大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽引領(lǐng)下的嵌入式課程教學(xué)改革與研究

摘 要：隨著當(dāng)代電子制造與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在汽車電子、家電控制以及消費(fèi)類電子等領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位。其以體積小、價(jià)格親民、高度集成等特點(diǎn)，配合軟硬件“量身定制”的靈活性，展現(xiàn)了極為廣闊的應(yīng)用前景。此外，嵌入式系統(tǒng)在無線通信、傳感器技術(shù)以及自動(dòng)化控制方面的不斷精進(jìn)，使得傳感器收集的多樣數(shù)據(jù)能夠經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)了世界連接的深刻變革，進(jìn)一步促進(jìn)了現(xiàn)實(shí)世界與信息網(wǎng)絡(luò)的深度融合。本文著重探討了如何借助大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽這一平臺(tái)，更有效地推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目核心的教學(xué)改革與實(shí)踐創(chuàng)新，旨在適應(yīng)并引領(lǐng)這一技術(shù)發(fā)展的潮流。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生；物聯(lián)網(wǎng)；競(jìng)賽；引領(lǐng)；嵌入式課程；教學(xué)改革

在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)下，嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)改革實(shí)踐取得了顯著成效。這一教學(xué)模式讓學(xué)生親身體驗(yàn)了企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的完整流程，不僅增強(qiáng)了他們對(duì)實(shí)際工作流程的熟悉度，也極大地激發(fā)了學(xué)生參與項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)的熱情與主動(dòng)性。通過項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生們深刻體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作的力量，認(rèn)識(shí)到協(xié)同工作的重要性。更重要的是，這種項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式徹底轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，使他們從被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索知識(shí)，培養(yǎng)了敏銳的問題發(fā)現(xiàn)能力。在這樣的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的專業(yè)技能得到了系統(tǒng)鍛煉和提升。此外，這一教學(xué)模式還為學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)的培養(yǎng)提供了有力支持，確保他們?cè)趶男@走向?qū)嵙?xí)、就業(yè)崗位時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對(duì)接，更好地適應(yīng)職場(chǎng)需求。

一、大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽與嵌入式課程教學(xué)概述

（一）大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，旨在促進(jìn)該領(lǐng)域教育與創(chuàng)新的大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽應(yīng)運(yùn)而生。這類賽事要求參賽者運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技術(shù)來應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)或完成指定任務(wù)。比賽項(xiàng)目廣泛覆蓋了從數(shù)據(jù)收集到最終應(yīng)用的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，比如感知層的數(shù)據(jù)獲取與處理、網(wǎng)絡(luò)層面的信息傳輸技術(shù)以及面向用戶的應(yīng)用程序開發(fā)等。一個(gè)具體的例子是學(xué)生被要求構(gòu)建一套智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控解決方案，其中涉及使用各種傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度、氣溫及光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并通過無線通信手段將這些信息上傳至云端服務(wù)器；隨后，基于云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)的軟件工具來進(jìn)行深入分析并以可視化形式呈現(xiàn)結(jié)果，從而輔助農(nóng)場(chǎng)主做出更加科學(xué)合理的管理決策［1］。此外，競(jìng)賽還設(shè)置了個(gè)人賽和團(tuán)體賽兩種模式，不僅考驗(yàn)著每一位選手的創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)合作精神，也促進(jìn)了他們解決復(fù)雜問題的實(shí)際操作技能的成長(zhǎng)。

（二）嵌入式課程教學(xué)

嵌入式課程的教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)與技能方面扮演著至關(guān)重要的角色。此類系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于諸如智能家居、汽車電子以及醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。教學(xué)過程中，首先強(qiáng)調(diào)的是基礎(chǔ)理論的傳授，涵蓋嵌入式系統(tǒng)的定義、架構(gòu)及其硬件組成部分（如微處理器、存儲(chǔ)單元及外圍設(shè)備）和軟件編程技術(shù)（如嵌入式C語言與操作系統(tǒng)）。通過這樣的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解嵌入式系統(tǒng)的基本工作機(jī)理及開發(fā)流程。此外，實(shí)踐環(huán)節(jié)同樣受到重視，學(xué)校會(huì)提供專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和開發(fā)工具供學(xué)生們使用，使他們有機(jī)會(huì)參與實(shí)際操作，比如電路設(shè)計(jì)與程序調(diào)試等。這種動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)不僅幫助學(xué)生將所學(xué)理論轉(zhuǎn)化為實(shí)用技能，而且還能激發(fā)他們的工程實(shí)踐興趣與創(chuàng)新能力，為將來從事相關(guān)領(lǐng)域的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽在嵌入式課程教學(xué)中的作用

（一）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽為大學(xué)生們提供了一個(gè)將課堂上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于真實(shí)世界項(xiàng)目的寶貴機(jī)會(huì)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情與積極性。在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生通常面對(duì)的是較為抽象的概念和相對(duì)單一的實(shí)驗(yàn)操作，這往往讓他們感到學(xué)習(xí)過程缺乏趣味性。相比之下，競(jìng)賽項(xiàng)目則設(shè)定了具體目標(biāo)，并且具有實(shí)際的應(yīng)用背景，例如開發(fā)智能健康監(jiān)測(cè)裝置或是構(gòu)建智能家居控制系統(tǒng)等。通過參與這類比賽，學(xué)生們能夠直接感受到嵌入式技術(shù)是如何改善日常生活并推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的，進(jìn)而激發(fā)了他們更深入地探索該領(lǐng)域的興趣。當(dāng)看到自己親手完成的作品不僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能還具備了一定的社會(huì)價(jià)值時(shí)，這種成功的喜悅會(huì)轉(zhuǎn)化為持續(xù)學(xué)習(xí)的強(qiáng)大動(dòng)力，鼓勵(lì)他們主動(dòng)尋求新知、掌握更多技能，并積極尋找解決問題的新方法，從而全面提升個(gè)人能力。

（二）促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合

嵌入式課程融合了豐富的理論知識(shí)與實(shí)踐操作，而物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的競(jìng)賽活動(dòng)則提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，使學(xué)生能夠?qū)⑦@兩方面有機(jī)結(jié)合。在參賽過程中，學(xué)生們需將課堂上所學(xué)的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)、傳感器技術(shù)原理、各類通信協(xié)議以及編程技巧等概念應(yīng)用到具體的工程項(xiàng)目之中。以設(shè)計(jì)一套用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案為例，參與者首先，需要基于對(duì)不同傳感器特性的了解來挑選最適合當(dāng)前需求的數(shù)據(jù)收集設(shè)備；其次，他們還必須利用所掌握的無線通信技術(shù)確保信息能夠高效準(zhǔn)確地傳輸；最后，則是通過編寫代碼完成數(shù)據(jù)處理及分析任務(wù)。整個(gè)流程不僅有助于加深參賽者對(duì)于理論基礎(chǔ)的理解，并且還能幫助他們識(shí)別出自身在學(xué)習(xí)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行針對(duì)性的補(bǔ)充。

（三）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與能力

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，通過項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來提升其創(chuàng)新能力。這類比賽通常不提供既定的答案，而是要求參賽者依據(jù)題目指導(dǎo)及現(xiàn)實(shí)條件自行構(gòu)思系統(tǒng)架構(gòu)、選定技術(shù)路徑并開發(fā)獨(dú)特功能。在此過程中，學(xué)生們被鼓勵(lì)探索新方法和技術(shù)，以超越常規(guī)思維模式的限制。比如，在構(gòu)建智能物流解決方案時(shí)，學(xué)生可能會(huì)創(chuàng)造性地應(yīng)用人工智能算法來優(yōu)化路線規(guī)劃，或是采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)來提高貨物識(shí)別的精準(zhǔn)度與效率。參與此類賽事不僅能讓學(xué)生接觸到行業(yè)最新的技術(shù)和未來發(fā)展趨勢(shì)，還能激發(fā)他們的創(chuàng)造力。此外，面對(duì)比賽中遇到的各種難題和挑戰(zhàn)，學(xué)生將被迫持續(xù)探究未知領(lǐng)域，從而鍛煉獨(dú)立思考的能力和解決問題的能力，進(jìn)而提高個(gè)人的創(chuàng)新素質(zhì)和整體競(jìng)爭(zhēng)力，為他們將來在物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)行業(yè)的創(chuàng)新活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［2］。

（四）提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽項(xiàng)目往往要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)共同完成任務(wù)，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作與溝通技能提出了較高標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)成員通常具備多樣化的專業(yè)背景及個(gè)人特長(zhǎng)，比如有的同學(xué)專長(zhǎng)于硬件設(shè)計(jì)，而另一些則在軟件開發(fā)或算法研究方面表現(xiàn)突出。為了成功實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)，他們必須緊密合作，互相支持，在此過程中，學(xué)習(xí)傾聽他人的觀點(diǎn)和建議變得尤為重要，同時(shí)也要能夠有效發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，并妥善處理團(tuán)隊(duì)內(nèi)部可能出現(xiàn)的各種矛盾與挑戰(zhàn)。例如，在一個(gè)典型的項(xiàng)目流程中，負(fù)責(zé)硬件與軟件開發(fā)的小組間需要保持頻繁且高效的溝通，以確保兩部分工作的無縫對(duì)接；此外，定期舉行會(huì)議來匯報(bào)進(jìn)展、討論遇到的問題并集體探討解決方案也是必不可少的環(huán)節(jié)。參與此類比賽不僅能讓學(xué)生們?cè)趯?shí)際操作中磨煉其團(tuán)隊(duì)合作技巧和交流能力，還能形成良好的團(tuán)隊(duì)精神和增強(qiáng)合作意識(shí)，這對(duì)于他們將來無論是在職場(chǎng)還是日常生活中都有著極其重要的價(jià)值。

三、大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽引領(lǐng)嵌入式課程教學(xué)建議

（一）以競(jìng)賽項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容優(yōu)化

嵌入式課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合大學(xué)生參與的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽項(xiàng)目，以此為依據(jù)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容［3］。首要步驟是對(duì)這些競(jìng)賽項(xiàng)目中所需的知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)技能進(jìn)行全面分析，并將其合理地整合進(jìn)課程的教學(xué)計(jì)劃之中。嵌入式課程教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽項(xiàng)目結(jié)合優(yōu)化教學(xué)，具體評(píng)價(jià)內(nèi)容是平時(shí)成績(jī)（60%）：競(jìng)賽項(xiàng)目分析報(bào)告（30%），報(bào)告完整、知識(shí)理解準(zhǔn)確、創(chuàng)新點(diǎn)挖掘到位各占10%，依據(jù)質(zhì)量評(píng)分。課程內(nèi)容調(diào)整反饋（20%），參與討論（10%）按有效發(fā)言次數(shù)和質(zhì)量計(jì)分，調(diào)整建議（10%）依合理性和創(chuàng)新性打分。項(xiàng)目思維框架練習(xí)（10%），步驟完整性（5%）和思維深度（5%）分別評(píng)估。考試成績(jī)（40%）：理論知識(shí)（20%），其中競(jìng)賽知識(shí)點(diǎn)（10%）和項(xiàng)目思維理論（10%）按回答準(zhǔn)確性和理解程度評(píng)分。案例分析與設(shè)計(jì)（20%），案例解讀（10%）和項(xiàng)目設(shè)計(jì)（10%）根據(jù)分析全面性和設(shè)計(jì)合理性打分，以此激勵(lì)學(xué)生參與，提升能力。表1是更詳細(xì)的關(guān)于“以競(jìng)賽項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課程內(nèi)容優(yōu)化”在平時(shí)成績(jī)和考試中的運(yùn)用及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

（二）將競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)融入教學(xué)評(píng)價(jià)體系

為了進(jìn)一步強(qiáng)化大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽對(duì)于嵌入式課程教學(xué)的指導(dǎo)作用，建議將比賽的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)納入教學(xué)評(píng)估體系之中。在衡量學(xué)生學(xué)習(xí)成效時(shí)，除了傳統(tǒng)的考試分?jǐn)?shù)和平日作業(yè)成績(jī)外，還應(yīng)增加對(duì)他們?cè)诟?jìng)賽中表現(xiàn)情況的考量。以下是多元化評(píng)價(jià)機(jī)制在平時(shí)成績(jī)和考試中的運(yùn)用。

1.教師評(píng)價(jià)（50%）

（1）平時(shí)表現(xiàn)（20%）

（2）課堂參與（10分）：積極參與課程實(shí)踐相關(guān)的課堂討論、提問和回答，每次積極參與可得2～3分，根據(jù)參與頻率和質(zhì)量評(píng)分。

（3）作業(yè)完成（10分）：按時(shí)、高質(zhì)量完成與課程實(shí)踐相關(guān)的作業(yè)，包括預(yù)習(xí)作業(yè)、案例分析等，每次作業(yè)根據(jù)完成情況給予1～5分。

（4）項(xiàng)目指導(dǎo)（30%）：在課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐項(xiàng)目中，教師根據(jù)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的表現(xiàn)、對(duì)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)、技術(shù)掌握程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)，滿分30分。

2.競(jìng)賽裁判評(píng)價(jià)（30%）

當(dāng)課程實(shí)踐項(xiàng)目與競(jìng)賽相關(guān)聯(lián)時(shí)，邀請(qǐng)競(jìng)賽裁判根據(jù)競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括項(xiàng)目展示效果、創(chuàng)新性、技術(shù)水平等，滿分30分。

3.小組成員互評(píng)（20%）

在團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目中，小組成員相互評(píng)價(jià)彼此的合作能力、任務(wù)完成情況等。如表2所示，評(píng)價(jià)分為優(yōu)秀（16～20分）、良好（12～15分）、合格（8～11分）、較差（0～7分）四個(gè)等級(jí)。

（三）依托競(jìng)賽平臺(tái)創(chuàng)新教學(xué)方法

通過利用大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽平臺(tái)，我們對(duì)嵌入式課程的教學(xué)方法進(jìn)行了革新。采取以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的教學(xué)策略，將競(jìng)賽中的具體任務(wù)作為學(xué)習(xí)載體，使學(xué)生能夠在執(zhí)行項(xiàng)目的過程中掌握相關(guān)知識(shí)與技能。在此過程中，教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)者與協(xié)調(diào)者，他們將班級(jí)成員分組，每組負(fù)責(zé)競(jìng)賽項(xiàng)目的特定部分［4］。學(xué)生們需要自行搜集信息、探討解決方案并通過團(tuán)隊(duì)合作來達(dá)成目標(biāo)；而教師則定期提供反饋和支持，幫助解決實(shí)際操作中遇到的難題。此外，還引入了翻轉(zhuǎn)課堂的概念，把與比賽相關(guān)的理論內(nèi)容轉(zhuǎn)化為易于理解的學(xué)習(xí)材料，如視頻等，鼓勵(lì)學(xué)生在課前自學(xué)，而在課堂上更多地專注于分享進(jìn)展、討論挑戰(zhàn)及交換心得。同時(shí)，也充分利用該競(jìng)賽平臺(tái)促進(jìn)線上線下的教學(xué)活動(dòng)融合，比如建立在線論壇和社群空間，便于參賽者之間的溝通與協(xié)作，這不僅有助于拓寬學(xué)生的視野，也能激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

（四）借助競(jìng)賽資源加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽為高校嵌入式課程師資力量的建設(shè)提供了寶貴的資源。建議學(xué)校積極促進(jìn)教師參與此類賽事的指導(dǎo)工作，這不僅有助于他們深入了解行業(yè)的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，還能在實(shí)際項(xiàng)目中積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，從而提升自身的專業(yè)技能和實(shí)踐能力。此外，通過組織相關(guān)培訓(xùn)與研討會(huì)，并邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家及競(jìng)賽評(píng)審員進(jìn)行分享交流，教師可以及時(shí)掌握最新的競(jìng)賽規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)前沿信息，進(jìn)而更新他們的教學(xué)理念和方法。同時(shí)，利用競(jìng)賽平臺(tái)加強(qiáng)與企業(yè)之間的合作，安排教師到企業(yè)掛職鍛煉或直接參與到企業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)中去，以便更好地理解企業(yè)需求以及對(duì)人才的具體要求，這對(duì)于改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法具有重要意義［5］。將競(jìng)賽中的項(xiàng)目案例以及企業(yè)實(shí)際案例融入課堂教學(xué)之中，能夠極大地豐富教育資源，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

綜上所述，大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐競(jìng)賽為嵌入式課程的教學(xué)注入了新的動(dòng)力和生機(jī)。通過以競(jìng)賽項(xiàng)目為導(dǎo)向優(yōu)化課程內(nèi)容、將競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)納入教學(xué)評(píng)估體系、利用競(jìng)賽平臺(tái)創(chuàng)新教學(xué)方式以及借助競(jìng)賽資源加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)等措施，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與實(shí)際操作的緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力。展望未來，在教學(xué)過程中持續(xù)深化這種融合，不僅有助于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)，還將促進(jìn)該行業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，從而為社會(huì)的科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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項(xiàng)目：本文系西安交通工程學(xué)院2023年校級(jí)教育教學(xué)改革研究：大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)綜合技能競(jìng)賽改革的研究與實(shí)踐（XJY232030）研究成果

作者簡(jiǎn)介：黃艷（1978— ），女，漢族，江蘇泰興人，本科，副教授，研究方向：大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)以及計(jì)算機(jī)方面的學(xué)習(xí)和研究。