基于物聯(lián)網(wǎng)方向的嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)課程體系構建研究

蔡振

【摘要】 物聯(lián)網(wǎng)為嵌入式專業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。根據(jù)培養(yǎng)目標，重構專業(yè)課程體系，提出以單片機為主的低端課程體系和以ARM為主的高端課程體系并舉，探討系統(tǒng)重構后的課程安排、教學形式和考核方式，最后總結實施效果。

【關鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 嵌入式課程 體系構建

物聯(lián)網(wǎng)是目前社會發(fā)展最為迅猛的行業(yè)之一，但并非是一個全新的技術應用，是隨著傳感網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的成熟與積淀孕育而成[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)被列為國家“十二五”規(guī)劃戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2]，政府對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重視，給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了積極影響，物聯(lián)網(wǎng)為嵌入式專業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。由于嵌入式在物聯(lián)網(wǎng)體系中占有很重要的位置，因此，研究基于物聯(lián)網(wǎng)方向的嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)課程體系具有重要的現(xiàn)實意義。

一、原專業(yè)設置存在的問題

1.1課程安排脈絡不清楚

根據(jù)原專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，人才培養(yǎng)偏向硬件層面一些，因此，安排了電路基礎、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、印制電路板設計與制作、單片機小系統(tǒng)制作、ARM原理與應用、linux操作系統(tǒng)應用、嵌入式系統(tǒng)設計與應用等，學生在學了這些課程之后，發(fā)現(xiàn)與應用電子技術專業(yè)學的差不多，但對基于ARM嵌入式系統(tǒng)的學時比重相對較少，沒有凸顯嵌入式系統(tǒng)專業(yè)的優(yōu)勢。

1.2課程獨立、同質化嚴重

在原有的專業(yè)課設置過程中，僅限于嵌入式系統(tǒng)所需課程，課程之間的鋪墊和滲透比較差。例如第三學期開設《單片機小系統(tǒng)制作》課程，課程只限于描述MCS-51系列單片機的學習，由于學期的限制，同時還開設的《ARM原理與應用》，課程限于ARM9系列微控制器的學習，兩門課程結構安排同質化程序較高，加上同時開設，前者沒有對后者起到鋪墊效果。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式專業(yè)課程體系構建

2.1課程體系構建的指導思想

課程總目標是培養(yǎng)扎實的電子技術基礎和MCS-51單片機、ARM微控制器系統(tǒng)應用能力以及物聯(lián)網(wǎng)感知層的應用能力，能夠在產(chǎn)品維修工程師、產(chǎn)品安裝實施與調試工程師、技術支持工程師、應用程序開發(fā)工程師等職業(yè)崗位上，從事物聯(lián)網(wǎng)嵌入式產(chǎn)品維修、產(chǎn)品安裝實施與調試、技術支持以及應用開發(fā)等方面工作，有可持續(xù)發(fā)展能力和技術技能型專門人才。

嵌入式系統(tǒng)分為低、高端應用，結合學校實際情況，在開始學習階段，采用8位單片機入門，詳細掌握處理器內部構造和C編程語言，然后制作相關電子產(chǎn)品。在大二開始接觸高端ARM處理器，ARM內部構造復雜，對高職學生來講不需掌握其內部構造和指令系統(tǒng)，詳細講解控制外設的編程，制作嵌入式產(chǎn)品。從現(xiàn)有的條件來分析，如何統(tǒng)籌嵌入式的低端和高端系統(tǒng)實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)感知層面上的應用，是課程體系重構的指導思想。

2.2課程體系構架

根據(jù)上述指導思想，將原有的課程設置全部推翻進行重構，主要從兩個方向來實現(xiàn)：1）低端課程系列，以MCS-51系列單片機為主的課程系列，主要打造常規(guī)電子產(chǎn)品的設計與制作；2）高端課程系列，以ARM微處理器為主的課程系列，能對簡單嵌入式產(chǎn)品進行設計與制作，同時對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品進行操作和應用。專業(yè)課程體系架構如圖1所示：

低端課程系列為電類專業(yè)基本都需要開設課程，結合我院生源情況和市場需求，培養(yǎng)了常規(guī)的電子產(chǎn)品所需人才。該系列的課程安排和原有的安排也略有不同，為了突顯應用性，將《數(shù)字電子技術》放在《模擬電子技術》前面，為了強化單片機的重要性以及為ARM的學習打下基礎，開設兩學期的《單片機小系統(tǒng)制作》，這樣單片機的學習過程中，模擬和數(shù)字電路都學完，外加Protel技術的學習后，就可以進行電子產(chǎn)品設計與制作實訓了，實現(xiàn)課程之間環(huán)環(huán)緊扣，增加了各知識要點的滲透性。此外，《傳感器》是一個特殊的課程，在電子產(chǎn)品設計中也是一個必不可少的部件，而在物聯(lián)網(wǎng)中更是一個最重要的底層數(shù)據(jù)的源頭，因此，在高端課程系列中也很重要。

高端課程系列是基于物聯(lián)網(wǎng)而建立起來的課程，在原有嵌入式系統(tǒng)課程上演變而來，要突出物聯(lián)網(wǎng)感知層【3】的應用，減少嵌入式微控制芯片ARM的理論知識，加大對嵌入式系統(tǒng)應用設計的學習，以及嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)感知層面的應用操作。課程首先安排物聯(lián)網(wǎng)工程概論，讓學生對物聯(lián)網(wǎng)建立概念，建議安排在第一學期，然后開設基礎課程《Linux操作系統(tǒng)應用》，懂得操作系統(tǒng)的應用后，接著開設《嵌入式系統(tǒng)技術與應用》，就可以在ARM開發(fā)板上進行嵌入式系統(tǒng)的學習和設計了，主要在Linux啟動引導程序、內核、文件系統(tǒng)、字符型設備驅動程序、GPIO接口控制程序、嵌入式圖形界面設計等方面、可以做出SD卡驅動、GPIO控制LED燈、PWM控制蜂鳴器等內容。在對嵌入式系統(tǒng)有一定程度的認識后，就開始進行物聯(lián)網(wǎng)感知層的課程開設，由于感知層的模塊很多，模塊之間實現(xiàn)無線通信，因此，射頻技術、移動通信技術、無線傳感網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等方面的知識都需開設，滿足感知層的認識和應用。由于物聯(lián)網(wǎng)在很多學科有交叉，所涉及到的知識也很多，結合我校實際情況，暫且在感知層上擴展嵌入式系統(tǒng)的應用。

實訓課程系列中《電子產(chǎn)品設計與制作》主要針對低端課程的訓練，可以制作心形燈、數(shù)字鐘、電子廣告屏、多任務控制器、無線取餐呼叫器、音樂光立方等電子產(chǎn)品?！肚度胧较到y(tǒng)設計與制作》主要針對單個嵌入式控制系統(tǒng)的訓練，可以制作遠程溫度采集與曲線生成器、基于手機遙控的視頻監(jiān)測車的設計與實現(xiàn)等嵌入式系統(tǒng)?！段锫?lián)網(wǎng)技術應用實踐》針對物聯(lián)網(wǎng)感知層的應用，基于目前物聯(lián)網(wǎng)在實際教學過程中遇到的問題，可以通過購買中智訊科技有限公司的ZWs210m4in1 IPv6下一代物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺來實現(xiàn)。最后，綜合實訓放在第五學期，通過制作簡易智能家居產(chǎn)品將兩大類課程知識進行有效地整合，達到人才培養(yǎng)的目標。

2.3教學形式

對于兩個系列的課程，采用什么樣的授課形式，須得由課程性質來決定。事實上，目前高職院校推廣項目式教學由來已久，學校有段時間全部課程都推行項目式教學，但運行效果并不理想，對基礎性質的課程如數(shù)字電子技術、模擬電子技術采用傳統(tǒng)的教學模式效果要優(yōu)于教改模式，并不是說教改模式不好，影響其教學效果的原因很多。結合學校實際情況，嵌入式專業(yè)在基礎課程教學上采用傳統(tǒng)的理論加實驗的教學模式，像protel、單片機、傳感器課程采用理論知識與項目實踐1：1的形式。由于高端系列課程其理論知識要艱深一些，高職層面的學生難以理解，應盡量壓縮在理論方面的學時，加大實踐操作學時，可以采用1：2的形式，或是更高。理論和技術知識也很重要，像單片機、ARM課程沒有理論的支撐，其功能根本就無法達到，但只講理論沒有應用，其知識內容也很難理解，所以，理論學習的原則以夠用即可。

2.4考核方式

課程考核的形式對課程的學習起著非常重要的作用，好的考核形式可以很好地調動學生的學習主動性，提高動手能力。對于重構后的課程考核形式，這需要取決于其教學形式，采用傳統(tǒng)教學模式的，筆試考核比較合適；采用理論與項目1：1形式的，筆試加作品考核比較合適；采用理論與項目1：2或以上的，采用作品考核比較合適。嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)課程適合采用作品考核形式，需要進行分組，一般3人為一組，完成一個作品。當然，考核方式并局限于此，可以采用多樣化，只要有利于提高學生的學習熱情都是合適的方式。

三、結語

基于物聯(lián)網(wǎng)方向的嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)課程體系，是建立在人才培養(yǎng)模式前提條件下的，關于重構后人才培養(yǎng)模式已經(jīng)撰文發(fā)表了。新的課程體系形成了前后有序、層次推進的體系架構，推行兩個系列課程體系，滿足物聯(lián)網(wǎng)嵌入式不同層次的人才培養(yǎng)。

該課程體系已在2013級嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)的學生上實踐2年了，目前學生學習熱情高漲、運行效果良好，做出了形式多樣的產(chǎn)品。

參 考 文 獻

[1]百度百科.無線龍新型物聯(lián)網(wǎng)實驗實訓室[EB/OL].[2014-07-07]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_8cc8e3990102uwr9.html

[2] 教高廳函 [2010] 13號文件 《教育部辦公廳關于戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)相關專業(yè)申報和審批工作的通知》[EB/OL].[2011-09-12].http：//bksy.zju.edu.cn/attachments/2010-03/01-126830215-136490.doc.

[3]沈蘇彬，范曲，立宗平等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）：1-11.