基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革

方纯洁，赖小波，王　波

浙江中医药大学医学技术学院，杭州　310053



基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革

方纯洁，赖小波，王波

浙江中医药大学医学技术学院，杭州310053

【摘要】：为提高学生在嵌入式系统领域的分析、设计和实现能力，该教学改革按照嵌入式系统的知识体系和物联网驱动的特点，以嵌入式系统的软硬件结构为主线，从课程体系与教学计划、理论教学方法和内容、实践教学方法及开放实验室等教学和实践环节入手，根据学生的学习和思维特点设定教学方案和实践案例，尤其注重在实践过程中对案例的理解和在此基础上的重新设计。经过一个学期的教改实践后，该课程教学改革效果明显，具有研究和推广意义。

【关键词】：教学改革；物联网；嵌入式

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604036

物联网技术是下一代互联网，也是最贴近人们实际生活的智能技术之一。随着物联网的普及，人们的日常生活必然会有翻天覆地的变化，同样也会带来巨大的经济和社会效益，因此物联网产业已经成为各个国家重点扶植的新型产业［1］。“嵌入式系统”课程是自动化和计算机专业的核心课程之一，也是物联网技术的重要基础性支撑技术，因此该课程在物联网产业发展中会发挥越来越大的作用，每个学校都应该在该产业发展的过程中适当提高该课程在教学计划中的比重［2-4］。浙江中医药大学为了适应现在计算机专业人才培养要求，进行了基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革与实践探索，为嵌入式系统的教学和实践内容注入了新鲜血液。

1　研究背景及意义

由于原先的嵌入式系统课程是根据一般性的嵌入式设备专门定制的课程，在目前物联网快速发展的大背景下已经显得不合时宜，主要表现在：

1.1缺乏对学生嵌入式系统创新意识的培养

物联网本质属性与互联网是一致的，就是强调在基础环境上的不断自我创新和发展，而原有课程都比较偏重于理论教学，与其他计算机基础课程混在一起。在长期的教学实践过程中发现很多学生会把该课程与计算机组成原理、接口技术、汇编语言等课程混淆起来，导致无法理解嵌入式系统的真正含义，更谈不上创新［5-7］。

1.2实践教学课时不足，动手能力培养效果欠佳

由于嵌入式系统课程过于注重理论教学，导致实践教学课时不足。一般来说理论和实践教学的比例至少是一比一，但是目前大多数学校实践教学小于这个比例，对学生实际动手能力的培养有所欠缺，主要是学生根据实验教学手册的描述对实践案例进行模仿，属于验证性实验学习，而对于设计性实验则完全不适应。因此，除了加大实践性教学课时外还应从实验内容着手，加大学生自主设计的内容，不断培养学生分析问题和解决问题的能力。

1.3该校嵌入式系统方向介绍

目前，浙江中医药大学医学信息工程专业和计算机科学与技术专业已经开设了嵌入式系统方向和网络方向。嵌入式系统设计方向已经开设了数年，取得了较好的效果，初步形成了具有该院特色的课程体系、教学计划、培养方案和教学模式。但是，嵌入式系统方向的发展日新月异，我们经过多方调研和分析，结合目前企业对人才的需求情况和社会科技的发展，嵌入式系统方向的教学仍需要进一步改革和完善。

所以，该研究力图在学校医学信息工程和计算机专业的实践教学基础上，进一步总结嵌入式系统的教学方式，拓宽改革思路，结合目前物联网发展的最新技术来改造该课程的理论教学和实践教学，同时也加大对于学校服务社会和毕业设计等方面嵌入式系统课程的建设力度。在这些改革措施基础上，着重加强对学生创新思维的培养，使学生既掌握嵌入式系统的设计知识，又能在以后物联网发展过程中不断自我创新。因此，改革对于浙江中医药大学嵌入式系统教学和物联网学科建设都有积极的促进作用。

2　课程教学方法改革

随着物联网的不断发展，其包含的各种技术也不断扩大，包括Internet本身骨干网、无线接入技术、硬件驱动技术、网络带宽技术等各种软硬件产品［8］。尤其是根据互联网的发展经验，当物联网发展到一定阶段，硬件产品的成本在整个系统中的成本会不断下降，之后便是软件的繁荣，因此有必要对嵌入式系统的整个课程体系和与之相关的实践设计和开发等重要环节进行重新梳理。下面就从主要的三个方面进行探索。

2.1课程体系和教学计划

为适应应用型嵌入式人才培养的需要，结合目前企业对嵌入式人才素质和能力的要求，针对浙江中医药大学医学技术学院学生的特点和培养目标，对医学信息工程专业和计算机科学与技术专业嵌入式方向的课程体系进行调整和改革，在已开设课程体系的基础上进行结构化的调整，并将国内权威的认证知识体系纳入到课程中，按照现代教育思想基础上的培养模式，制定新的符合当代教育思想和符合应用型人才培养目标的教学计划，如图1所示。

图1　基于物联网驱动的嵌入式系统课程体系

2.2理论教学方法和内容

对医学信息工程专业和计算机科学与技术专业嵌入式方向专业课程的理论教学进行改革，改变过去“填鸭式”的教师主动讲、学生被动接受的教学模式，即应用项目启发式教学和团队学习模式。理论课程根据一个实际项目为主线对知识点进行讲解，并让每个团队的学生自主选择一个项目并根据课程的进度进行项目的分析和开发，从而达到深入理解教学内容的目的。同时，让学生进行项目的讨论和讲解，而让其他项目团队的学生进行提问，充分调动学生的学习积极性并引导学生主动学习，如表1所示。

表1　主要课程教学理论教学信息

2.3实践教学方法

对医学信息工程专业和计算机科学与技术专业嵌入式方向的实验教学进行改革，将重要课程的课内实验分立成单独的实践课程，小班化授课。针对嵌入式方向的专业课程开设实践课程和实训课程。其中，将实践课程进行拆分，与理论课程的知识点同步进行。

该教学改革项目针对以上改革措施，制定了如下实验教学平台和方式：

嵌入式平台选择目前非常流行的SmartARM2200开发平台，这个平台的特点是通用性高，接口丰富，使用软件较多，驱动也较全，是以后理论联系实际开发的重要教学平台［9］。

平台根据物联网的发展和变化，除了提供目前主流的接口，如RS232和GPIO，等，还提供了局域网接口、全球定位系统接口（GPS）、总结接口，等。另外，根据视频要求的特点，还加入了HD视频接口卡，其他视频接入口，能满足显示精细的要求［10-12］。

对于实践教学过程，遵循由易到难、由浅入深的原则，设计了基础性实验、综合性实验和创新性实验三个阶段：基础性实验主要学习嵌入式系统开发环境的建立、简单的输入输出和数据读写；综合性实验主要学习嵌入式操作系统的移植、多任务程序的开发、网络协议和编程等具有一定综合性开发难度的案例；创新性实验则包括嵌入式中间件应用、GPS数据采集与处理、物联网硬件设计，等［13-14］，这个阶段与上两个阶段在组织形式上有所不同，主要是以兴趣小组或者毕业设计的课题形式进行实践开发，如表2所示。

对于实践环节的教学评价方法主要有以下措施：

①定期与不定期检查相结合。定期、不定期地对实践教学活动进行检查，并填写《实践教学检查考核表》，由实践教学指导教师负责组织进行。

表2　基于物联网驱动的嵌入式系统实验层次化设计

②教师根据教学内容布置作品小论文，由学生课外完成，一周后交给任课教师批阅，任课教师根据学生论文的撰写情况给予评分。

③学生座谈和问卷调查相结合。组织召开学生座谈会，了解学生对实践教学的意见和建议，并对参加实验课的学生进行问卷调查，由学生直接对指导教师的工作进行评价。

2.4开放实验室管理

对该校的医学信息工程专业和计算机科学与技术专业嵌入式方向的实验室管理方式进行改革。原先的管理方式是以专业班级为单位进行教学，而随着创新性教学改革的深入进行，以兴趣小组出现的组织形式已经不适合班级管理方式。因此，应让一部分有兴趣的学生在其他时间也可以进入实验室开发项目，同时鼓励学科交叉，协作开发同一课题或项目，如机器人大赛项目，等，并安排专业教师进行指导。

在案例教学和实践过程中，可以模拟实际项目的开发模式，分模块、分设备组织学生，设置各种开发角色，设置有系统分析员、程序员和硬件开发小组。比如：组织学生参与研究某教师课题的子课题—“数据采集与处理”系统，在这个系统中需要各个开发单元相互配合，如图2所示。数据采集可以通过无线数据收发模块进行，也可以通过以太网接口进行，将这些接口输入的数据打包成UDP包，再通过接口发送出去［15-16］。在这个过程中需要多个模块的相互配合，可以将学生依据这些模块划分成若干小组，然后由系统分析员共同把这些模块连接起来，这样就在实践中学习如何相互配合来进行开发。

图2　物联网网关硬件结构图

3　总结

经过1年的实践，通过课堂随机发放问卷调查（共发放60份，实际回收55份，回收率91.67%，问卷有效）：90.91%的学生认为教学内容较丰富，能完整覆盖课程目标的基本要求；92.73%的学生认为教学形式新颖，有利用激发学习热情；90.91%的学生认为实践教学能增强学生动手能力；94.55%的学生认为开放实验室有利于理论知识的消化和实践运用；89.09%的学生认为课程改革有效果，应该继续实行该教学模式。

基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革与实践，主要目的是使学生在模拟真实的开发环境中学习嵌入式系统基本的开发过程，在此基础上进行创新性项目的实践。该研究按照嵌入式系统的知识体系，根据物联网体系的特点，以嵌入式系统的软硬件结构为主线，从课程体系和教学计划、理论教学方法和内容、实践教学方法及开放实验室管理等各个环节入手，使学生由浅入深地学习嵌入式系统开发的各个阶段，同时着重在实践过程中培养学生的动手能力，同时也应该注意到物联网是一个庞大的系统工程，所用技术千差万别，不可能将其中的所有技术都完全掌握。因此，嵌入式系统教学必须突出重点，同时也应注意对学生基本理论掌握和基本设计能力的培养。另外，该项目还特别强调了创新性思维的锻炼，使学生在嵌入式系统开发过程中不断开拓思路，具有正确的思考方向和开发技能。

参考文献

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【中图分类号】：G642.0

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）04-0492-04

基金项目：浙江省高等教育学会实验室工作研究项目“基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革”（YB201417）；浙江中医药大学校级教育教学改革项目“基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革”（12034）

收稿日期：2016-01-13

作者简介：方纯洁（1981-），男，浙江慈溪人，实验师，硕士，主要研究方向：嵌入式系统的研发。

通信作者：赖小波（1981-），男，江西赣州人，副教授，博士，主要研究方向：中医药信息学。电话：0571-86613669；E-mail：shopo@zcmu.edu.cn

Embedded systematic educational reform driven by Internet of things

Fang Chunjie，Lai Xiaobo，Wang Bo
College of Technology，Zhejiang Chinese Medical University，Hangzhou 310053，China

【Abstract】：In order to improve students'abilities of analysis，design and implementation in the field of embedded system，according to the knowledge system of the embedded system and characteristics of Internet of things drive，this paper，by taking the software and hardware structures of the embedded system as the main line，first introduces the teaching and practice of curriculum and teaching plan，theory teaching method and content，practice teaching method and open laboratory.Then according to students'characteristics in learning and thinking，we set up teaching scheme and practice cases，paying special attention to the understanding of cases during practice and redesigning on this basis.After onesemester teaching reform，the teaching reform effect of this course is obvious，which is of significance in researching and popularization.

【Key words】：teaching reform；Internet of things；embedded system