，像單片機、ARM課程沒有理論的支撐，其功能根本就無法達到，但只講理論沒有應用，其知識內容也很難理解，所以，理論學習的原則以夠用即可。

2.4考核方式

課程考核的形式對課程的學習起著非常重要的作用，好的考核形式可以很好地調動學生的學習主動性，提高動手能力。對于重構后的課程考核形式，這需要取決于其教學形式，采用傳統教學模式的，筆試考核比較合適；采用理論與項目1：1形式的，筆試加作品考核比較合適；采用理論與項目1：2或以上的，采用作品考核比較合適。嵌入式系統和物聯網課程適合采用作品考核形式，需要進行分組，一般3人為一組，完成一個作品。當然，考核方式并局限于此，可以采用多樣化，只要有利于提高學生的學習熱情都是合適的方式。

三、結語

基于物聯網方向的嵌入式系統工程專業課程體系，是建立在人才培養模式前提條件下的，關于重構后人才培養模式已經撰文發表了。新的課程體系形成了前后有序、層次推進的體系架構，推行兩個系列課程體系，滿足物聯網嵌入式不同層次的人才培養。

該課程體系已在2013級嵌入式系統工程專業的學生上實踐2年了，目前學生學習熱情高漲、運行效果良好，做出了形式多樣的產品。

參 考 文 獻

[1]百度百科.無線龍新型物聯網實驗實訓室[EB/OL].[2014-07-07]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_8cc8e3990102uwr9.html

[2] 教高廳函 [2010] 13號文件 《教育部辦公廳關于戰略新興產業相關專業申報和審批工作的通知》[EB/OL].[2011-09-12].http：//bksy.zju.edu.cn/attachments/2010-03/01-126830215-136490.doc.

[3]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.