面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究

符寧

摘要：文章圍繞物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形勢下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)實踐展開論述，對嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的課程設(shè)置、系統(tǒng)化教學(xué)過程等進行了深入的分析，并對物聯(lián)網(wǎng)項目與嵌入式教學(xué)系統(tǒng)的融合給高等教育帶來的變革進行了研究。文章還總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景下嵌入式系統(tǒng)課程體系的建設(shè)及教學(xué)創(chuàng)新成果，為全面提升學(xué)生的理論和應(yīng)用能力提供重要的參考價值。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；項目驅(qū)動；嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)；教學(xué)改革

1.物聯(lián)網(wǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)課程

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念始于20世紀(jì)90年代末期。當(dāng)時的物聯(lián)網(wǎng)，主要是針對物與物、人與人之間的互聯(lián)互通，提供技術(shù)支持。這個新型的概念和技術(shù)出現(xiàn)后得到了理論和工業(yè)界的充分關(guān)注。

1.2嵌入式系統(tǒng)的理論教學(xué)內(nèi)容

嵌入式理論教學(xué)內(nèi)容主要包括ARMffC：入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用和前沿發(fā)展等內(nèi)容。以嵌入式開發(fā)技術(shù)掌握為教學(xué)目的。具體的授課內(nèi)容包括；系統(tǒng)概述、微處理器的原理；實用操作、移植交叉開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景下的嵌入式課程體系框架如圖1所示。

2.物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)實驗概述

2.1理論結(jié)合實踐

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)實驗設(shè)計采用的是層次化的實驗環(huán)節(jié)，包含基礎(chǔ)知識、動手能力、創(chuàng)造性思維等等。例如，嵌入式實驗開發(fā)平臺上，主流的串行接口和以太網(wǎng)接口，GPS全球定位系統(tǒng)模塊，總線接口等等。這些接口和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景是通過層次化的實驗設(shè)計展開的。內(nèi)部包含了實驗的要求和實踐階段的不同設(shè)置，整體層次的設(shè)計從淺顯到深入，實驗層次不同，對應(yīng)的組織形式也不同。例如基礎(chǔ)性實驗的目的用于熟悉物聯(lián)網(wǎng)，實驗層次的循序漸進，為了實踐的開發(fā)和設(shè)計打下了基礎(chǔ)。而綜合性的實驗和實踐是為了提高物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用能力。

2.2實踐與合作相結(jié)合

在物聯(lián)網(wǎng)中間層的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，根據(jù)模塊接口的采集，終端的經(jīng)緯度信息得到無線數(shù)據(jù)手法模塊中的傳感器的溫度和日照等的環(huán)境信息，通過ARM處理器打包成UDP數(shù)據(jù)包，將之通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口傳送到基站的服務(wù)器中。

整個流程為，從以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行接入，將數(shù)據(jù)傳送到嵌入式處理器，通過GPs模塊接口進行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，再傳送到嵌入式處理器中，最后到達外部存儲器。

在物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支持下，學(xué)校組織學(xué)生成立了第二課堂，組成了以物聯(lián)網(wǎng)為主題的學(xué)習(xí)小組，對項目進行模擬實踐和開發(fā)。例如GPS數(shù)據(jù)采集和處理的課題小組，要對操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植、多任務(wù)的GPS模塊的接口數(shù)據(jù)進行打包，UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)等眾多內(nèi)容進行實踐。在團結(jié)合作中，興趣小組的同學(xué)各自有分工合作，最終實現(xiàn)了將終端傳感器傳送了了基站的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實驗?zāi)繕?biāo)。

3.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀

堅持對嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)的創(chuàng)新進行探索，包括課程設(shè)置、基礎(chǔ)知識的傳授、教學(xué)軟硬件平臺的搭設(shè)、實踐教學(xué)的組織等等。目前在教學(xué)中存在以下特點。

在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)中，課程定位的方向以及應(yīng)用不同。有的院校側(cè)重于底層和系統(tǒng)文件的構(gòu)建，有的院校側(cè)重于應(yīng)用以及軟件的開發(fā)。

在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的課程中，由于院校課程定位的不同，因此在課程設(shè)置上也有所不同，有的偏重于硬件的設(shè)計，有的以電路設(shè)計為主，有的偏重語言程序的設(shè)計。

在嵌入式教學(xué)的學(xué)時分配上，有的院校側(cè)重于課程的要求，有的院校側(cè)重專業(yè)的核心課程，有的院校側(cè)重專業(yè)的通識課程設(shè)置，有的院校將其作為輔修課程，因此在學(xué)時的安排上各有不同。

在教學(xué)內(nèi)容上。嵌入式系統(tǒng)課程中理論和概念較多，因此學(xué)生容易感到枯燥，對于知識體系的架構(gòu)來說，積極性不高會導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，同時嵌入式教學(xué)平臺目前的種類偏多，但是配套的操作系統(tǒng)卻沒有跟上。

嵌入式教學(xué)體系具有若干缺點，首先，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師的主導(dǎo)性地位過強，教師只會將教材中的章節(jié)進行講解。但是基礎(chǔ)理論往往于實踐脫鉤，使得理實一體化難以實現(xiàn)。有限的課程中，教學(xué)內(nèi)容多用于理論學(xué)習(xí)，能夠強化學(xué)生實踐能力的實踐課程較少。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中以網(wǎng)路協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、媒體壓縮和解壓縮系統(tǒng)等等的數(shù)據(jù)實驗平臺眾多，但是真正能夠以為學(xué)生提高學(xué)習(xí)成效，加強軟件基礎(chǔ)為目標(biāo)的課程設(shè)置不多。

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

當(dāng)前，高等院校的教育體系中，對教學(xué)項目進行構(gòu)建，對教學(xué)課程進行設(shè)置，往往是圍繞著工程能力的培養(yǎng)展開的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)體系必須也有相應(yīng)的調(diào)整，才能應(yīng)對當(dāng)今時代和社會發(fā)展的需要。

企業(yè)的生產(chǎn)過程以及實際的應(yīng)用價值，是教學(xué)內(nèi)容在選擇上參照的依據(jù)。高等院校培育的學(xué)生，必須要獲取實踐機會，提升決策和實施的能力，并且能夠制定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃，培養(yǎng)對物聯(lián)網(wǎng)項目的評估能力。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的知識點一般較為碎片化，通過學(xué)校與企業(yè)合作的形式，將這些碎片加以重組。例如，在物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的要求下，教學(xué)項目設(shè)立了一個以某企業(yè)的產(chǎn)品為主項目的子項目，在子項目中將任務(wù)具體化，分解到每個學(xué)生身上，學(xué)生參與到項目中，成為教學(xué)的主體，在真實的企業(yè)生產(chǎn)情景下，感受到物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的氛圍以及學(xué)習(xí)內(nèi)容。

項目啟動后，課程被分解為小組學(xué)習(xí)的模式，學(xué)生擔(dān)任項目中的角色，大約4～5個學(xué)生分為一個項目團隊。項目中，學(xué)生成為企業(yè)員工，擔(dān)任開發(fā)程序中的角色。在實習(xí)中，學(xué)生的角色可以進行輪轉(zhuǎn)和互換，以便于課程結(jié)束后，學(xué)生能夠?qū)椖康娜苛鞒逃猩羁陶J識。

在項目進行過程中，學(xué)生的實際能力表現(xiàn)都是項目考核和評價的內(nèi)容。每個學(xué)生在團隊中的表現(xiàn)以及工作成果都被記錄下來作為將來接受課程評價的依據(jù)，學(xué)生的能力也通過項目的開展不斷提高，為將來進入社會成為工作崗位的中堅力量打下了牢固的基礎(chǔ)。

在具體的項目教學(xué)中，學(xué)生以開發(fā)成員的身份進入項目小組中，根據(jù)實際項目設(shè)計目標(biāo)研究項目任務(wù)書，進行項目的需求分析、項目的設(shè)計、項目的實現(xiàn)和系統(tǒng)測試。

以具體的項目內(nèi)容為例，實踐項目要求通過嵌入式uNux系統(tǒng)，進行各個計算機流程的操作，包括系統(tǒng)裁剪、電機控制、驅(qū)動文件加載、交叉下移，平臺嵌入式編譯等等。在模塊化教學(xué)的情景下，學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接口，在理實一體化的模式下將項目軟硬件系統(tǒng)通過設(shè)計和編碼進行實現(xiàn)。

在項目完成之后，教師、企業(yè)、學(xué)校組成專門的評價小組，對照工作任務(wù)要求，逐項檢查項目完成情況。對不足的部分要求學(xué)生進行分析和修改，并要求項目小組內(nèi)的同學(xué)和不同小組的同學(xué)開展互相評價、總結(jié)，以綜合的考評成績作為對學(xué)生的考核結(jié)論。

5.結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展的技術(shù)背景下，需要將嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來。教學(xué)重點是讓學(xué)生在實踐的項目中掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。通過嵌入式教學(xué)改革和實踐，學(xué)生對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的認識和理解得到提升，對物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)的過程有了深刻體會，參與團隊的積極性和主動性得到提高，解決實際技術(shù)問題的能力也得到有效提升。在物聯(lián)網(wǎng)項目驅(qū)動的嵌入式教學(xué)改革實踐后，學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用也有了更為深入的了解。今后高校將繼續(xù)探索物聯(lián)網(wǎng)項目為引導(dǎo)的嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)的新模式和新方法。