物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與開發(fā)課程的建設(shè)

李　志

(重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，重慶 400065)

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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與開發(fā)課程的建設(shè)

李志

(重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，重慶 400065)

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中的核心科目嵌入式技術(shù)，學(xué)生掌握arm嵌入式軟硬件的開發(fā)，提升嵌入式開發(fā)的實(shí)戰(zhàn)技能。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行相關(guān)課程建設(shè)，通過拆解實(shí)際項(xiàng)目，完成相關(guān)課程改革。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；課程群建設(shè)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，作為新一代信息產(chǎn)業(yè)革命，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)作為新的信息浪潮，寫入政府工作報(bào)告，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域[1-3]。越來越廣的應(yīng)用帶來了對相關(guān)專業(yè)人才的需求，很多高校為了迎合市場需要設(shè)立本科專業(yè)。但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法對物聯(lián)網(wǎng)課程的設(shè)置導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生不能滿足企業(yè)需要，專業(yè)技能有所欠缺。本文結(jié)合當(dāng)前企業(yè)所需的人才要求，針對傳統(tǒng)嵌入式課程的主要授課形式進(jìn)行了研究，在教學(xué)方法和教學(xué)手段上做了一些改革。課程建設(shè)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式開展，將課程劃分為幾個(gè)項(xiàng)目，通過項(xiàng)目的講解將嵌入式的知識(shí)點(diǎn)融入教學(xué)，將課程模塊化，從而掌握嵌入式課程的框架。

一、嵌入式系統(tǒng)課程

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與開發(fā)作為計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課，在課程學(xué)習(xí)中占有重要地位。該課程的目標(biāo)是，培養(yǎng)熟悉ARM、FPGA、DSP等各軟硬件技術(shù)的人才，熟悉當(dāng)前最流行的嵌入式系統(tǒng)，熟練掌握開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，并且運(yùn)用C、C++進(jìn)行熟練編寫驅(qū)動(dòng)或者應(yīng)用程序[4-6]。其先修課程為Linux c語言程序設(shè)計(jì)、C++程序設(shè)計(jì)、C語言技術(shù)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)技術(shù)等，后續(xù)課程為QT程序設(shè)計(jì)。主要介紹嵌入式概念及應(yīng)用，Linux常用命令和基本管理，Linux服務(wù)器配置，Shell腳本編程，Sqlite數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，QT程序設(shè)計(jì)、嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、嵌入式應(yīng)用開發(fā)。

通過對課程學(xué)習(xí)，希望達(dá)到的目標(biāo)是：熟悉一種嵌入式硬件處理器，對處理器的硬件結(jié)構(gòu)和外圍電路有所了解，熟悉對硬件I/O的配置，獨(dú)立利用C語言進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)。熟悉一種嵌入式軟件系統(tǒng)，熟悉相關(guān)開發(fā)環(huán)境，能夠獨(dú)立開發(fā)應(yīng)用程序。熟悉一種嵌入式相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，熟悉TCP/IP編程，能夠熟練運(yùn)用交叉集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯、調(diào)試等工作。

二、傳統(tǒng)嵌入式課程的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)嵌入式課程的問題主要表現(xiàn)在：理論和實(shí)踐結(jié)合不緊密，行業(yè)應(yīng)用和課程脫節(jié)；學(xué)習(xí)知識(shí)過于零散，相互之間聯(lián)系無法體現(xiàn)；學(xué)生積極性和主動(dòng)性較差[7]。

(一)實(shí)驗(yàn)教材缺乏

隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器發(fā)展更新較快，每年有上萬種新的芯片出現(xiàn)，針對不同的芯片需要不同的開發(fā)環(huán)境和軟件，導(dǎo)致對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教程缺乏。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和教程相對缺乏已經(jīng)成為教學(xué)中的最大問題。由于沒有對實(shí)驗(yàn)步驟的具體操作的講解，教師上課比較吃力，學(xué)生學(xué)習(xí)效率也不高，最后導(dǎo)致教學(xué)效果一般。

(二)實(shí)驗(yàn)課程太死板

實(shí)驗(yàn)課程太死板，和市場技術(shù)結(jié)合不緊密。實(shí)驗(yàn)一般針對固定單一的知識(shí)點(diǎn)展開，缺少創(chuàng)新性和實(shí)戰(zhàn)性。在實(shí)驗(yàn)課程的安排上，一周3個(gè)學(xué)時(shí)相對較為緊湊，內(nèi)容多數(shù)以驗(yàn)證性和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主。由于缺少綜合性實(shí)驗(yàn)，課程學(xué)習(xí)后難于滿足行業(yè)的需求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和業(yè)界主流技術(shù)差距較大。

(三)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力較差

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，更多的是按部就班地完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并沒有太多的自己動(dòng)手操作，嵌入式課程需要更多的課外時(shí)間進(jìn)行上機(jī)操作，在較短的上課時(shí)間內(nèi)無法對開發(fā)板深入研究，實(shí)際操作次數(shù)和時(shí)間較短。

(四)嵌入式設(shè)備落后

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以凌陽的試驗(yàn)箱為主，由于主芯片采用三星的2410，芯片基本已經(jīng)停產(chǎn)，所以教學(xué)難以與行業(yè)接軌，芯片資料相對陳舊。設(shè)備由于購買時(shí)間在2011年，很多芯片目前已經(jīng)被淘汰，需要更新?lián)Q代。開發(fā)板和仿真器的價(jià)格對于學(xué)生相對較高，學(xué)生一般無法自行購買學(xué)習(xí)，如果開發(fā)板不能人手一個(gè)，就限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間和靈活性。

(五)師資力量薄弱

嵌入式課程主要以實(shí)踐為主，由于實(shí)踐過程需要配置的環(huán)境較為復(fù)雜，所需開發(fā)板硬件難學(xué)，在實(shí)踐課學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生出現(xiàn)問題較多，一時(shí)難以一對一地解決。配備一定的實(shí)驗(yàn)人員是一種有效措施，但是具備專業(yè)素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)人員相對匱乏，需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

三、課程實(shí)驗(yàn)與開發(fā)的改革

(一)針對課程編寫配套實(shí)驗(yàn)教材

針對三星的S3C2440硬件處理器，設(shè)計(jì)出專門實(shí)驗(yàn)教材。結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目，編寫出以Linux為嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書。實(shí)訓(xùn)教材以實(shí)際行業(yè)開發(fā)環(huán)境為參考，盡量達(dá)到行業(yè)需求。

(二)實(shí)驗(yàn)室開放性管理

學(xué)生進(jìn)行綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，老師更新實(shí)驗(yàn)等都需要實(shí)驗(yàn)室開放，因此，定期開設(shè)了開放性實(shí)驗(yàn)室。除上課時(shí)間外，對有興趣的學(xué)生免費(fèi)開放實(shí)驗(yàn)室，允許其使用開發(fā)板的模式。

(三)模塊化教學(xué)

如圖1所示，將嵌入式16個(gè)章節(jié)融為5個(gè)模塊，分別為嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)和環(huán)境、Linux開發(fā)命令和環(huán)境、Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、Linux應(yīng)用程序開發(fā)、QT程序開發(fā)。以4個(gè)項(xiàng)目開發(fā)為導(dǎo)線，每個(gè)項(xiàng)目中穿插前述的5個(gè)模塊，將模塊知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目中，在開發(fā)過程中總結(jié)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

四、改革的具體措施

(一)激發(fā)學(xué)生興趣

由于嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)周期較長。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將參加比賽的一些嵌入式作品，以及有創(chuàng)意的作品視頻播放給學(xué)生看，通過實(shí)際的項(xiàng)目展示讓學(xué)生了解和認(rèn)識(shí)嵌入式的一些應(yīng)用。將項(xiàng)目分解成任務(wù)，通過布置任務(wù)，讓學(xué)生去完成，從而提高學(xué)生參與度。

圖1　課程改革模塊

(二)加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)

增設(shè)以項(xiàng)目實(shí)踐為導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)，以布置項(xiàng)目實(shí)踐課程論文為手段，例如基于ARM的簡易示波器、GPRS進(jìn)行短信收發(fā)、掌上游戲、音樂播放器等。課程的后三周，進(jìn)行集中課程設(shè)計(jì)，把學(xué)生進(jìn)行分組，每組不超過5人，給定一些預(yù)選嵌入式相關(guān)題目，讓學(xué)生選擇最適合的題目。先給出設(shè)計(jì)方案，包括設(shè)計(jì)原理圖、硬件選型、代碼流程等具體數(shù)據(jù)，將項(xiàng)目進(jìn)行迭代開發(fā)，每個(gè)階段分配小任務(wù)，將小任務(wù)貼到紙條上，每天固定時(shí)間開小組會(huì)，每個(gè)小組將進(jìn)度反饋到紙條上，進(jìn)度完成的撕掉紙條，進(jìn)度受阻的標(biāo)紅紙條，通過墻上的紙條即可看到小組的項(xiàng)目進(jìn)度。將嵌入式的題目布置到學(xué)生論文中，學(xué)生畢業(yè)論文選題部分加入嵌入式程序設(shè)計(jì)，可以依托該門課程進(jìn)行學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，加入更多創(chuàng)新點(diǎn)和理論深度到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步幫助學(xué)生掌握嵌入式。

(三)課程設(shè)計(jì)的評分標(biāo)準(zhǔn)

針對課程設(shè)計(jì)的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改革，采用學(xué)生自己評分的方式，每個(gè)小組給其他小組進(jìn)行評分，作品實(shí)現(xiàn)程度、作品創(chuàng)新性、作品源代碼和原理圖、作品答辯各占25%。課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)進(jìn)行答辯，陳述5分鐘，回答問題5分鐘，主要對自己的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，包括背景、實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)過程、軟硬件設(shè)計(jì)等。

五、教學(xué)理念改革

教學(xué)理念由分散到集中，以項(xiàng)目應(yīng)用為導(dǎo)向，把項(xiàng)目應(yīng)用的教學(xué)理念逐步引入到課堂中。通過引入耳溫槍、交通燈、GPS車載定位、智能公交車系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、智能停車場等六個(gè)綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目，在項(xiàng)目教學(xué)中采用模塊化的方式進(jìn)行教學(xué)改革。

(一)總成績的評分標(biāo)準(zhǔn)

課程的總成績由平時(shí)成績和課程設(shè)計(jì)兩部分組成，平時(shí)成績占30%，課程設(shè)計(jì)占70%。平時(shí)成績包含出勤率和實(shí)驗(yàn)完成率，依據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的完成情況評定成績。課程設(shè)計(jì)以小組為單位進(jìn)行評定，評分標(biāo)準(zhǔn)較為公平。

(二)以模塊化為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)

將傳統(tǒng)課程內(nèi)容整合成模塊，通過模塊化形式進(jìn)行授課，達(dá)到舉一反三的效果，促進(jìn)學(xué)生對理論以及實(shí)踐知識(shí)的掌握。

(三)融入微課等教學(xué)形式

針對難度較大的章節(jié)，尤其是對嵌入式UBOOT燒寫，內(nèi)核的編譯、燒寫，根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和燒寫。這些操作相對繁瑣，所需工具較多，為此采用特殊錄制微課的形式，讓學(xué)生可以課后進(jìn)行參考，并且可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)復(fù)習(xí)，有助于其對課堂不清楚的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固練習(xí)。

(四)實(shí)施計(jì)劃

改革初期實(shí)施內(nèi)容：模塊化實(shí)驗(yàn)講義，各個(gè)模塊相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理圖、流程圖以及源程序。自主和創(chuàng)新項(xiàng)目相關(guān)電子材料(電子教案和教學(xué)日歷)，保存相關(guān)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。完成課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)教學(xué)大綱及日歷。讓學(xué)生掌握嵌入式、單片機(jī)等相關(guān)設(shè)計(jì)流程，熟悉硬件架構(gòu)，掌握一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟悉一種以應(yīng)用型為導(dǎo)向的項(xiàng)目開發(fā)。搜集有關(guān)嵌入式比賽如全國嵌入式大賽、互聯(lián)網(wǎng)+、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等資料，指導(dǎo)學(xué)生參賽，并且利用課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。

改革中期實(shí)施內(nèi)容：每個(gè)小組完成一個(gè)或多個(gè)相關(guān)課程設(shè)計(jì)作品，利用作品積極參加各類物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)作品設(shè)計(jì)大賽，參賽人數(shù)達(dá)到10%，爭取獲得市級以上獎(jiǎng)勵(lì)，獲得獎(jiǎng)勵(lì)的同學(xué)在綜合獎(jiǎng)學(xué)金以及勵(lì)志獎(jiǎng)學(xué)金評定上給予相應(yīng)加分，單獨(dú)設(shè)立競賽學(xué)分，學(xué)生參加相應(yīng)比賽獲得獎(jiǎng)項(xiàng)即可拿到學(xué)分。

改革后期實(shí)施內(nèi)容：針對參加比賽的同學(xué)，定期開放實(shí)驗(yàn)室，安排教師或者實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行指導(dǎo)。依托物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立智能家居綜合平臺(tái)，能夠完成智能家居的大部分功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控家里的安防情況，來電呼叫，指紋刷卡，自動(dòng)控制空調(diào)、熱水器，門磁和紅外等報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)建立智能農(nóng)業(yè)平臺(tái)，能夠?qū)χ悄苻r(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行智能澆水，調(diào)節(jié)光照度，智能通風(fēng)，調(diào)節(jié)溫濕度等，完成一套模擬系統(tǒng)。建立智能停車場，完成對入口車的智能檢測，通過刷卡進(jìn)入，智能導(dǎo)航尋跡，然后將車位統(tǒng)計(jì)發(fā)送到服務(wù)器端，完成遠(yuǎn)程記錄車位的剩余數(shù)目。指導(dǎo)3～5名高年級學(xué)生的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，要求畢業(yè)設(shè)計(jì)必須在創(chuàng)新開發(fā)實(shí)驗(yàn)室完成，并由相應(yīng)指導(dǎo)老師進(jìn)行監(jiān)督。在畢業(yè)論文選題上盡量結(jié)合課程改革中的創(chuàng)新項(xiàng)目，增加一定的理論深度和創(chuàng)新性。每年分批組織學(xué)生參加嵌入式初級工程師的證書考試，并且對報(bào)名參考學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，幫助學(xué)生直接對接行業(yè)需求，為學(xué)生進(jìn)入相關(guān)行業(yè)打下基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

通過對嵌入式課程改革，讓學(xué)生掌握嵌入式硬件處理器的架構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)等相關(guān)技術(shù)，同時(shí)熟悉網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議；精通C/C++語言、熟悉常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法；熟悉一種以上無線通訊的基本原理和軟件開發(fā)，如GPRS、Zigbee、BLE、WiFi、433數(shù)傳等；具備較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力、學(xué)習(xí)能力，善于思考問題；思路清晰，邏輯性強(qiáng)，具備團(tuán)隊(duì)合作精神，并富有工作激情、創(chuàng)新力和責(zé)任感。

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[責(zé)任編輯王南山]

中圖分類號：G620.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1008-6390(2016)01-0157-03

作者簡介：李志(1984- )，男 ，四川遂寧人，碩士，講師，研究方向：嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)。

基金項(xiàng)目：重慶第二師范學(xué)院校級青年項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與開發(fā)課程群改革”(JG2015219)；重慶第二師范學(xué)院校級青年項(xiàng)目“一種壓電功能的幼兒園監(jiān)控穿戴系統(tǒng)”(KY201544C)

收稿日期：2015-09-29