基于智慧農(nóng)業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)探索

摘 要：本文首先介紹了智慧農(nóng)業(yè)背景下的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展，進(jìn)而結(jié)合都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，從我校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)要求和教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，探討了嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)中涉及課程設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)等問題，對培養(yǎng)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)人才，進(jìn)一步推進(jìn)嵌入式技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè) 嵌入式系統(tǒng) 體系建設(shè)

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）01（a）-0141-02

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。智慧農(nóng)業(yè)將農(nóng)業(yè)看成一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的系統(tǒng)，依托嵌入式技術(shù)、感知技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)、智能化技術(shù)等綜合、全面、系統(tǒng)地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使得農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)智能化、多功能，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新。

智慧農(nóng)業(yè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括嵌入式技術(shù)、檢測技術(shù)、通信技術(shù)等。嵌入式是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前景的信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前，許多高等院校的計(jì)算機(jī)、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求，開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，也在逐步完善適應(yīng)社會(huì)需求的嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)體系。本文基于智慧農(nóng)業(yè)背景，結(jié)合都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開設(shè)嵌入式課程的經(jīng)驗(yàn)，對農(nóng)林院校嵌入式課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。

1 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)是最近興起的一個(gè)概念，出現(xiàn)的時(shí)間很短，目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的定義。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李道亮教授認(rèn)為： 智慧農(nóng)業(yè)是以最高效率地利用各種農(nóng)業(yè)資源，最大限度地降低農(nóng)業(yè)成本和能耗、減少農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的整體最優(yōu)為目標(biāo)，以農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)、全過程智能化的泛在化為特征，以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐和手段，以自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流和電子化交易為主要生產(chǎn)方式的高產(chǎn)、高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式與形態(tài)。

要建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)，就要依托物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IOT）的概念是在1999年提出的，2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)唯一的物聯(lián)源頭是嵌入式系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的多樣化，嵌入式技術(shù)已成為當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的主流。

本文基于嵌入式技術(shù)，針對農(nóng)林院校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向課程體系的特點(diǎn)， 通過一系列教學(xué)嘗試，對計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向的課程體系建設(shè)進(jìn)行了一些探索，使學(xué)生在保證專業(yè)原有課程的基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)方向的不同，側(cè)重點(diǎn)有所差別，將智慧農(nóng)業(yè)貫徹課程體系始終，使學(xué)生在軟件和硬件設(shè)計(jì)方面都得到很好的鍛煉，最終為都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)培養(yǎng)全方位的信息技術(shù)人才。

2 嵌入式課程體系建設(shè)

（1）我校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)和教學(xué)目標(biāo)。

我校計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)目標(biāo)培養(yǎng)側(cè)重嵌入式軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員。根據(jù)學(xué)生的接受能力，嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)體現(xiàn)層次性、漸進(jìn)性、注重實(shí)踐性，尤其側(cè)重培養(yǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用能力。（圖1）

嵌入式系統(tǒng)課程體系的設(shè)置體現(xiàn)“注重工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)人才知識(shí)體系”，學(xué)習(xí)側(cè)重嵌入式軟件設(shè)計(jì)部分。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系教學(xué)目標(biāo)是掌握四個(gè)“1”，即“一種主流嵌入式微處理器、一門開發(fā)語言、一種嵌入式操作系統(tǒng)、一套開發(fā)工具”，嵌入式開發(fā)語言主要有匯編語言、C和C++語言、Java語言等；嵌入式操作系統(tǒng)主要有Windows CE、Linux等；集成開發(fā)工具主要有Windows CE開發(fā)工具、ADS等。

（2）嵌入式系統(tǒng)課程體系。

北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院自2011年設(shè)置了計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)方向，根據(jù)自由選擇的原則在大學(xué)三年級實(shí)施特定方向培養(yǎng)，同期購買了30套嵌入式開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)每人一臺(tái)的教學(xué)環(huán)境。

嵌入式系統(tǒng)課程體系大致可分為：基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課。

基礎(chǔ)課程在大學(xué)一、二年級開設(shè)，主要學(xué)習(xí)理工科的一些基礎(chǔ)課程，如高等數(shù)學(xué)等。

專業(yè)基礎(chǔ)以及專業(yè)課的開設(shè)時(shí)間以及內(nèi)容如表1所示。需要特別說明的是根據(jù)我?！?+1”本科人才培養(yǎng)模式，大學(xué)前六個(gè)學(xué)期完成的是課內(nèi)學(xué)習(xí)，旨在掌握較寬厚的基礎(chǔ)知識(shí)和扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，最后一學(xué)年有計(jì)劃地到校內(nèi)外實(shí)調(diào)基地進(jìn)行為期一年的實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)，所以第七學(xué)期和第八學(xué)期是專業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。

嵌入式導(dǎo)論課程：介紹嵌入式的主要應(yīng)用領(lǐng)域、嵌入式軟件開發(fā)的基本概念、嵌入式軟件開發(fā)的基本流程和基本方法、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)。

嵌入式操作系統(tǒng)課程：介紹嵌入式系統(tǒng)基本知識(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的差別。結(jié)合典型的嵌入式操作系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作機(jī)制、系統(tǒng)移植剪裁和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度等內(nèi)容進(jìn)行介紹。我校根據(jù)具體情況選擇、Linux、WinCE等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)。

嵌入式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：介紹嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、軟件編程及外圍設(shè)備接口和驅(qū)動(dòng)等。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解和掌握必要的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)的概念、方法和工具嵌入式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計(jì)開發(fā)思想，學(xué)生能完成簡單的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

JAVA開發(fā)語言：介紹Java語言的體系結(jié)構(gòu)、Java語言的基本概念和程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)的思路和方法。培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，使學(xué)生能夠運(yùn)用Java語言作為完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

嵌入式接口技術(shù)：介紹鍵盤接口、LED顯示器接口、觸摸屏、通信接口、中斷接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、ARM的JTAG接口。

嵌入式高級編程：介紹Android嵌入式開發(fā)環(huán)境搭建的方法，項(xiàng)目結(jié)構(gòu)；Android的體系結(jié)構(gòu)，嵌入式軟件開發(fā)流程；嵌入式特性開發(fā)，多媒體開發(fā)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開發(fā)，聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等開發(fā)方法，學(xué)生通過實(shí)踐能達(dá)到獨(dú)立完成開發(fā)單機(jī)、網(wǎng)絡(luò)嵌入式軟件的能力。

3 嵌入式課程實(shí)踐教學(xué)

（1）層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)室選用UP-Magic6410嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，著重培養(yǎng)學(xué)生在該平臺(tái)下進(jìn)行嵌入式Linux程序開發(fā)的相關(guān)環(huán)境搭建與軟件設(shè)計(jì)方法的能力。針對各模塊以及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用背景，按照由淺入深，不同課程層次對應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等原則，組織設(shè)計(jì)了三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，循序漸進(jìn)，逐步提高，以滿足不同階段的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐需求，分別為涉及嵌入式導(dǎo)論的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、涉及嵌入式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的實(shí)操性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)嵌入式高級編程的提高性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)多以理論驗(yàn)證為主，在于學(xué)習(xí)方法；綜合性實(shí)驗(yàn)和提高性實(shí)驗(yàn)則多以應(yīng)用為主，在于提高能力。三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提高了動(dòng)手能力，進(jìn)一步的實(shí)踐開發(fā)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）通過項(xiàng)目案例，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)。

首先，依托教師實(shí)際的科研或工程項(xiàng)目，教師在實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施時(shí)，可以按照模塊化將案例的分解到各個(gè)部分，鼓勵(lì)學(xué)生對實(shí)例所采用的技術(shù)和方案進(jìn)行不同角度的評價(jià)，變被動(dòng)知識(shí)灌輸為主動(dòng)探索思考，使教學(xué)理論知識(shí)與科研實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合在一起。

其次，在設(shè)計(jì)綜合課程設(shè)計(jì)等綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)合教師實(shí)際的科研或工程項(xiàng)目，在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性知識(shí)掌握的同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新的綜合設(shè)計(jì)。使得學(xué)生既掌握了一些具體的通用的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法，也能發(fā)揮主觀能動(dòng)性，獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較完整的嵌入式系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)習(xí)、創(chuàng)造熱情。在課程設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)中，考慮到學(xué)生水平差異，按照“自由組合、自主選題”的原則，要求學(xué)生課外查找資料進(jìn)一步地學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)性學(xué)習(xí)，對某些問題進(jìn)行深入的分析研究，進(jìn)而提出自己的設(shè)計(jì)思想，此環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)思想的原創(chuàng)性也將作為課程考核的重要內(nèi)容。

（3）鼓勵(lì)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

通過項(xiàng)目實(shí)踐來鍛煉和提高學(xué)生動(dòng)手能力是非常重要的。我校實(shí)行導(dǎo)師制指導(dǎo)學(xué)生，在參與教師科研項(xiàng)目的過程中，本科生導(dǎo)師負(fù)責(zé)學(xué)生在整個(gè)科研期間從理論到具體操作的各個(gè)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)工作，加強(qiáng)了指導(dǎo)力度。

學(xué)生在家禽食品安全追溯系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目中，教師組織學(xué)有余力的同學(xué)成立興趣小組，直接參與到前沿的課題和項(xiàng)目中去，將食品安全追溯系統(tǒng)按照生產(chǎn)鏈的六個(gè)環(huán)節(jié)分解成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項(xiàng)目的形式實(shí)踐開發(fā)，真正做到“在學(xué)中做，在做中學(xué)”，以務(wù)實(shí)的項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐科研能力。

（4）鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課外科技活動(dòng)。

近年來，高等院校加大了學(xué)生的課外科技活動(dòng)開展的力度，筆者指導(dǎo)的學(xué)生參與了北京市大學(xué)生科研計(jì)劃，利用嵌入式平臺(tái)，對溫室環(huán)境等參數(shù)檢測，進(jìn)而對溫室大棚實(shí)現(xiàn)智能化控制，學(xué)生在該課題中，運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，系統(tǒng)的完成了整個(gè)項(xiàng)目，獲得了北京市大學(xué)生科研計(jì)劃成果二等獎(jiǎng)，尤其值得一提的是，畢業(yè)的學(xué)生在擔(dān)任京郊村官期間，將課題成果應(yīng)用于所服務(wù)的村鎮(zhèn)，取得了良好的效果。實(shí)踐證明，鼓勵(lì)學(xué)生參與課外科技活動(dòng)，將會(huì)拓展學(xué)生的知識(shí)體系，并學(xué)以致用，對進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)合作精神發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

（5）做好畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)實(shí)習(xí)

我校實(shí)行的是采取“3+1”人才培養(yǎng)模式。以往學(xué)生在第八學(xué)期進(jìn)行畢業(yè)論文和實(shí)習(xí)，部分學(xué)生在校內(nèi)機(jī)房根據(jù)教師給出的題目完成畢業(yè)實(shí)習(xí)和設(shè)計(jì)論文，學(xué)生如果不走出去。就無法完成理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，部分同學(xué)雖然通過實(shí)習(xí)單位的學(xué)習(xí)完成畢業(yè)論文，但是畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文的時(shí)間和質(zhì)量也難以保證。因此，我們將畢業(yè)論文提前到第七學(xué)期安排任務(wù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、論文的前期準(zhǔn)備及調(diào)試工作，既可以保證充分的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間又可以提高學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，做到有的放矢.提高設(shè)計(jì).論文和專業(yè)課的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

針對在校學(xué)生缺少行業(yè)背景知識(shí)這一缺點(diǎn)，在教學(xué)中大力開展了與企業(yè)的合作，直接把學(xué)生派到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，使得培養(yǎng)的嵌入式人才能夠適應(yīng)企業(yè)的需要，目前我院已經(jīng)建立了中軟、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息所等校外實(shí)習(xí)基地，并簽訂了相關(guān)的實(shí)習(xí)協(xié)議。一方面學(xué)生在實(shí)踐工程項(xiàng)目中完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文，綜合能力得到極大的提升，另一方面用人單位在與學(xué)校合作辦學(xué)的過程中也為自己培養(yǎng)了急需的技術(shù)人才，實(shí)行了定單式培養(yǎng)，最終構(gòu)筑高校.學(xué)生和企業(yè)獲利的共贏平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)和社會(huì)需求的無縫對接。從以往經(jīng)驗(yàn)來看，選擇嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課題并能按時(shí)保質(zhì)保量完成課題的的學(xué)生知識(shí)面更廣，就業(yè)面更寬，既可以從事軟件開發(fā)，也可以適應(yīng)硬件的開發(fā)工作。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)作為應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，其教學(xué)體系建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，包括完整的課程設(shè)置體系結(jié)構(gòu)、不斷的豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，獲取更多的實(shí)踐項(xiàng)目等內(nèi)容。隨著嵌入式在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，如何真正立足于農(nóng)業(yè)院校發(fā)展特色，培養(yǎng)高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化人才，將是我們今后教學(xué)的方向和努力目標(biāo)。

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