物聯網背景下嵌入式系統課程教學的改革探究

楊峰

【摘 要】分析了物聯網和嵌入式的關系，針對傳統嵌入式系統教學存在的課時少、教學手段單一的現狀，結合嵌入式系統的教學經驗，從理論、實踐、實習等方面探討一種改進的教學模式，以符合物聯網的時代要求。

【關鍵詞】物聯網；嵌入式；教學改革

“十三五”時期是我國物聯網加速進入“跨界融合、集成創新和規模化發展”的新階段，越來越多的嵌入式開發企業開始向物聯網開發企業轉型，隨之而來的是對物聯網相關人才的海量需求。為適應社會人才需求，不少高校也對培養課程進行了調整，有的高校直接開設了新的物聯網課程，有的高校則將原有的相關課程改革，向物聯網靠攏。文中探討了嵌入式系統課程教學在物聯網背景下的改革模式。

一、嵌入式技術在物聯網的地位

自計算機與集成電路誕生以來，我們先后經歷了單片機和嵌入式系統時代，如今，物聯網正推動著一場新的信息技術產業革命。單片機可以稱之為嵌入式系統的子類，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗都有嚴格要求的專用計算機系統。物聯網則是在計算機互聯網的基礎上，利用傳感器技術、嵌入式技術、無線數據通信技術，構造一個覆蓋萬事萬物的“Internet of things”。在這個網絡中，嵌入式技術扮演著關鍵的角色，正是嵌入式技術，才能把傳感器的信息數據接收至處理單元，再把經處理后的信息通過無線通信網絡傳送到頂層，從而形成萬物相聯的信息網。

二、現階段嵌入式系統教學分析

嵌入式系統課程是一門多學科交叉的課程，知識內容涵蓋了計算機、電子技術和信息科學等。嵌入式系統的設計既包含硬件部分也包含軟件部分，隨著嵌入式新技術的不斷涌現，軟硬件復雜程度也不斷增加，這讓原本就讓高校大學生覺得難學的課程變得難度更大，要學的內容更多，教師也覺得教學任務重，壓力大。總結起來，當前的嵌入式系統教學一般存在著以下三個方面的問題。

（1）課時少。目前，高校的嵌入式技術課程理論課時基本在40個左右，實踐課時在10個左右。而該門課程的知識體系相對來說是偏復雜的，加之內容甚多，課時量偏少的，尤其是實踐課時，對于這樣一門實踐性很強的學科來說，10個課時顯然不能達到培養學生能力的要求。

（2）軟硬件教學失衡。受專業方向要求的限制，在內容選材方面，有的高校側重于硬件，有的則側重于軟件。而嵌入式系統的開發則要求軟硬兼具，缺一不可；嵌入式技術的發展也是硬件發展和軟件發展相互促進的過程。授課的失衡必然帶來學生能力上的失衡，制約了學生獨立設計能力的發展。

（3）教學手段單一與師資素質不高。當前的嵌入式課程教學大多還是傳統PPT模式，學生的興趣普遍低下，啟發式與項目式等具有活力的教學方法始終缺乏。同時，授課教師大多沒有企業工作經驗，無法給學生提供開發經驗。

三、物聯網對嵌入式系統教學的影響

物聯網的興起已經促使大部分相關企業進入轉型的軌道，企業的轉型意味著對技術人才需求的轉型。單純的嵌入式教學體系已經不能滿足時代的需求，物聯網技術是包括嵌入式技術、傳感器技術、無線通信技術、移動計算技術、先進數據處理技術在內的多種技術綜合體，這就要求高校必須順應時代的趨勢，調整培養方案，提升教學質量，以企業需求為導向，注重對學生的專業素質培養。對于嵌入式系統設計人員，要不斷更新自己的知識體系，接受物聯網應用帶來的新要求、新挑戰和新技術。

四、物聯網背景下嵌入式教學的改革思路

（1）理論課程計劃設置

物聯網技術是多跨領域的技術，需要在原有的嵌入式課程體系基礎上增設面向物聯網的新學科。面向物聯網的學科既涉及到傳感器技術、射頻技術、通信組網技術等基礎學科也涉及到包括網絡安全和系統開發等應用學科。受培養計劃課時限制，大多數高校的理論課時已經飽和，增設新的課程涉及到培養計劃以及教學大綱的修改，客觀阻力不小。

（2）實踐教學體系調整

實驗的目的是使學生增強理解，學會基本運用。實驗的內容取決于實驗的平臺。傳統的嵌入式實驗平臺雖然比單片機平臺功能多得多，但要符合物聯網能力培養的要求，還需在功能上進一步擴展。物聯網的架構包括感知層、網絡層和應用層，嵌入式技術應用于感知層與網絡層。實驗平臺除了基本的處理器、顯示、按鍵、電機模塊，還應具備傳感器模塊、RFID射頻模塊、二維碼識別模塊、zigbee模塊、WIFI模塊等。

為便于學生理解物聯網工程的實施過程，組織實驗時應打破原有體系，按照物聯網的層次關系，將實驗內容劃分為感知識別實驗、無線通信實驗、應用實驗。感知實驗旨在讓學生了解常見傳感器的工作方式、掌握網絡節點實現方法，對傳感設備的數據進行處理。通信實驗包括WIFI、Zigbee、藍牙等無線組網，目標是讓學生掌握多種手段搭建網絡。應用實驗主要包括手機終端開發和數據庫程序設計，此部分實驗需要學生擁有一定軟件設計能力基礎，而大部分電子信息專業的學生在該項能力儲備上都存在不足。

課程設計是實踐的重要環節。只有通過課程設計學生才能將課堂知識與實際工程需求相結合，提升分析問題與解決問題的能力。課程設計題目要具有代表性，要能夠覆蓋物聯網的各個主要技術環節。課程設計的組織應以小組為單位，要求每個小組的成員通過分工協作，在規定的時間里完成項目。課程設計過程的管理是保證效果的關鍵。指導教師負責過程的指導與監督，可以通過網絡平臺的形式與學生交流、分享資料。

（3）校外實習拓展

校外實習是校內教學的延伸。讓學生走出校門，到企業一線直接感受并參與實際工程的實施，有利于了解現狀與趨勢、開闊視野，同時也使學生認識到自身能力與企業需求水平間所存在的距離，對意志是一次良好的鍛煉。近年來，校外的實習教育越來越受到重視，許多高校紛紛與企業開展合作辦學，在企業設立實習基地，學生也樂意在新的環境下學習和工作，企業則可以對人才進行預備性培養。

五、結語

嵌入式系統課程本身知識結構復雜、實踐性較強，教與學都面臨著不小的困難。在物聯網的背景下，嵌入式系統課程須要注重多學科融合，綜合性更強，難度變得更大。文中給出了一種改進的教學模式，從理論教學、實踐活動、校外拓展等方面契合了物聯網的時代需求。從實踐的情況看，獲得了使學生把更多的壓力轉換為動力的效果，興趣和能力都獲得顯性提升。物聯網的發展仍需要大量人才，推動嵌入式系統教學的改革，提升人才素質基礎還需要廣大教育工作者的不懈努力。

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