基于物聯(lián)網(wǎng)項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的研究與實踐

俞侃

摘要：該文根據(jù)現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)課程，以工作過程系統(tǒng)化為導(dǎo)向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在不同的行業(yè)、企業(yè)及應(yīng)用背景下，將物聯(lián)網(wǎng)的典型項目和嵌入式系統(tǒng)的課程體系相融合，強(qiáng)調(diào)職業(yè)教育教學(xué)行動的過程屬性，將典型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計案例引入到教學(xué)中并進(jìn)行重構(gòu)，編排模塊化課程教學(xué)內(nèi)容，組織教學(xué)過程。在總結(jié)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展方向，在面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)、理實一體化教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)進(jìn)行探索，全面提升學(xué)生技能水平和就業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；嵌入式系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；教學(xué)改革

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）24-0101-02

隨著現(xiàn)代電子制造水平和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車電子、家電控制和消費類電子等產(chǎn)品的重要組成部分，由于其硬件部分體積小、價格便宜、集成度高，并且軟硬件都可以進(jìn)行“按需定制”可裁剪，嵌入式系統(tǒng)有著十分廣闊的發(fā)展前景。

同時嵌入式系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動化系統(tǒng)控制技術(shù)的日益成熟，把傳感器得到的各種數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)的手段傳輸出去，使得世界的聯(lián)系從人與人的聯(lián)系，逐步轉(zhuǎn)變成物與人的聯(lián)系，物與物的聯(lián)系；使得現(xiàn)實世界與信息網(wǎng)絡(luò)更加的緊密結(jié)合。通過物聯(lián)網(wǎng)項目的開發(fā)，更好的促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)項目的載體的教學(xué)和改革工作。

1嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中的課程定位、相關(guān)先導(dǎo)課程與基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)備、教學(xué)內(nèi)容（包括硬件平臺和軟件平臺）的選擇、實踐教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)組織等問題，在目前，仍然存在爭論和探索。本環(huán)節(jié)就以下幾個方面進(jìn)行分析：

1）嵌入式系統(tǒng)的課程定位

由于各個院校對于嵌入式系統(tǒng)的課程定位的不同，不同的院校對于本課程的應(yīng)用方向也不同。有的院校更加側(cè)重于底層硬件和系統(tǒng)文件的裁剪，偏向于基于單片機(jī)的應(yīng)用；有的院校更加側(cè)重于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，偏向于軟件開發(fā)與調(diào)試。

2）嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的先導(dǎo)課程

基于上述不同院校之間課程定位的不同，嵌入式系統(tǒng)課程的先導(dǎo)課程也有所不同，針對偏硬件設(shè)計方向的，硬件電路設(shè)計作為重點。針對偏軟件設(shè)計方向的，則是把程序設(shè)計語言作為重點。

3）嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的學(xué)時分配

不同院校的不同專業(yè)對于嵌入式系統(tǒng)課程的要求不同，有的專業(yè)是作為專業(yè)核心類課程，有的專業(yè)是作為專業(yè)通識類課程，有的專業(yè)是作為專業(yè)選修類課程。因此，對于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的學(xué)時，有著很大的不同。

4）嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的選擇

嵌入式系統(tǒng)課程由于對前期課程的要求較高，同時現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中，理論偏多，各種概念和模型較難理解，學(xué)生動手去實踐相對較少，學(xué)生學(xué)習(xí)起來非常抽象和枯燥，無法形成自己的知識體系結(jié)構(gòu)，缺乏直觀性，因此學(xué)生學(xué)習(xí)積極性會隨著課程的深入，逐步降低。

同時嵌入式系統(tǒng)教學(xué)需結(jié)合教學(xué)平臺設(shè)備來進(jìn)行開展。在現(xiàn)有市場上，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)平臺種類繁多，并且配套的軟件操作系統(tǒng)也有所不同，不同院校都根據(jù)自身的實際情況進(jìn)行相應(yīng)選擇。

2嵌入式系統(tǒng)教學(xué)組織

根據(jù)本學(xué)院“5-3-3”課程體系構(gòu)建的思想，再結(jié)合江蘇省蘇州市吳江區(qū)地方經(jīng)濟(jì)具體特點的基礎(chǔ)上，以近年來國際工程教育改革CDIO工程教育模式為思路，將構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作貫穿在整個課程體系之中，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在不同的行業(yè)、企業(yè)及應(yīng)用背景下，將物聯(lián)網(wǎng)的項目案例，和嵌入式系統(tǒng)的課程體系融會貫通，強(qiáng)調(diào)職業(yè)教育教學(xué)行動的過程屬性，將典型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計案例引入到教學(xué)中并進(jìn)行重構(gòu)，編排模塊化課程教學(xué)內(nèi)容，組織教學(xué)過程。使得學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，不僅能了解嵌入式系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法，同時能對嵌入式系統(tǒng)中的ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM指令系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)根據(jù)不同的需求進(jìn)行相應(yīng)的裁剪、交叉編譯開發(fā)和移植應(yīng)用，同時根據(jù)學(xué)生的實際情況進(jìn)行應(yīng)用程序和驅(qū)動程序開發(fā)，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。

3傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)教學(xué)過程中通常以教師講授為主，以教材對應(yīng)章節(jié)和知識點作為講授單元，理論基礎(chǔ)和實踐環(huán)節(jié)分離，無法做到“理實一體化”。在有限的課程授課時間內(nèi)，設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容配套的實踐環(huán)節(jié)，通過課后實踐來強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性的能力比較有限。

嵌入式操作系統(tǒng)選擇非常多，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中常用的軟件中間件，比如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、嵌入式平臺下的根文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、媒體壓縮與解壓縮庫、各種加密算法與協(xié)議等，更是令人眼花繚亂。

同時，作為授課對象的學(xué)生，由于來自不同的專業(yè)方向，前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)知識參差不齊。具體表現(xiàn)為：電子類專業(yè)方向的學(xué)生，軟件基礎(chǔ)較為薄弱，計算機(jī)類專業(yè)方向的學(xué)生，電路與硬件基礎(chǔ)弱。

4基于物聯(lián)網(wǎng)項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)

以職業(yè)崗位能力為主線的高職教育體系需要構(gòu)建項目化教學(xué)課程體系，同時在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程體系確實應(yīng)當(dāng)有所調(diào)整，以適應(yīng)時代的發(fā)展和社會的需求。

項目驅(qū)動教學(xué)的理念認(rèn)為：學(xué)生知識的積累和構(gòu)建，是在一定的條件下自主構(gòu)建而成的；學(xué)習(xí)是知識、技能與行為、態(tài)度與價值觀等方面的長進(jìn)。

同時，以企業(yè)中真實的生產(chǎn)、研發(fā)和具有實際應(yīng)用價值的案例作為教學(xué)內(nèi)容的選擇，要求學(xué)生能夠通過自身的特點，獲取相關(guān)的資訊，指定真實的計劃，通過自身的決策和實施，并且進(jìn)行檢查和互查來對項目進(jìn)行評價。

1）項目的具體構(gòu)建

將嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程知識點進(jìn)行碎片化和重組，以本院的校企合作單位物聯(lián)網(wǎng)智能家居企業(yè)真實案例為基礎(chǔ)，將整個教學(xué)過程以項目的形式開展教學(xué)，再將物聯(lián)網(wǎng)智能家居項目中分成相應(yīng)子項目，對相應(yīng)子項目再進(jìn)行具體的任務(wù)分解。在整個過程中，要求學(xué)生能夠以教學(xué)主體的身份參與進(jìn)來，對真實案例從總體上進(jìn)行把握，明確學(xué)習(xí)和構(gòu)建的內(nèi)容。

2）項目驅(qū)動教學(xué)組織形式

本院該課程在采用小班化教學(xué)的基礎(chǔ)上，對學(xué)生進(jìn)行項目分組，將4～5名學(xué)生分配到一個項目團(tuán)隊。在不同的項目中扮演企業(yè)開發(fā)過程中的不同角色，同時在不同的子項目中，學(xué)生的角色進(jìn)行輪轉(zhuǎn)或互換，使得學(xué)生在完成本課程的學(xué)習(xí)之后，能對項目開發(fā)的整個過程相對熟悉。

學(xué)生在不同的子項目中，可以對項目團(tuán)隊的不同角色進(jìn)行體驗，根據(jù)自身的實際情況，為更好的走上工作崗位，融入企業(yè)項目團(tuán)隊做準(zhǔn)備。

3）具體項目教學(xué)的實施

在每一個具體項目教學(xué)的實施過程中，以本院的2014級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)為例，該專業(yè)有40人，將學(xué)生以5個學(xué)生為項目小組進(jìn)行分組，共8個小組，根據(jù)學(xué)生的學(xué)情和實際情況進(jìn)行項目任務(wù)書下發(fā)，將CDIO中的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）融入進(jìn)來。

以物聯(lián)網(wǎng)智能家居企業(yè)真實案例中的智能窗簾子項目為例，通過任務(wù)分解，如下圖所示，可以分為嵌入式Linux系統(tǒng)裁剪、直流電機(jī)控制、交叉編譯、驅(qū)動文件加載和嵌入式平臺下移植應(yīng)用等五個子任務(wù)，同時針對模塊化教學(xué)，進(jìn)行相應(yīng)學(xué)習(xí)情境設(shè)計和教學(xué)方案設(shè)計，整合現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，使得老師的教和學(xué)生的學(xué)都體現(xiàn)項目驅(qū)動模式下理實一體化的緊密結(jié)合。

首先要求每個項目小組的學(xué)生進(jìn)行項目分析，將構(gòu)思（Conceive）采用行動導(dǎo)向中資訊的形式展現(xiàn)出來，給出工作任務(wù)，提出任務(wù)要求，要求學(xué)生應(yīng)當(dāng)把前導(dǎo)課程以及已做過的項目中已掌握的知識點和即將開展的項目中需要的知識點進(jìn)行融合，使得學(xué)生溫故知新，同時也學(xué)會綜合運用新舊知識的技能；其次要通過實踐的方式，項目和任務(wù)必須能夠通過實踐來完成及驗證。

對于設(shè)計（Design）則要求學(xué)生在項目小組中指定相應(yīng)計劃，安排時間進(jìn)度。

而實現(xiàn)（Implement），要求各小組通過決策和實施的方式，分別提出完成該項目的設(shè)計方案說明書，每個小組推選1名同學(xué)上臺進(jìn)行本組實施方案的具體表述，授課教師與項目小組成員共同討論，進(jìn)行分析和優(yōu)化，最終確定相對合理、科學(xué)的最佳方案，并進(jìn)行下一步的實施。

運作（Operate），則是在之前所做工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目方案說明書，對于項目內(nèi)容對照完成。在項目完成之后，對照最初提出的工作任務(wù)要求，逐項檢查項目完成情況。如存在不符的情況，進(jìn)行分析和修改，直至滿足相應(yīng)要求。同時要求項目小組內(nèi)的同學(xué)和不同小組的同學(xué)進(jìn)行自評和互評，進(jìn)行相應(yīng)總結(jié)和考核。

5總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的技術(shù)和應(yīng)用背景，如何精簡嵌入式系統(tǒng)課程的理論教學(xué)內(nèi)容，并擴(kuò)寬學(xué)生的知識面，讓學(xué)生掌握設(shè)計與思考的方法，重點把與真實項目案例密切相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)與設(shè)計，同時進(jìn)行層次化的實踐設(shè)計，在實踐環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生真正參與到前沿發(fā)展的企業(yè)課題和項目中去，這是在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革中要研究和具體實踐的方向。

基于物聯(lián)網(wǎng)項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革實踐教學(xué)過程中，學(xué)生對于企業(yè)項目開發(fā)的整個過程更加熟悉，學(xué)生參與項目團(tuán)隊開發(fā)的積極性和主動性得到提高，同時，通過項目驅(qū)動的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生也認(rèn)識到團(tuán)隊合作的重要性。項目驅(qū)動教學(xué)改革的實施，使學(xué)生學(xué)習(xí)的方式發(fā)生了很大的變化，學(xué)生能夠主動地去學(xué)習(xí)，更加善于發(fā)現(xiàn)問題和思考問題，解決問題的能力也得到了很大提高，學(xué)生的專業(yè)技能能力得到系統(tǒng)的鍛煉。項目驅(qū)動教學(xué)改革，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識的養(yǎng)成和從學(xué)校到畢業(yè)頂崗實習(xí)、就業(yè)更好的“無縫”對接提供了保障。

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