基于STM32教學的物聯網工程專業學生知識體系構建能力的培養

陳浩廣 楊亮 呂燚

摘要：本文從STM32單片機的教學入手，對物聯網工程專業學生知識體系構建能力的培養方法進行了探討。通過分析物聯網工程專業的特點以及傳統教學中學生構建知識體系結構時存在的問題，提出了由易到難、項目引領、就業驅動、以點帶面的系統性思維培養模式，旨在提高學生構建專業知識體系的能力。

關鍵詞：STM32、物聯網工程、知識體系、系統性思維

一、引言

物聯網即萬物相連的網絡，它是互聯網的延伸與擴展，通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等裝置與技術，實時采集所需的信息并接入網絡，實現物與物、物與人的泛在連接[1]。近年來，物聯網技術發展日新月異，深刻地改變了人們的生活、生產方式[2-3]。物聯網工程專業也因此成為高等院校的熱門專業，它是一個跨學科、綜合性強的應用型專業[4-5]，涉及多個理工科專業的理論和應用實踐。目前，我國的高等院校多是從計算機學院、機電工程學院或者自動化學院來開設這個專業。由于該專業成立晚，基礎積累與沉淀相對不足，因此，作為物聯網工程專業的學生，在構建專業知識體系結構時，難免會遇到一些困惑與難度。另外，我國的應用型本科院校對學生知識體系構建能力的培養也相對較少[6]，容易導致學生“只見樹葉，不見森林”的困境。為了滿足社會對物聯網工程專業的人才需求，有效緩解地區物聯網產業專業人才稀缺的問題，本文以STM32單片機課程作為物聯網工程專業教學的核心節點，提出了由易到難、項目引領、就業驅動、以點帶面的系統性思維培養模式，以此幫助學生提高構建專業知識體系能力。

二、學生在傳統教學中構建專業知識體系結構時存在的問題

（一）物聯網工程專業的教學現狀。

第一，物聯網工程專業作為一個新興的專業，基礎積累與沉淀相對不足，不少學校是在電子通信、計算機、機電等專業的基礎上開設這個專業，對物聯網工程專業認知的深度和廣度不夠，缺乏系統性培養的整體觀。第二，大多數應用型本科院校授課的方式過于理論化[7]，缺少工程實踐應用的實例，特別是對于剛涉足物聯網專業的學生來說，理論性知識太強，學習枯燥乏味，容易挫傷學生的積極性。第三，傳統的實驗模式缺少創新性[8]，而且相應的實驗室配套設備也過于簡單，不利于學生學習。一般傳統的實驗模式都是教師給定具體的實驗題目，內容陳舊，缺少新意，且學生必須按照要求被動地完成實驗，這類實驗一般都是簡單的傳感器物聯網實驗，例如溫濕度檢測、光敏傳感器檢測和鍵盤控制電路實驗等。這類實驗沒有體現物聯網的整體框架結構，局限于某個知識點的應用，不利于學生形成完整的知識體系結構。另外，某些高校的實驗設備采用的是封裝實驗箱，這類設備雖然易于上手，但隱藏了底層的邏輯電路原理，難以擴展創新，嚴重地限制了學生的創新意識，扼殺了學生的興趣與積極性。最后，不少高校仍以知識點為教學的主要內容，授課的目標只停留在掌握知識點的本身內容，而沒有從宏觀層面去剖析各個知識點的內在聯系，忽視對學生思維方式以及綜合能力的培養，使得學生在構建專業知識體系能力較為欠缺。

（二）學生自身因素對構建專業知識體系的影響。首先，學生對物聯網工程專業的認知不夠，不清楚構建知識體系的重要性，不知道自己所學專業的重點、就業的方向，沒有做好職業規劃，甚至有些學生臨近畢業還不知道要找什么類型的工作；其次，缺少主觀能動性。受九年義務教育及高中教育的影響，學生養成了知識填鴨式的慣性思維，不懂得利用網絡、學校圖書館等資源進行主動學習，仍采用被動填鴨接受方式獲取知識；最后，學習積極性不高。由于物聯網工程專業綜合性和實踐性較強、知識更新速度快等特點，學習門檻較高，學生在學習中難免會碰到一些困難，很容易造成學習的半途而廢，對專業失去學習的信心。

三、如何培養學生構建知識體系結構

本文以STM32單片機教學為切入點，通過對該課程進行教學改革，引導學生有意識地去培養自己構建專業知識體系的能力。STM32單片機課程是一門硬件與軟件相結合、工程性強、實用性高的專業課程，是物聯網工程專業知識體系構建過程中的一個關鍵核心節點，因此，這門課程是學生構建整個專業知識體系的核心課程。首先，這門課程能鞏固該專業的基礎知識，如硬件原理的基本特性以及相關的軟件編程語言，起到承前的作用；其次，STM32是一個32位的ARMCortex-M系列的處理器，具有兼容性高、易于掌握、實用性強等特點，是后續LINUX學習的先修課程，起到啟后的作用；再次，STM32是一門實踐性強的課程，學生可以通過做項目來激發自己學習的信心與興趣。下面，本文將從四個維度來介紹如何培養學生構建知識體系結構。

（一）提出由易到難、由簡單到復雜的漸進教學方案。

在STM32單片機教學中，學生一般經歷三個階段，分別為理解、實踐以及創新。第一階段為理解階段。通過老師的理論講授，讓學生初步認識和理解單片機相關的基礎知識。第二階段是為實踐階段。學生通過對單片機軟硬件原理的理解，模仿經典案例，嘗試動手進行軟件編程以及硬件調試，并在練習過程中鞏固知識點，提高自己的編程能力。第三階段是創新階段。學生能熟練掌握STM32相關的知識點，綜合運用所學的內容進行創新，根據實際的項目需求，進行產品功能分析，市場調研，獨立自主地進行軟硬件開發，并完成整個項目。任課教師在授課過程中，要注意學生對知識的理解與運用，時刻把握學生的學習情況，切記不能操之過急，否則會適得其反。

（二）提出基于項目開發為導向的實踐教學方法。在STM32單片機的教學中，學生容易掌握相關的局部知識點，卻難以將其與整個軟硬件體系相關聯，往往只理解局部，沒法統籌整體，導致項目的整體開發應用能力較差。因此，在教學過程中，我們可以把一個整體的項目拆解成若干個小任務，讓學生先獨立地完成小任務，然后把這些小任務綜合到一起，形成一個完整的項目。通過對這些小任務的訓練，學生就會慢慢地擺脫枯燥，建立信心，并逐步理解這些局部知識在整個軟硬件系統里面的作用。這種由小任務入手并逐漸形成一個完整項目的教學方法，能加深學生理解整個軟硬件體系，培養學生興趣，提高學生的工程應用能力。

（三）以就業為動機，提高學生構建專業知識體系的積極性。

作為應用型本科院校，大部分學生畢業之后將進入相關企業工作，學習過程中往往帶有功利性。STM32系列是目前單片機市場需求最為旺盛的芯片之一，就業機會較好，任課老師在授課時，可以結合企業對單片機人才的要求來展開教學。首先，加強教學與企業需求之間的聯系。例如，企業開發一個硬件產品，不僅要包括編寫硬件的功能分析文檔、技術設計文檔、電路原理圖、軟硬件接口的詳細文檔等資料，還包括設計PCB板、采購預研硬件、焊接檢錯、測試驗證、原理修正和樣品制作等工作。教師在教學中，可以結合實例融入這些元素，更好地鍛煉學生的實踐應用能力。其次，介紹知名企業在招聘時的筆試、面試等相關題目，讓學生更好地了解自己的專業知識與企業實際需求之間的關系。最后，鼓勵指導學生參加各類電子設計大賽、物聯網創新設計大賽等。通過比賽訓練，學生可以提高自己的動手實踐能力，為今后找工作增加加分點。

（四）提出“以點帶面”，引導學生構建專業知識體系的教學方法。

STM32單片機課程是物聯網工程專業的核心課程，在整個專業課程體系起到承前啟后、以點帶面的作用。物聯網工程專業的各個知識點之間存在著密切的、有機的聯系，任課老師要以多層次、多維度的授課方式對這些知識點進行橫縱向關聯，深入分析各知識點的內在關系，提取知識點之間的共性方法，對知識點進行擴展、深化和完善，并以此為切入點，應用到具體的開發案例，“以點帶面”，引導學生構建專業知識體系結構。因此，任課老師在上課時，不僅要介紹STM32單片機課程的相關知識點，還要介紹這些知識點與其他課程的關聯度，尤其要強調與后續課程如《LINUX應用開發》等的內在關聯。同時，在每個章節開始授課時，要以概貌的形式簡單地介紹各知識點以及它們所構建的知識體系結構。這樣，學生就能先了解森林的輪廓，然后再研究細微的樹葉，最后做到鳥瞰整個森林的全貌。

四、評估學生構建知識體系結構的效果

為了分析專業知識體系結構對學生未來發展的影響，我們對同一年級同一個專業的兩組學生采用了不同的培養方法，并進行兩年的跟蹤調查。A組學生采用本文提出的系統性思維培養方法，人數為80人；B組學生采用傳統的教學培養方法，人數為78人。由于這兩組學生都是大三物聯網工程專業，先修課程都一樣，因此在采用本文提出的系統性思維培養方法之前，兩組學生對于構建自己專業的知識體系能力沒有較大的區別。在A組的授課過程中，我們有意識從以下四個方面對該組同學進行引導培養，具體實施情況如表1所示。

B組的授課方法采用的是傳統的授課方法。該方法按照課程大綱羅列的知識點按部就班授課。每上完一節理論課，就會進行相對應的實驗課程，這些實驗課程主要是用來鞏固理論課所教授的知識點。具體情況如表2所示。根據表1和表2學生的反饋情況來說，這種傳統的授課方式明顯不如本文提出的系統性思維培養方法。

最后，我們對A組學生和B組學生的期末成績以及就業的情況做了一些跟蹤調查，具體情況如表3所示。根據表3可知，對于同一套期末試卷，A組學生的平均成績比B組多了2.99分；A組學生畢業之后從事本專業相關工作的比例比B組高了9.5%；A組學生的初次就業率比B組高了3.4%。從這些數據可以看出，通過對學生的知識體系構建能力的系統性思維培養，能夠提高學生的專業素養，促進學生更多的從事與本專業相關的工作，提高學生的就業率。這也從某種程度上反映了我們所提出的構建學生知識體系的培養方法具有正面的積極效果。

五、結束語

物聯網工程是一門實踐型、知識更新速度快、綜合性強的專業，該專業對學生構建知識體系具有較高的要求。本文通過分析物聯網工程專業的特點，以STM32單片機課程作為切入點，提出了由易到難、項目引領、就業驅動、以點帶面的系統性思維培養模式。這種培養模式可以幫助學生提高構建專業知識體系能力，成為符合企業需求的應用型人才。

作者單位：陳浩廣? ? 楊亮? ? 呂燚? ? 電子科技大學中山學院 計算機學院

參? 考? 文? 獻

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