物联网应用型人才培养背景下的嵌入式系统的实践教学探讨

熊旭辉，程永山，童　强，柯宗武

(湖北师范学院 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 　435002)

物联网应用型人才培养背景下的嵌入式系统的实践教学探讨

熊旭辉，程永山，童强，柯宗武

(湖北师范学院 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002)

摘要：物联网应用型人才培养背景下的嵌入式系统实践能力培养是随着物联网专业开设而出现的一个新问题。嵌入式系统是实现物联网的感知、通知、计算与执行功能的关键技术，需要开发人员具备全面软硬件知识和综合应用开发能力。为了激发学生的学习积极性和主动性，培养学生的嵌入式系统开发实践能力和创新意识，分析了嵌入式系统开发对其实践教学的要求，对嵌入式系统的实践教学进行探讨，建立了层次型实践教学模式。实践表明，该模式可有效地提高实践能力与促进创新能力，并为学生的技术与职业发展潜力打下良好的基础。

关键词：物联网；嵌入式系统；实践能力

中图分类号：TP393.3

文献标识码：A

文章编号：1009-2714(2015)04- 0108- 04

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.021

收稿日期：2015—08—24

基金项目：2014年湖北师范学院校级教研项目(XJYB201454)、2013年湖北省高等学校省级教学研究项目(2013354)、2014年湖北省高等学校省级教学研究项目(2014367)资助

作者简介：熊旭辉(1971—)，男，副教授，主要从计算机系统结构、物联网与嵌入式系统应用研究.

物联网是“十二五”规划的战略性新兴产业之一，是信息领域新一轮发展的主要增长点。2010年教育部发布了物联网专业申报通知，至2014年3月，新增物联网专业的国内高校已达351所。湖北师范学院计算机科学与技术学院于2010年成功申办“省级战略性新兴(支柱)产业人才培养计划项目通信工程(物联网方向)”，并于2011年开始招收本科生，2013年成功申办物联网工程专业并开始招收本科生。

在物联网工程专业中，嵌入式系统课程的地位发生根本变化。嵌入式系统课程从过去计算机相关专业的介绍性选修课程变成现在物联网工程专业的基础专业性课程。究其原因，嵌入式技术是物联网应用的唯一物联源头、物联手段与物联界面，是实现感知和控制的前端平台、是实现泛在互联的设备节点、是实现服务的用户接口[1]。由此可见，嵌入式系统是物联网的关键技术之一，学生的嵌入式系统实践能力决定了物联网工程专业人才的培养成效。

嵌入式系统实践能力培养是物联网工程专业人才培养的一个难点。软、硬件技术紧密结合的嵌入式系统的内容极其广泛，实践学时有限，学校的物联网工程专业的绝大多数学生之前从未接触过嵌入式系统技术，因而实践教学难度很高。为了培养学生掌握物联网背景下的嵌入式系统实践能力，激发学习兴趣、树立信心，提高学生的竞争力和可持续发展能力，促进物联网战略性新兴(支柱)产业人才培养计划的实施，在学校的向应用技术类型高校转型发展改革的大背景下，开展嵌入式系统实践能力培养的探索是很有必要的。

1嵌入式系统实践教学的要求与问题

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，并且对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[2]。当前微电子技术的发展使得嵌入式CPU芯片具备了更强的处理能力和集成了类型更多的接口，嵌入式系统普遍替代了纯硬件方案和通用计算机方案，广泛应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域[3]。嵌入式系统具有外延宽，知识面广，综合性高和实践性强等特点，因而其实践教学远远较其它普通课程高。随着信息化，智能化，网络化的发展，特别是物联网产业的诞生与发展，需要进一步分析当前的嵌入式系统开发对其实践教学的要求。

嵌入式系统开发要求高校的嵌入式系统实践教学既要使学生具有较强的实际动手能力，还要使学生能够真正地将理论运用于具体的产品开发中的更高层次能力。嵌入式系统开发过程可划分为系统需求分析、设计、开发、集成、测试等阶段。在系统需求分析阶段，开发人员需要准确地分析描述嵌入式系统所具有的输入、输出、计算与控制等各种功能要求，并且精确地刻画出嵌入式系统的性能、成本、功耗与体积等非功能性特征。在设计阶段，开发人员运用各种软硬件原理进行嵌入式系统的总体结构设计，并划分出软硬件模块。在开发阶段，开发人员熟练地运用各种相关的软硬件理论与技术实现嵌入式系统的各个软硬件模块。在系统集成和测试阶段中，开发人员将嵌入式系统的软硬件等各个组成部分集成起来，并进行系统调试和整机测试，对发现的问题进行改进。高校的嵌入式系统实践教学并不是简单地等价于技能培训。嵌入式系统实践教学的目的是使学生针对实际应用需要设计、依据相关的软硬件原理开发出一个适合需求的专用计算机系统。社会职业培训为了迎合学生的找工作需要，一味地让学生实践，学生只是机械地进行简单的编程与调试的操作训练，只知其然不知所以然，几乎没有涉及到理论知识，导致学生的社会适应性差，知识体系自我完善能力弱，只能从事低层次的操作，而没有系统设计开发能力[4]。因此，高校的嵌入式系统实践教学不同于社会职业培训，必须使学生能够在嵌入式系统的实践学习中将理论与实践密切结合起来，从而满足市场对创新性人才的需求。

目前，我院的嵌入式系统课程是伴随物联网工程专业设置而开设的，开设时间短，积累少，缺乏专职的嵌入式系统实验指导教师。学院为了配合嵌入式系统的实践教学，先后购入了ARM11嵌入式开发板和物联网实验箱。然而，开发板和实验箱所配套的实验指导书是完全按照社会职业培训的模式进行编写的，学生只是简单按照实验指导书的案例进行验证性实验。由于实验方式机械单一，更没有与物联网应用结合起来，只能使学生得到概念性认识，大多数学生很难产生浓厚的兴趣，无法达到嵌入式系统开发所要求的理论运用能力和实际动手能力要求，更无法满足综合性和创新性的培养要求。

2嵌入式系统实践教学层次的建立

2.1　目标

国际技术教育协会定义工程设计为：系统和创造性地把科学和数学原理运用于实践[5]。因此，嵌入式系统实践教学的根本目标就是通过合适的实践教学使得学生具备系统地和创造性地将相关的软硬件理论运用到物联网环境下的嵌入式系统开发过程的能力，同时具备较熟练的开发技能。

2.2　设计原则

根据嵌入式系统开发的要求，嵌入式系统实践教学的基本设计原则如下：

1)有助于学生形成系统性的认知结构。从嵌入式系统的开发过程可以知道，运用软硬件知识去设计开发一个嵌入式系统，换言之，解决一个嵌入式系统的应用问题，其本身就是嵌入式系统的认知结构。因此，合适的嵌入式系统实践教学与嵌入式系统的认知结构是一致的，这就要求在进行嵌入式系统实践教学时，避免割裂一般性原理与具体应用的联系。

2)有意义的实践技能培养。嵌入式系统实践教学的目的就是要使学生运用相关理论实现符合实际要求的嵌入式应用，因此嵌入式系统的实践教学是以学生为中心的有意义的建构学习。这就要求在进行嵌入式系统的实践教学时要避免采用那种机械的技能培训方式，使学生建构自己关于嵌入式系统的实践能力。

3)以人为本，有利于学生的长期发展。由于嵌入式系统的知识面广和综合性强，其具体技术还在不断发展，不可能在有限的实践教学课时内使学生全部掌握所有的知识与能力，因此嵌入式系统实践教学更要注意让学生“学习如何学习”，促进学生心智的发展和潜能的发挥，避免那种一味迎合企业的短视做法。

2.3　实践教学层次设置

根据物联网工程专业的要求，经过学院教师的讨论，确定了嵌入式系统的实践教学层次。各层次之间的实验内容呈递进关系，依次为基础性实验、设计性实验、综合性实验，以及探索创新性实验。 基础性实验的目的是为了使学生了解和掌握嵌入式系统的基本目的、基本功能、基本方法和基本技能。在实践教学中，我们发现学生照搬实验设备制造商提供的实验指导书进行实验的效果极差，只追求完成实验即可，基本不知道实验目的和意义。因此，我们认为基础性实验不等同于验证性实验，在设计基础性实验时，要注意避免那种机械的实践技能训练，即基础性实验也应是一种有意义的实践学习。通过基础性实验，学生应掌握嵌入式系统开发的某一项基本技术是为了解决什么问题，其运用方法是什么，如何开展实验过程，如何观测实验结果，实验结果反映了什么问题。

设计性实验的目的是为了使学生能够运用若干项基本技术解决一个由具体应用抽象出来的问题情境的独立实践能力。通过基础性实验学习，学生一般已经知晓嵌入式系统开发的单项技术的使用方法。但是，在基础性实验阶段，学生还不具备脱离实验指导书和老师指导的独立运用能力，更不具备深入地处理问题细节的实践技能。因此，设计性实验从物联网行业的具体应用抽取出若干单项技术复合的问题情境。通过问题情境设置，使学生将之前掌握的单项技术迁移到复合的问题情境中，进而培养学生处理较复杂的问题的能力、提高学生的信心、激发学生的潜能与内在学习动机。

综合性实验的目的是培养学生的嵌入式系统开发技术与物联网工程专业的其它专业知识在实践中的综合运用能力。在基础性和设计性实验的基础上，由3~4名学生组成一个项目组，要求学生根据物联网工程的专业特点，鼓励他们发挥主体性，采用模拟电路、数字电路、计算机网络、物联网通信技术、传感器原理及应用、传感网原理及应用、RFID原理及应用与嵌入式系统等专业知识完成一个数据采集、传输、存储和处理的物联网项目。该项目可以由教师命题，或鼓励学生自行设计。在项目设计开发过程中，使学生掌握嵌入式系统项目设计开发的流程与方法，培养学生的团队精神和克服困难的意志。

探索创新性实验的目的是进一步培养学有余力的学生的创新能力。在这个实践教学阶段，由老师带领一个学生创新团队，指导他们参加大学生科研、专业或学科竞赛，或者科研项目。在老师的指导下，学生创新团队较深入地研究物联网领域中的某个关键技术或者难题，例如，大规模传感器数据采集的数据存储结构、多传感器的数据融合方法等；或者，以当前国内外的热点问题为课题，开阔学生的视野，例如，面向移动医疗的可穿戴式的低功耗嵌入式设备。值得指出的是，本阶段的重点是培养学生如何从物联网的大背景下发现、提出、分析与解决问题的能力，以及克服困难的方法与意志，从而锻炼学生的创新思维、创新实践能力，让这些钻研能力强的学生有机会发挥他们的聪明才智，而不是注重研究结果。

2.4　实践教学评价

为了检查实践教学的效果，需要对基础性、设计性、综合性和探索创新性实验进行评价。总体来说，无论是哪种类型的实验，都是重在考查实现过程，而不仅仅是实验结果。

对于基础性实验，实验指导教师检查实验中的单项技术原理的应用过程和对实验结果的分析，以及是否简洁熟练地使用单项技术原理，从中观察学生是否掌握单项技术原理的熟练程度。 对于设计性实验，实验指导教师除了要检查技术原理的应用过程和实验结果分析外，还要评估学生能不能正确地分析问题情境、是否恰当地描述了选择技术的依据，从中观察学生的分析能力和解决复杂问题的能力。

对于综合性实验，从项目的整体设计方案进行评价，包括问题的背景与意义、技术选型、总体设计、软硬件的开发(含细节)、结果分析与成果展示等几个方面。为了降低"搭便车"的现象，要求每个学生都要实现至少一项单项技术，并进行答辩，解释自己的工作。

对于探索创新性实验，由于主要是针对学有余力的学生，所以不作平时考查，而是采用特长学分机制，由物联网专业教师组成评估小组，对学生的工作进行评估，并向学院建议给予合适的学分。

2.5　实践教学的初步成效

通过对物联网专业的学生进行层次型实践教学，培养了学生的良好的实践技能，更使学生对嵌入式系统开发有一个比较完整的实践学习过程，较全面地和较深入地掌握了嵌入式系统的技术原理在物联网中的应用。特别是鼓励学生积极参加省级大学生创新创业训练计划项目、挑战杯等各项大学生科研活动，以及全国大学生物联网设计竞赛(TI杯)和"蓝桥杯"全国嵌入式设计与开发等竞赛，获得十多项国家级和省级以上团体和个人奖项，极大地培养了学生的创新能力，促进了学生的信心和兴趣。

3结语

针对物联网应用型人才培养背景下的嵌入式系统的实践教学要求，通过嵌入式系统的开发过程，建立了基础性实验、设计性实验、综合性实验和探索创新性实验的层次实践教学模式。通过基础性实验使学生熟练掌握单项技术原理的运用，通过设计性实验进一步锻炼学生的分析问题和技术选型运用能力，通过综合性实验全面锻炼了学生的项目设计开发能力，通过创新性实验锻炼了学生攻克难关的创新能力，为他们以后的工作和进一步深造打下良好的基础。

参考文献：

[1]何立民. 从嵌入式系统视角看物联网[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2010,10:5～8.

[2]俞建新,王健,宋健建. 嵌入式系统基础教程[M]. 北京: 机械工业出版社,2008.

[3]孙士明,刘新平,郑秋梅,等. 计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J]. 实验室研究与探索,2009,(05):122～125.

[4]刘立,阳小华,马家宇. 基于立体模型的嵌入式系统实训改革尝试[J]. 计算机教育,2010,(06):145～146.

[5]韩德强,张丽艳,邵温. 计算机工程专业方向嵌入式系统实践教学的探讨[J]. 实验技术与管理,2010,(03):191～193.

[6]幸靓.加强实验教学改革培养学生创新意识[J]. 教育研究,2004，(1):4～6.

The exploration of practice teaching of embedded system

in the background of IoT application-oriented talents cultivation

XIONG Xu-hui, CHENG Yong-shan, TONG Qiang, KE Zhong-wu

(The College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University, Huangshi435002, China)

Abstract：A new problem of the practice ability of embedded system is emerged in the background of IoT application-oriented talents cultivating. The embedded system is the critical technique to implement the perceptive, notified, computation and executive functions of IoT, so developers are demanded to possess a comprehensive knowledge of hardware and software and application development capabilities. In order to stimulate students' enthusiasm and initiative and develop their development practical ability and innovation of embedded system, the demands of embedded systems practice teaching was analyzed and practice teaching embedded systems are discussed, so the establishment of hierarchical practice teaching mode was established for embedded system course. Practice shows that the model can effectively improve the practical ability and promote innovation, and lay a good foundation for the development of technical and vocational potential of students.

Key words：IoT;embedded system;practice ability