基于項目驅動的“嵌入式系統與物聯網”課程教學模式改革與實踐

引言

“嵌入式系統與物聯網”是計算機、電子信息等專業的核心課程，兼具理論深度與實踐特性，對學生系統設計能力、創新思維及工程素養的培養至關重要。傳統教學模式中，課程內容多以知識點碎片化講授為主，實踐環節依附理論教學，缺乏真實場景的項目支撐，導致學生難以建立完整的知識體系，實踐應用能力與產業需求存在差距[2-4]。隨著物聯網技術的快速發展，行業對復合型人才的需求日益迫切，要求學生具備跨學科知識整合能力與項目實戰經驗[5-。項目驅動教學模式以實際項目為載體，將理論知識與工程實踐深度融合，引導學生在解決實際問題的過程中掌握核心技術。在此背景下，探索基于項目驅動的課程教學模式改革，對提升課程教學質量、培養符合產業需求的高素質人才具有重要的現實意義。

1.課程教學現狀分析

“嵌入式系統與物聯網”課程可以促進學生對單片機控制系統的學習和應用，但是教學實踐中暴露出多項結構性問題[7-9]。首先，該課程教學內容以單片機基礎和模塊實驗為主，缺乏理論知識與項目集成的訓練以及學生系統設計思維的培養，而且課程內容對于快速發展的社會而言，存在更新滯后的問題。教材與教學內容往往停留在單片機應用層面，對如ESP32、LoRa通信、MQTT協議、云平臺接入等前沿技術涉及較少，難以滿足學生掌握完整物聯網系統開發的需求。其次，課程實驗與實際工程場景脫節，任務驅動弱，難以激發學生內在動機。課程結構偏重知識傳授，忽視能力培養[10]。教學活動主要圍繞知識點的講解與單一模塊實驗，缺乏系統性設計任務的引導，學生在知識整合、方案構思與系統實現方面訓練不足。再次，教學模式依賴講授與單一實驗，缺少團隊合作、跨學科融合與開放性探索環節。課程實驗以模塊功能驗證為主，缺乏綜合性、情境化項目實踐，學生很難在有限的實驗環境中形成對“感知一傳輸一處理一應用”全鏈條系統的理解。最后，評價體系以結果為導向，忽視過程性評價與學生多維能力發展。

圖1基于項目驅動的教學模式設計

2.基于項目驅動的教學模式設計

為有效解決現有教學問題，構建能力導向的教學體系，本文提出了基于PBL理念的“嵌入式系統與物聯網”教學模式設計，如圖1所示，主要包括以下五個方面。

2.1教學目標重構

緊跟教育與應用的步伐，在教學中不斷改變教學方式，以新工科為導向，將教學目標從“知識傳授”轉向“能力建構”。擺脫書本教育為主，以實踐應用為主，結合所學的知識應用于實踐中，增強學生學習興趣，提升學生對知識的轉化能力。結合本課程的內容，主要從以下四個方面突出核心能力。

2.1.1嵌入式軟硬件系統設計能力培養學生在嵌入式處理器、外圍電路設計、嵌入式C語言編程等方面的綜合能力。強調從原理圖設計、電路焊接到固件開發的全流程訓練，提升學生獨立構建嵌入式應用原型的能力，具備面向傳感控制與數據采集任務進行軟硬件協同設計的能力。

2.1.2項目規劃與系統集成能力

引導學生在面對真實或擬真工程問題時，能夠科學規劃項目流程，識別系統組成模塊及其功能邊界，并具備基于技術規范進行模塊集成與調試的能力，強化從“感知—通信一處理一決策一執行”物聯網架構角度對系統方案進行整體設計與實現的能力。

2.1.3團隊協作與項目管理能力

通過小組合作、角色分工、階段匯報、協作開發等教學環節，訓練學生跨崗位溝通、進度控制、資源分配、沖突協調等團隊合作能力。引導學生在項目推進過程中運用敏捷開發、思維導圖、甘特圖等工具進行任務分解與進度追蹤，培養良好的項目管理意識。

2.1.4創新意識與工程問題解決能力

在項目驅動的實踐過程中，鼓勵學生結合物聯網在智慧醫療、智能家居、智慧農業等領域的典型應用場景，提出個性化創新方案，嘗試進行問題建模、方案設計與原型驗證。強化學生從“提出問題一分析問題一解決問題”的工程思維鏈條，激發技術創新與實踐探索能力。

2.2項目任務體系設計

本課程構建了分層遞進、任務導向的項目任務體系。該體系以真實應用場景為載體，以技術融合能力培養為目標，設計由淺入深、螺旋上升的三個層次項目，逐步提升學生從基礎認知到系統集成的工程能力和創新意識。

2.2.1基礎實踐項目：模塊認知與初步實踐

本階段主要目標是幫助學生熟悉開發平臺與基本編程環境，建立對嵌入式系統運行機制的初步認知。典型項目如溫濕度采集與LCD顯示系統，使用DHT11等傳感器采集環境數據，結合LCD1602或OLED顯示模塊，實現周期性數據讀取與動態顯示。學生將掌握基礎I/O控制、中斷處理、數據格式轉換與模塊初始化等關鍵技術，為后續項目打下編程與接口基礎。

2.2.2中級實踐項目：通信協議與節點構建

該階段任務強調通信能力與物聯網數據發布機制的掌握，引導學生初步搭建點對點通信或多節點系統的功能框架，提升系統應用能力。

基于MQTT協議的無線傳感節點設計：通過ESP32模塊連接Wi-Fi網絡，完成數據采集與MQTT協議下的消息發布，服務器端接收并可視化展示數據。

2.2.3綜合實踐項目：系統集成與應用創新

在前兩個階段訓練的基礎上，綜合實踐項目任務側重于復雜系統的模塊協同設計與系統集成實現，模擬實際工程項目中多模塊協作的開發流程。

基于ESP32的智能家居遠程控制系統：項目可涵蓋智能照明控制、門禁系統、環境監測與報警等多功能模塊。學生需完成系統功能架構設計、通信協議選擇、硬件接口規劃、移動端（或網頁端）UI控制界面開發等綜合任務。

通過上述層層遞進的項目訓練，每個項目均圍繞“真實應用場景 ⁺ 技術整合”設計，強化系統性思維和模塊協同能力，可以綜合提升學生對該課程的學習和應用。

2.3教學組織方式設計

課程圍繞“理論學習 + 項目驅動”雙核機制，系統重構教學流程，旨在打通知識與能力、理論與實踐、個人與團隊之間的壁壘。

首先，以真實或擬真的項目任務為主線，打破傳統“先教后用”的模式，采用“教-學-做”同步進行的螺旋推進式教學策略。其次，課程實施小組協作機制。根據項目內容與學生特長進行任務分工，設置組長、技術負責人、測試員、資料整理員等角色，模擬工程項目中的崗位設置，強化學生的組織協調與跨角色溝通能力。最后，教學組織設置“項目里程碑”節點管理機制，如方案設計評審、中期成果展示、最終答辯驗收等。

2.4多元化評價機制設計

為了全面反映學生在知識掌握、能力建構、素養提升等多維度的發展，設計具有可操作性、可追蹤性的多元化評價機制至關重要。

本課程構建“過程性 + 終結性”與“個體 ⁺ 團隊”相結合的多維評價體系，重點包括以下方面。一是階段性評價：圍繞每一項目階段設定具體任務指標，如項目立項匯報、功能模塊劃分、原型方案設計、中期演示與技術迭代等，進行文檔評估與技術評審；結合每位學生的參與程度、任務完成質量與技術日志開展過程跟蹤。二是成果性評價：最終以項目系統功能的完整性、運行穩定性、創新亮點、技術難度與用戶交互體驗為核心，綜合評定項目成效。成果展示需結合演示、答辯、展示板塊或線上平臺發布等多種形式，激發學生成就感與表達能力。三是評價方式組合：融合教師評價（專業指導） +， 小組互評（協作能力） + 學生自評（反思成長）等維度，構建全過程性反饋閉環。每位學生需提交個人反思日志，系統回顧自己的貢獻、困惑與提升路徑，引導形成學習遷移與自我驅動的能力。

表1教學滿意度、學習興趣、教學方式認可度變化

2.5教學資源與支撐平臺建設

為提升課程實施的系統性與資源可達性，構建統一、可擴展的教學資源與技術支持平臺是關鍵。

在硬件層面，選用具備廣泛行業適應性的ESP32模塊作為統一的嵌入式開發平臺，并配備溫濕度傳感器、紅外模塊、OLED顯示屏、繼電器控制板等常用傳感與執行元件，兼顧教學與產業接軌的實踐需求。

在軟件與平臺層面，引入OneNet、阿里云lTStudio等物聯網云平臺，支持學生將本地嵌入式設備接入遠程服務器，實現數據可視化與遠程控制。提供云平臺接入教學賬號，統一資源調度，并配套API接口教學與調試工具，拓展學生對物聯網系統架構的全面理解。

在課程資源層面，建設結構化的資源庫，涵蓋教學視頻與案例拆解、完整的項目源代碼與功能模塊注釋、平臺操作手冊與接入指南、常見問題FAQ與論壇答疑社區，形成“教材 ⁺ 樣例 ∣+ 實踐 ⁺ 答疑”的閉環支持體系。同時，鼓勵師生共建“開源資源池”，促進資源共創共享。

3.改革成效分析

為驗證項目驅動教學模式在“嵌入式系統與物聯網”課程中的實施效果，筆者在2023～2024學年對本科階段兩個平行班級開展了對比實驗。實驗持續一個學期，兩個平行班級學生共92人，隨機分為兩組，其中實驗組46人，控制組46人。實驗組采用本文提出的PBL教學改革模式，控制組繼續采用傳統講授與模塊實驗并重的教學方式。

3.1教學滿意度與學習興趣變化在學期末，通過教學問卷調查對學生的課程滿意度和學習興趣進行評分，采用Likeit五級量表，結果如表1所示。

表1數據表明，項目驅動教學能夠顯著提升學生對課程內容的接受度與教學模式的認可度，具有良好的教學適應性。

3.2學習成果對比分析

以學生的期末項目成果評分和課程綜合考核成績（理論 ⁺ 實踐）為評價依據，評估學生知識與能力建構水平。評價由兩位教師和一位企業導師共同完成。

實踐結果顯示，實驗組學生在系統設計、創新能力、協作表達等多方面表現顯著優于傳統教學模式，尤其是在整合硬件模塊、部署網絡通信方案和構建用戶界面方面展現出更強的獨立完成能力。

表2學習成果對比

結語

本文基于“嵌入式系統與物聯網”課程教學中目前存在的問題，提出了項目驅動的教學改革路徑。從教學目標重構、項目任務體系設計、教學組織方式設計、多元化評價機制設計、教學資源與支撐平臺搭建五個方面進行項目驅動的教學模式設計。基于PBL模式能夠提升學生的主動學習能力、系統設計能力與團隊協作意識。未來應從以下幾個方面進一步深化改革：擴展項目類型與深度，覆蓋更多真實產業應用場景，增強課程的工程性與前沿性；強化產教融合，吸引企業工程師參與教學指導，形成校企協同育人機制；探索線上線下混合式教學與智能教學平臺建設，提升教學資源可達性與教學過程可視化；推動課程成果與創新創業、學科競賽銜接，構建“課賽融合、學創一體”的人才培養生態。通過理論與實踐的結合，對課程滿意度與學習興趣變化和學習成果對比分析，發現相較于傳統教學方式在系統設計、創新能力、協作表達等方面均有較大提升。

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作者簡介：陳小康，博士研究生，副教授，Chenxkxju@163.com，研究方向：放電加工及其復合加工技術（放電與電化學復合加工基礎理論和工藝研究）、循環農業技術與裝備。

基金項目：新疆大學2024年研究生課程思政示范課程—嵌入式系統與物聯網（編號：XJDX2024YKCSZ01）。