面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

符寧

摘要：文章圍繞物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形勢(shì)下的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐展開(kāi)論述，對(duì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程設(shè)置、系統(tǒng)化教學(xué)過(guò)程等進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目與嵌入式教學(xué)系統(tǒng)的融合給高等教育帶來(lái)的變革進(jìn)行了研究。文章還總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景下嵌入式系統(tǒng)課程體系的建設(shè)及教學(xué)創(chuàng)新成果，為全面提升學(xué)生的理論和應(yīng)用能力提供重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

1.物聯(lián)網(wǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念始于20世紀(jì)90年代末期。當(dāng)時(shí)的物聯(lián)網(wǎng)，主要是針對(duì)物與物、人與人之間的互聯(lián)互通，提供技術(shù)支持。這個(gè)新型的概念和技術(shù)出現(xiàn)后得到了理論和工業(yè)界的充分關(guān)注。

1.2嵌入式系統(tǒng)的理論教學(xué)內(nèi)容

嵌入式理論教學(xué)內(nèi)容主要包括ARMffC：入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用和前沿發(fā)展等內(nèi)容。以嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)掌握為教學(xué)目的。具體的授課內(nèi)容包括；系統(tǒng)概述、微處理器的原理；實(shí)用操作、移植交叉開(kāi)發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景下的嵌入式課程體系框架如圖1所示。

2.物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)概述

2.1理論結(jié)合實(shí)踐

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是層次化的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，包含基礎(chǔ)知識(shí)、動(dòng)手能力、創(chuàng)造性思維等等。例如，嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，主流的串行接口和以太網(wǎng)接口，GPS全球定位系統(tǒng)模塊，總線接口等等。這些接口和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景是通過(guò)層次化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)展開(kāi)的。內(nèi)部包含了實(shí)驗(yàn)的要求和實(shí)踐階段的不同設(shè)置，整體層次的設(shè)計(jì)從淺顯到深入，實(shí)驗(yàn)層次不同，對(duì)應(yīng)的組織形式也不同。例如基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的目的用于熟悉物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)層次的循序漸進(jìn)，為了實(shí)踐的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。而綜合性的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐是為了提高物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用能力。

2.2實(shí)踐與合作相結(jié)合

在物聯(lián)網(wǎng)中間層的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，根據(jù)模塊接口的采集，終端的經(jīng)緯度信息得到無(wú)線數(shù)據(jù)手法模塊中的傳感器的溫度和日照等的環(huán)境信息，通過(guò)ARM處理器打包成UDP數(shù)據(jù)包，將之通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口傳送到基站的服務(wù)器中。

整個(gè)流程為，從以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，將數(shù)據(jù)傳送到嵌入式處理器，通過(guò)GPs模塊接口進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)，再傳送到嵌入式處理器中，最后到達(dá)外部存儲(chǔ)器。

在物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支持下，學(xué)校組織學(xué)生成立了第二課堂，組成了以物聯(lián)網(wǎng)為主題的學(xué)習(xí)小組，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行模擬實(shí)踐和開(kāi)發(fā)。例如GPS數(shù)據(jù)采集和處理的課題小組，要對(duì)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植、多任務(wù)的GPS模塊的接口數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)等眾多內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐。在團(tuán)結(jié)合作中，興趣小組的同學(xué)各自有分工合作，最終實(shí)現(xiàn)了將終端傳感器傳送了了基站的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

3.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀

堅(jiān)持對(duì)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)的創(chuàng)新進(jìn)行探索，包括課程設(shè)置、基礎(chǔ)知識(shí)的傳授、教學(xué)軟硬件平臺(tái)的搭設(shè)、實(shí)踐教學(xué)的組織等等。目前在教學(xué)中存在以下特點(diǎn)。

在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中，課程定位的方向以及應(yīng)用不同。有的院校側(cè)重于底層和系統(tǒng)文件的構(gòu)建，有的院校側(cè)重于應(yīng)用以及軟件的開(kāi)發(fā)。

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的課程中，由于院校課程定位的不同，因此在課程設(shè)置上也有所不同，有的偏重于硬件的設(shè)計(jì)，有的以電路設(shè)計(jì)為主，有的偏重語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)。

在嵌入式教學(xué)的學(xué)時(shí)分配上，有的院校側(cè)重于課程的要求，有的院校側(cè)重專業(yè)的核心課程，有的院校側(cè)重專業(yè)的通識(shí)課程設(shè)置，有的院校將其作為輔修課程，因此在學(xué)時(shí)的安排上各有不同。

在教學(xué)內(nèi)容上。嵌入式系統(tǒng)課程中理論和概念較多，因此學(xué)生容易感到枯燥，對(duì)于知識(shí)體系的架構(gòu)來(lái)說(shuō)，積極性不高會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，同時(shí)嵌入式教學(xué)平臺(tái)目前的種類偏多，但是配套的操作系統(tǒng)卻沒(méi)有跟上。

嵌入式教學(xué)體系具有若干缺點(diǎn)，首先，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師的主導(dǎo)性地位過(guò)強(qiáng)，教師只會(huì)將教材中的章節(jié)進(jìn)行講解。但是基礎(chǔ)理論往往于實(shí)踐脫鉤，使得理實(shí)一體化難以實(shí)現(xiàn)。有限的課程中，教學(xué)內(nèi)容多用于理論學(xué)習(xí)，能夠強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的實(shí)踐課程較少。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中以網(wǎng)路協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、媒體壓縮和解壓縮系統(tǒng)等等的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)眾多，但是真正能夠以為學(xué)生提高學(xué)習(xí)成效，加強(qiáng)軟件基礎(chǔ)為目標(biāo)的課程設(shè)置不多。

4.基于物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)架構(gòu)

當(dāng)前，高等院校的教育體系中，對(duì)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)教學(xué)課程進(jìn)行設(shè)置，往往是圍繞著工程能力的培養(yǎng)展開(kāi)的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)體系必須也有相應(yīng)的調(diào)整，才能應(yīng)對(duì)當(dāng)今時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的需要。

企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程以及實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，是教學(xué)內(nèi)容在選擇上參照的依據(jù)。高等院校培育的學(xué)生，必須要獲取實(shí)踐機(jī)會(huì)，提升決策和實(shí)施的能力，并且能夠制定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃，培養(yǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的評(píng)估能力。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)一般較為碎片化，通過(guò)學(xué)校與企業(yè)合作的形式，將這些碎片加以重組。例如，在物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的要求下，教學(xué)項(xiàng)目設(shè)立了一個(gè)以某企業(yè)的產(chǎn)品為主項(xiàng)目的子項(xiàng)目，在子項(xiàng)目中將任務(wù)具體化，分解到每個(gè)學(xué)生身上，學(xué)生參與到項(xiàng)目中，成為教學(xué)的主體，在真實(shí)的企業(yè)生產(chǎn)情景下，感受到物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的氛圍以及學(xué)習(xí)內(nèi)容。

項(xiàng)目啟動(dòng)后，課程被分解為小組學(xué)習(xí)的模式，學(xué)生擔(dān)任項(xiàng)目中的角色，大約4～5個(gè)學(xué)生分為一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目中，學(xué)生成為企業(yè)員工，擔(dān)任開(kāi)發(fā)程序中的角色。在實(shí)習(xí)中，學(xué)生的角色可以進(jìn)行輪轉(zhuǎn)和互換，以便于課程結(jié)束后，學(xué)生能夠?qū)?xiàng)目的全部流程有深刻認(rèn)識(shí)。

在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生的實(shí)際能力表現(xiàn)都是項(xiàng)目考核和評(píng)價(jià)的內(nèi)容。每個(gè)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的表現(xiàn)以及工作成果都被記錄下來(lái)作為將來(lái)接受課程評(píng)價(jià)的依據(jù)，學(xué)生的能力也通過(guò)項(xiàng)目的開(kāi)展不斷提高，為將來(lái)進(jìn)入社會(huì)成為工作崗位的中堅(jiān)力量打下了牢固的基礎(chǔ)。

在具體的項(xiàng)目教學(xué)中，學(xué)生以開(kāi)發(fā)成員的身份進(jìn)入項(xiàng)目小組中，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)研究項(xiàng)目任務(wù)書(shū)，進(jìn)行項(xiàng)目的需求分析、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試。

以具體的項(xiàng)目?jī)?nèi)容為例，實(shí)踐項(xiàng)目要求通過(guò)嵌入式uNux系統(tǒng)，進(jìn)行各個(gè)計(jì)算機(jī)流程的操作，包括系統(tǒng)裁剪、電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)文件加載、交叉下移，平臺(tái)嵌入式編譯等等。在模塊化教學(xué)的情景下，學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接口，在理實(shí)一體化的模式下將項(xiàng)目軟硬件系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)和編碼進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在項(xiàng)目完成之后，教師、企業(yè)、學(xué)校組成專門的評(píng)價(jià)小組，對(duì)照工作任務(wù)要求，逐項(xiàng)檢查項(xiàng)目完成情況。對(duì)不足的部分要求學(xué)生進(jìn)行分析和修改，并要求項(xiàng)目小組內(nèi)的同學(xué)和不同小組的同學(xué)開(kāi)展互相評(píng)價(jià)、總結(jié)，以綜合的考評(píng)成績(jī)作為對(duì)學(xué)生的考核結(jié)論。

5.結(jié)語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展的技術(shù)背景下，需要將嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生在實(shí)踐的項(xiàng)目中掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)嵌入式教學(xué)改革和實(shí)踐，學(xué)生對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解得到提升，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的過(guò)程有了深刻體會(huì)，參與團(tuán)隊(duì)的積極性和主動(dòng)性得到提高，解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的能力也得到有效提升。在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式教學(xué)改革實(shí)踐后，學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用也有了更為深入的了解。今后高校將繼續(xù)探索物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目為引導(dǎo)的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)的新模式和新方法。