新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探索

殷婷婷，楊 忠，徐 楠，吳有龍，王瑩瑩，許 蓓

（1.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169 2.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

為了應(yīng)對(duì)全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，高質(zhì)量的應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量成為了影響國(guó)家工程技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，深化高等工程教育改革是提升我國(guó)工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量和工程技術(shù)水平的必要途徑[1-2]。作為我國(guó)高等工程教育主動(dòng)響應(yīng)時(shí)代要求的戰(zhàn)略行動(dòng)，新工科建設(shè)是提高人才培養(yǎng)能力，推動(dòng)高等工程教育內(nèi)涵質(zhì)量發(fā)展的重要舉措[3-4]。

作為未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和各國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展布局的重要方向，以互聯(lián)網(wǎng)和人工智能為主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)面臨人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)和新要求[5]。多學(xué)科交叉融合的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)涉及了大量嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)作為專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握良好的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用能力，為后續(xù)開(kāi)展大規(guī)模、工程化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)，對(duì)于提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量以滿足行業(yè)需求具有積極意義[6-7]。

本文將從應(yīng)用型大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)角度出發(fā)，積極探索新工科背景下嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的內(nèi)容體系、實(shí)踐環(huán)節(jié)等展開(kāi)探索與研究。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，以高速度、高可靠、低功耗等為特征的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛和深入，智能終端、傳感設(shè)備、工控設(shè)備、消費(fèi)電子等嵌入式終端早已滲透到工業(yè)、社會(huì)以及生活中。物聯(lián)網(wǎng)涉及傳感器數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航定位、設(shè)備控制等大量嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景，包含嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)/路由器）和嵌入式設(shè)備（移動(dòng)設(shè)備/信息家電/工業(yè)設(shè)備）的嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的唯一物聯(lián)源頭。嵌入式系統(tǒng)需求分析，軟硬件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試等，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生要熟練掌握的重要技能。

因此，嵌入式系統(tǒng)課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的必修課程，在人才培養(yǎng)方案中處于重要位置。通過(guò)開(kāi)設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”這一課程，培養(yǎng)學(xué)生掌握良好的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用能力，為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展大規(guī)模、工程化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和集成等打下良好基礎(chǔ)。

2 基于OBE理念的課程體系優(yōu)化

OBE（Outcome based Education, OBE）教育理念又稱為成果導(dǎo)向教育，是一種以成果為目標(biāo)導(dǎo)向，以學(xué)生為本，采用逆向思維方式進(jìn)行的課程體系建設(shè)理念。在OBE工程教育理念中，認(rèn)可教師必須對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)有清晰的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確的定位，尋求設(shè)計(jì)合適的課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和課堂生態(tài)，并通過(guò)考核評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)教學(xué)，從而有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，保證預(yù)期目標(biāo)的達(dá)成。

2.1 以學(xué)生為中心確定教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案指導(dǎo)制定的教學(xué)大綱要求，結(jié)合金陵科技學(xué)院應(yīng)用型本科院校定位，考慮學(xué)生思維活躍求知重實(shí)踐的年齡特征，明確以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過(guò)理論學(xué)習(xí)，掌握嵌入式系統(tǒng)的組成、需求分析、軟硬件設(shè)計(jì)布局方法等知識(shí)，熟悉常見(jiàn)嵌入式核心處理器的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和編程邏輯等。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，具備一定的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和綜合應(yīng)用能力，能夠掌握基于嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)資源開(kāi)發(fā)調(diào)配、軟硬件協(xié)調(diào)和應(yīng)用實(shí)踐的能力。

2.2 優(yōu)化課程教學(xué)體系

2.2.1 理論與實(shí)驗(yàn)穿插交融

課程體系包含了2.5學(xué)分的課程教學(xué)和1學(xué)分的課程設(shè)計(jì)，其中課程教學(xué)涵蓋了32學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)和8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。在課程教學(xué)過(guò)程中將理論課程與實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合，通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及時(shí)鞏固理論知識(shí)內(nèi)容，加深理解，提升課程目標(biāo)完成度。嵌入式課程體系如圖1所示。

圖1 嵌入式課程體系

2.2.2 通過(guò)應(yīng)用案例概覽全貌

立足于應(yīng)用型大學(xué)人才培養(yǎng)需求，在課程教材和教學(xué)內(nèi)容選取過(guò)程中，應(yīng)注意突出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，弱化深層次原理；突出實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，避免過(guò)多過(guò)深的技術(shù)細(xì)節(jié)；突出知識(shí)體系的通用性和連貫性。根據(jù)以上要求，課程可以從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例出發(fā)，概覽嵌入式系統(tǒng)全貌。圖2展示了基于智能家居系統(tǒng)案例的嵌入式系統(tǒng)全貌。

圖2 基于智能家居系統(tǒng)案例的嵌入式系統(tǒng)全貌

2.2.3 圍繞問(wèn)題構(gòu)建知識(shí)體系

為了提高學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解以及綜合運(yùn)用水平，本課程引入圍繞問(wèn)題構(gòu)建知識(shí)體系的做法，包括：構(gòu)建概念和原理的知識(shí)問(wèn)題化，構(gòu)建設(shè)計(jì)方法知識(shí)體系時(shí)的知識(shí)問(wèn)題化，構(gòu)建外設(shè)應(yīng)用專題體系時(shí)的知識(shí)問(wèn)題化，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)需要構(gòu)建的知識(shí)體系，從而加深記憶和理解，提高綜合應(yīng)用和創(chuàng)新等能力，如圖3所示。

圖3 圍繞問(wèn)題構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程體系

2.2.4 課程思政元素有機(jī)融入

高校思想政治教育應(yīng)始終堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為教育的根本任務(wù)，應(yīng)充分挖掘?qū)I(yè)理論課程的育人元素，將思政教育深入到每一個(gè)環(huán)節(jié)[8]。嵌入式系統(tǒng)課程在多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)融入思政元素。

（1）引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定理想信念，增強(qiáng)綜合素養(yǎng)

緊抓物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇，立足應(yīng)用型高校定位，引導(dǎo)學(xué)生知識(shí)與應(yīng)用結(jié)合，增強(qiáng)綜合素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定理想信念，積極實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值。

（2）引導(dǎo)學(xué)生厚植愛(ài)國(guó)主義情懷

嵌入式處理器（芯片）是嵌入式系統(tǒng)的核心，結(jié)合中美貿(mào)易戰(zhàn)、美國(guó)芯片封鎖背景、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，引導(dǎo)學(xué)生厚植愛(ài)國(guó)主義情懷，為國(guó)奉獻(xiàn)。

3 多層次多元化實(shí)踐教學(xué)

在新工科背景下，借助多層次實(shí)踐教學(xué)循序漸進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系，構(gòu)建基于樹(shù)莓派的口袋實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

3.1 口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

為滿足學(xué)生全天候開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)需求，突破實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗(yàn)室管理等多種因素的制約，根據(jù)現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，建設(shè)基于樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板的口袋實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點(diǎn)，購(gòu)置了多達(dá)一百套的ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板以及配套的常規(guī)傳感器與控制器模塊，如溫濕度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、4G/WiFi模塊、北斗/GPS定位模塊等。套件的功能涵蓋了模擬/數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別技術(shù)等多個(gè)課程的教學(xué)?？诖鼘?shí)驗(yàn)室的建設(shè)，體現(xiàn)了一種創(chuàng)新的教學(xué)理念，平衡了學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性與管理制度之間的矛盾，有助于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和個(gè)性化的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，是一個(gè)真正的全開(kāi)放、全共享、一體化的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)[9-10]。

3.2 多層次實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是完成物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心課程。為了滿足這一應(yīng)用需求，根據(jù)課程體系安排，融合基礎(chǔ)型、綜合型、進(jìn)階型等多層次實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建滿足個(gè)性化需求的實(shí)踐內(nèi)容體系，見(jiàn)表1所列。

表1 多層次個(gè)性化實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

該實(shí)踐體系以基礎(chǔ)型和綜合型為抓手，瞄準(zhǔn)人才培養(yǎng)方案和課程目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)本領(lǐng)；同時(shí)以進(jìn)階型為契機(jī)，課題融合學(xué)生的個(gè)性化興趣愛(ài)好，以分組方式協(xié)同完成，旨在探索學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)乃至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的潛力。

3.3 多元化實(shí)踐教學(xué)方法改革

3.3.1 以學(xué)生為主體

以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；調(diào)整傳統(tǒng)授課方式，以實(shí)驗(yàn)引入法激發(fā)學(xué)生興趣和好奇心；創(chuàng)設(shè)合理問(wèn)題情境，精心設(shè)計(jì)啟發(fā)性問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)，釋放學(xué)生潛能；理解、尊重、信任學(xué)生，以良好師生關(guān)系鞏固學(xué)習(xí)效果。

3.3.2 融“教學(xué)做”為一體，提升實(shí)踐教學(xué)效果

課前布置項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生提前查找相關(guān)接口、代碼資料等，提出解決方案；課堂理論實(shí)踐相結(jié)合，教師示范與點(diǎn)評(píng)引導(dǎo)交叉，初步完成任務(wù)；課后反饋回顧，總結(jié)提升，提出更優(yōu)的項(xiàng)目解決方案。

3.3.3 合理使用現(xiàn)代教育技術(shù)，提升廣度和質(zhì)量

課堂內(nèi)適當(dāng)引入Kahoot趣味測(cè)驗(yàn)、Padlet分組討論等，依托MOOC/超星/QQ群等平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)、測(cè)驗(yàn)、教學(xué)反饋，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

3.3.4 緊密應(yīng)用需求，廣泛涉獵

立足應(yīng)用型本科，著眼于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時(shí)代新興專業(yè)的機(jī)遇，充分利用產(chǎn)學(xué)研、學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生廣泛涉獵，培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作能力的專業(yè)人才。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從新工科戰(zhàn)略時(shí)代背景出發(fā)，在OBE工程教育理念的指導(dǎo)下，優(yōu)化構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程體系，落實(shí)完整的“教學(xué)做”一體化模式；選用典型ARM-Cortex-A7作為硬件核心的樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板打造“口袋實(shí)驗(yàn)室”。在充分考慮課題與行業(yè)熱點(diǎn)需求緊密度和個(gè)性化選擇余量的前提下，設(shè)計(jì)個(gè)性化多層次進(jìn)階型實(shí)踐課程內(nèi)容，充分激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和掌握知識(shí)技能的潛力，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)和合作創(chuàng)新能力，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支撐。