基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革

方純潔，賴小波，王　波

浙江中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院，杭州　310053

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基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革

方純潔，賴小波，王波

浙江中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院，杭州310053

【摘要】：為提高學生在嵌入式系統(tǒng)領域的分析、設計和實現能力，該教學改革按照嵌入式系統(tǒng)的知識體系和物聯網驅動的特點，以嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結構為主線，從課程體系與教學計劃、理論教學方法和內容、實踐教學方法及開放實驗室等教學和實踐環(huán)節(jié)入手，根據學生的學習和思維特點設定教學方案和實踐案例，尤其注重在實踐過程中對案例的理解和在此基礎上的重新設計。經過一個學期的教改實踐后，該課程教學改革效果明顯，具有研究和推廣意義。

【關鍵詞】：教學改革；物聯網；嵌入式

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604036

物聯網技術是下一代互聯網，也是最貼近人們實際生活的智能技術之一。隨著物聯網的普及，人們的日常生活必然會有翻天覆地的變化，同樣也會帶來巨大的經濟和社會效益，因此物聯網產業(yè)已經成為各個國家重點扶植的新型產業(yè)［1］。“嵌入式系統(tǒng)”課程是自動化和計算機專業(yè)的核心課程之一，也是物聯網技術的重要基礎性支撐技術，因此該課程在物聯網產業(yè)發(fā)展中會發(fā)揮越來越大的作用，每個學校都應該在該產業(yè)發(fā)展的過程中適當提高該課程在教學計劃中的比重［2-4］。浙江中醫(yī)藥大學為了適應現在計算機專業(yè)人才培養(yǎng)要求，進行了基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革與實踐探索，為嵌入式系統(tǒng)的教學和實踐內容注入了新鮮血液。

1　研究背景及意義

由于原先的嵌入式系統(tǒng)課程是根據一般性的嵌入式設備專門定制的課程，在目前物聯網快速發(fā)展的大背景下已經顯得不合時宜，主要表現在：

1.1缺乏對學生嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

物聯網本質屬性與互聯網是一致的，就是強調在基礎環(huán)境上的不斷自我創(chuàng)新和發(fā)展，而原有課程都比較偏重于理論教學，與其他計算機基礎課程混在一起。在長期的教學實踐過程中發(fā)現很多學生會把該課程與計算機組成原理、接口技術、匯編語言等課程混淆起來，導致無法理解嵌入式系統(tǒng)的真正含義，更談不上創(chuàng)新［5-7］。

1.2實踐教學課時不足，動手能力培養(yǎng)效果欠佳

由于嵌入式系統(tǒng)課程過于注重理論教學，導致實踐教學課時不足。一般來說理論和實踐教學的比例至少是一比一，但是目前大多數學校實踐教學小于這個比例，對學生實際動手能力的培養(yǎng)有所欠缺，主要是學生根據實驗教學手冊的描述對實踐案例進行模仿，屬于驗證性實驗學習，而對于設計性實驗則完全不適應。因此，除了加大實踐性教學課時外還應從實驗內容著手，加大學生自主設計的內容，不斷培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

1.3該校嵌入式系統(tǒng)方向介紹

目前，浙江中醫(yī)藥大學醫(yī)學信息工程專業(yè)和計算機科學與技術專業(yè)已經開設了嵌入式系統(tǒng)方向和網絡方向。嵌入式系統(tǒng)設計方向已經開設了數年，取得了較好的效果，初步形成了具有該院特色的課程體系、教學計劃、培養(yǎng)方案和教學模式。但是，嵌入式系統(tǒng)方向的發(fā)展日新月異，我們經過多方調研和分析，結合目前企業(yè)對人才的需求情況和社會科技的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)方向的教學仍需要進一步改革和完善。

所以，該研究力圖在學校醫(yī)學信息工程和計算機專業(yè)的實踐教學基礎上，進一步總結嵌入式系統(tǒng)的教學方式，拓寬改革思路，結合目前物聯網發(fā)展的最新技術來改造該課程的理論教學和實踐教學，同時也加大對于學校服務社會和畢業(yè)設計等方面嵌入式系統(tǒng)課程的建設力度。在這些改革措施基礎上，著重加強對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，使學生既掌握嵌入式系統(tǒng)的設計知識，又能在以后物聯網發(fā)展過程中不斷自我創(chuàng)新。因此，改革對于浙江中醫(yī)藥大學嵌入式系統(tǒng)教學和物聯網學科建設都有積極的促進作用。

2　課程教學方法改革

隨著物聯網的不斷發(fā)展，其包含的各種技術也不斷擴大，包括Internet本身骨干網、無線接入技術、硬件驅動技術、網絡帶寬技術等各種軟硬件產品［8］。尤其是根據互聯網的發(fā)展經驗，當物聯網發(fā)展到一定階段，硬件產品的成本在整個系統(tǒng)中的成本會不斷下降，之后便是軟件的繁榮，因此有必要對嵌入式系統(tǒng)的整個課程體系和與之相關的實踐設計和開發(fā)等重要環(huán)節(jié)進行重新梳理。下面就從主要的三個方面進行探索。

2.1課程體系和教學計劃

為適應應用型嵌入式人才培養(yǎng)的需要，結合目前企業(yè)對嵌入式人才素質和能力的要求，針對浙江中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院學生的特點和培養(yǎng)目標，對醫(yī)學信息工程專業(yè)和計算機科學與技術專業(yè)嵌入式方向的課程體系進行調整和改革，在已開設課程體系的基礎上進行結構化的調整，并將國內權威的認證知識體系納入到課程中，按照現代教育思想基礎上的培養(yǎng)模式，制定新的符合當代教育思想和符合應用型人才培養(yǎng)目標的教學計劃，如圖1所示。

圖1　基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)課程體系

2.2理論教學方法和內容

對醫(yī)學信息工程專業(yè)和計算機科學與技術專業(yè)嵌入式方向專業(yè)課程的理論教學進行改革，改變過去“填鴨式”的教師主動講、學生被動接受的教學模式，即應用項目啟發(fā)式教學和團隊學習模式。理論課程根據一個實際項目為主線對知識點進行講解，并讓每個團隊的學生自主選擇一個項目并根據課程的進度進行項目的分析和開發(fā)，從而達到深入理解教學內容的目的。同時，讓學生進行項目的討論和講解，而讓其他項目團隊的學生進行提問，充分調動學生的學習積極性并引導學生主動學習，如表1所示。

表1　主要課程教學理論教學信息

2.3實踐教學方法

對醫(yī)學信息工程專業(yè)和計算機科學與技術專業(yè)嵌入式方向的實驗教學進行改革，將重要課程的課內實驗分立成單獨的實踐課程，小班化授課。針對嵌入式方向的專業(yè)課程開設實踐課程和實訓課程。其中，將實踐課程進行拆分，與理論課程的知識點同步進行。

該教學改革項目針對以上改革措施，制定了如下實驗教學平臺和方式：

嵌入式平臺選擇目前非常流行的SmartARM2200開發(fā)平臺，這個平臺的特點是通用性高，接口豐富，使用軟件較多，驅動也較全，是以后理論聯系實際開發(fā)的重要教學平臺［9］。

平臺根據物聯網的發(fā)展和變化，除了提供目前主流的接口，如RS232和GPIO，等，還提供了局域網接口、全球定位系統(tǒng)接口（GPS）、總結接口，等。另外，根據視頻要求的特點，還加入了HD視頻接口卡，其他視頻接入口，能滿足顯示精細的要求［10-12］。

對于實踐教學過程，遵循由易到難、由淺入深的原則，設計了基礎性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗三個階段：基礎性實驗主要學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立、簡單的輸入輸出和數據讀寫；綜合性實驗主要學習嵌入式操作系統(tǒng)的移植、多任務程序的開發(fā)、網絡協(xié)議和編程等具有一定綜合性開發(fā)難度的案例；創(chuàng)新性實驗則包括嵌入式中間件應用、GPS數據采集與處理、物聯網硬件設計，等［13-14］，這個階段與上兩個階段在組織形式上有所不同，主要是以興趣小組或者畢業(yè)設計的課題形式進行實踐開發(fā)，如表2所示。

對于實踐環(huán)節(jié)的教學評價方法主要有以下措施：

①定期與不定期檢查相結合。定期、不定期地對實踐教學活動進行檢查，并填寫《實踐教學檢查考核表》，由實踐教學指導教師負責組織進行。

表2　基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)實驗層次化設計

②教師根據教學內容布置作品小論文，由學生課外完成，一周后交給任課教師批閱，任課教師根據學生論文的撰寫情況給予評分。

③學生座談和問卷調查相結合。組織召開學生座談會，了解學生對實踐教學的意見和建議，并對參加實驗課的學生進行問卷調查，由學生直接對指導教師的工作進行評價。

2.4開放實驗室管理

對該校的醫(yī)學信息工程專業(yè)和計算機科學與技術專業(yè)嵌入式方向的實驗室管理方式進行改革。原先的管理方式是以專業(yè)班級為單位進行教學，而隨著創(chuàng)新性教學改革的深入進行，以興趣小組出現的組織形式已經不適合班級管理方式。因此，應讓一部分有興趣的學生在其他時間也可以進入實驗室開發(fā)項目，同時鼓勵學科交叉，協(xié)作開發(fā)同一課題或項目，如機器人大賽項目，等，并安排專業(yè)教師進行指導。

在案例教學和實踐過程中，可以模擬實際項目的開發(fā)模式，分模塊、分設備組織學生，設置各種開發(fā)角色，設置有系統(tǒng)分析員、程序員和硬件開發(fā)小組。比如：組織學生參與研究某教師課題的子課題—“數據采集與處理”系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中需要各個開發(fā)單元相互配合，如圖2所示。數據采集可以通過無線數據收發(fā)模塊進行，也可以通過以太網接口進行，將這些接口輸入的數據打包成UDP包，再通過接口發(fā)送出去［15-16］。在這個過程中需要多個模塊的相互配合，可以將學生依據這些模塊劃分成若干小組，然后由系統(tǒng)分析員共同把這些模塊連接起來，這樣就在實踐中學習如何相互配合來進行開發(fā)。

圖2　物聯網網關硬件結構圖

3　總結

經過1年的實踐，通過課堂隨機發(fā)放問卷調查（共發(fā)放60份，實際回收55份，回收率91.67%，問卷有效）：90.91%的學生認為教學內容較豐富，能完整覆蓋課程目標的基本要求；92.73%的學生認為教學形式新穎，有利用激發(fā)學習熱情；90.91%的學生認為實踐教學能增強學生動手能力；94.55%的學生認為開放實驗室有利于理論知識的消化和實踐運用；89.09%的學生認為課程改革有效果，應該繼續(xù)實行該教學模式。

基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革與實踐，主要目的是使學生在模擬真實的開發(fā)環(huán)境中學習嵌入式系統(tǒng)基本的開發(fā)過程，在此基礎上進行創(chuàng)新性項目的實踐。該研究按照嵌入式系統(tǒng)的知識體系，根據物聯網體系的特點，以嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結構為主線，從課程體系和教學計劃、理論教學方法和內容、實踐教學方法及開放實驗室管理等各個環(huán)節(jié)入手，使學生由淺入深地學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的各個階段，同時著重在實踐過程中培養(yǎng)學生的動手能力，同時也應該注意到物聯網是一個龐大的系統(tǒng)工程，所用技術千差萬別，不可能將其中的所有技術都完全掌握。因此，嵌入式系統(tǒng)教學必須突出重點，同時也應注意對學生基本理論掌握和基本設計能力的培養(yǎng)。另外，該項目還特別強調了創(chuàng)新性思維的鍛煉，使學生在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中不斷開拓思路，具有正確的思考方向和開發(fā)技能。

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【中圖分類號】：G642.0

【文獻標志碼】：A

【文章編號】：1004-5287（2016）04-0492-04

基金項目：浙江省高等教育學會實驗室工作研究項目“基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革”（YB201417）；浙江中醫(yī)藥大學校級教育教學改革項目“基于物聯網驅動的嵌入式系統(tǒng)教學改革”（12034）

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：方純潔（1981-），男，浙江慈溪人，實驗師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)。

通信作者：賴小波（1981-），男，江西贛州人，副教授，博士，主要研究方向：中醫(yī)藥信息學。電話：0571-86613669；E-mail：shopo@zcmu.edu.cn

Embedded systematic educational reform driven by Internet of things

Fang Chunjie，Lai Xiaobo，Wang Bo
College of Technology，Zhejiang Chinese Medical University，Hangzhou 310053，China

【Abstract】：In order to improve students'abilities of analysis，design and implementation in the field of embedded system，according to the knowledge system of the embedded system and characteristics of Internet of things drive，this paper，by taking the software and hardware structures of the embedded system as the main line，first introduces the teaching and practice of curriculum and teaching plan，theory teaching method and content，practice teaching method and open laboratory.Then according to students'characteristics in learning and thinking，we set up teaching scheme and practice cases，paying special attention to the understanding of cases during practice and redesigning on this basis.After onesemester teaching reform，the teaching reform effect of this course is obvious，which is of significance in researching and popularization.

【Key words】：teaching reform；Internet of things；embedded system