嵌入式系统与设计在物联网工程专业的教学方法探索

谢盈 丁旭阳 陈建英 穆磊

摘要：本文结合物联网工程专业的特点，在对“嵌入式系统与设计”教学现状进行分析的基础上，对该门课程的教学方法和教学内容进行了补充和完善，使该课程更符合物联网工程专业的本科培养目标。

关键词：嵌入式系统与设计;物联网工程;教学方法

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）43-0131-02

随着信息技术的发展，物联网（Internet of Things，IoT）作为继互联网之后的一种新兴产业，将包括用户、设备和设施在内的各种终端通过传统互联网技术实现互连互通，以提供个性化、集成化的应用。目前，物联网产业已经以“新一代工业革命”的趋势，成为世界经济产业的基础，在生产生活中的各个重要领域都需要大量物联网工程专业的人才[1]。为了适应物联网产业发展下的人才需求，教育部已在各大高校确定了上百个物联网相关专业，以期培养更多相关人才适应产业和社会的需求。

物联网是一个交叉学科，融合了传感器技术、通信技术、RFID技术、嵌入式系统与设计技术等多个学科[2，3]。其中，嵌入式系统与设计技术是实现感知和控制必不可少的前端平台，也是物联网专业的一门重要必修课程。

目前，我院已开设了“嵌入式系统”和“嵌入式应用开发”两门课程，以培养学生具有初步的嵌入式系统软硬件开发能力。相关课程教学主要是基于MCU（如ARM处理器等）和嵌入式操作系统（如Linux等）的编程教学，教学内容与物联网工程专业结合得不够紧密，与物联网工程专业的学生培养目标存在着一定的偏差。

一、课程现状

物联网工程专业“嵌入式系统与设计”课程在教学过程中还需要在以下四个方面进行完善。

1.前导课程部分。“嵌入式系统与设计”作为一门交叉学科，对学生所应具备的基础知识提出了较高的要求，学生需要进行大量前导基础课程的学习，包括：操作系统、单片机、组成原理、C语言、电子电路学、传感器技术、网络与通信技术、RFID技术等[4-6]。在实际教学中很难保证每门前导课程的开设质量，而对于学过的课程，学生一般不愿自觉进行有针对性的复习。

2.实验实践部分。该门课程作为一门实践性强的课程，需要通过大量的、综合性的实验来提升学生的动手能力。当前该门课程的实验内容主要以ARM编程为主，不涉及传感器网络、RFID等智能终端的系统集成应用，不符合物联网专业学生的培养目标。

3.应用开发部分。在物联网应用中，嵌入式系统更依赖于具体的应用背景。目前，通信、自动化等专业以嵌入式处理器为核心，主要侧重于硬件部分的教学;计算机、软件等专业则以嵌入式操作系统为主导，更多地偏向于软件部分的教学。而对于具有学科交叉性的物联网专业的教学来说，既需要硬件部分的教学也少不了软件部分的教学。

4.前沿知识部分。随着物联网应用的推陈出新，嵌入式领域的相关知识更新很快，教师需要不断补充学科前沿知识，更新教学内容，让学生形成更完整的知识体系。目前的“嵌入式系统与设计”的教学不适应物联网专业人才的培养需求，本文对该门课程授课内容、授课思路和授课方式进行了相应的调整和补充，使该门课程更具目的性和针对性，更符合物联网工程专业的学生培养目标。

二、课程在物联网工程专业中的教学方法探索

“嵌入式系统与设计”作为物联网工程专业的重要必修课程，在实际教学中主要从课堂上的理论教学和实验课上的动手能力培养完善目前教学过程中的不足。

（一）理论教学环节

课程在理论教学中，需要在夯实学生理论知识的基础上扩展学生思维和视野。为此，在理论教学环节采取以下手段帮助学生掌握理论知识。

1.将课堂直接讲解与课后间接交互相结合。“直接讲解”主要通过传统的教师课堂授课、课后答疑、作业练习、阶段性随堂测试的方式展开。针对前导课程多，学生不愿主动复习的情况，提出了课后“间接交互”的方式。在课后，教师整理每个章节中涉及的前导知识，并以提纲的形式放到课程网站或课程微信公众号上，通过布置课后小论文、随堂抽问等形式督促学生提前有针对性地复习。再将学生分成小組，每个小组在课后轮流将本次课程的相关资料放到课程网站或课程微信公众号上，以方便其他学生查阅和指正。通过这种“间接交互”的方式可以让学生参与到讲授过程中，间接地提高了学习积极性。相关材料包括：前导知识点讲解的文档、参考书籍、参考教材、平台软件下载、教学大纲、实验大纲、课程ppt、实验指导书和范例资源等。

2.在教学过程中通过差异性对比，帮助学生理解理论知识。嵌入式系统与通用计算机系统、物联网应用与一般的网络应用都有相似和各异的地方。在授课过程中，教师应当从嵌入式系统与其他计算机系统（如桌面系统）的对比、物联网应用与一般网络应用的差异中帮助学生理解理论知识。譬如，将嵌入式交叉开发方法与学生熟悉的本地化软件开发方法进行对比，将嵌入式操作系统和普通桌面操作系统进行对比等。

3.培养学生的自学能力让学。生养成借助广泛的媒介资源去搜集、提炼、扩充知识的习惯。基于物联网背景下的嵌入式系统及设计的知识是相当丰富的，而本门课程通过“间接交互”的方式提供的课程资源和参考资料是有限的。因此，在课堂教学中老师应引导学生充分利用互联网、图书馆等资源，搜索与课程内容相关的资料，并适时在课堂上组织讨论，让学生归纳总结，以便达到举一反三、加深印象和理解难点的作用。长此以往，能培养学生养成自学的习惯。

（二）实践教学环节

物联网工程专业的“嵌入式系统与设计”课程实验环节应有物联网相关的实验内容。课程通过层次化的实验体系，从基础实验、应用实验到综合实验，促使学生循序渐进地提高动手能力，达到能力训练和启发创新的目的。其中，基础实验主要加深课程学习后对原理、方法的理解。实验内容包括：嵌入式交叉开发环境的搭建及使用、gcc/gdb/makefile的使用、I2C/UART数据读写、处理器时钟电路/复位电路设计、JTAG调试接口电路设计、外设及接口模块设计等。应用实验主要培养学生以嵌入式系统作为物联手段来实现物联网应用。实验内容包括：多任务系统开发、嵌入式GPRS通信、温度传感器的数据读写、RFID数据读写等。综合实验难度较大，主要培养学生设计和实现嵌入式系统的能力。实验内容结合物联网实验箱，包括无线路灯控制系统、学校停车场停车引导系统、室内无线定位系统等。

通过层次化的实验体系，加强了學生在物联网应用背景下的嵌入式系统的应用及设计能力。经典案例和在实践中产生的优秀案例也会放到课程网站或课程微信公众号上，以方便新生借鉴和学习。

三、总结

任何物联网应用都离不开嵌入式系统或具备联网能力的嵌入式终端。本文结合物联网工程专业的特点，在对传统的“嵌入式系统与设计”课程教学现状进行分析的基础上，对该门课程在理论教学环节和实践教学环节的教学方法和教学内容进行了补充和完善，通过从课堂到课后的互动、从教师到学生的参与、从鼓励到实际动手的过程、从单一独立的实验到层次化的实验体系使得“嵌入式系统与设计”课程更符合物联网工程专业的本科培养目标。

参考文献：

[1]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会.高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范[M].北京：机械工业出版社，2012：6-29.

[2]孙国栋，田萱，张海燕.面向物联网的“嵌入式系统”课程教学改革的探索[J].中国林业教育，2014，32（2）：69-71.

[3]宋军，王一雄，徐锋.物联网驱动下的嵌入式系统教学改革[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，（4）：1-2.

[4]周立功，王祖麟，陈明计等.ARM嵌入式系统基础教程[M].第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5]钱峰.EZ-USBFX2单片机原理、编程及应用[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[6]霍华.“嵌入式技术”课程教学方法改革[J].计算机教育，2012，（6）：48-50.

The Teaching Method Exploring of Embedded System and Design in IoT Engineering

XIE Ying1，DING Xu-yang2，CHEN Jian-ying1，MU Lei1

（1.School of Computer Science and Technology，Southwest University for Nationalities，Chengdu，Sichuan 610041，China;2.School of Computer Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 611731，China）

Abstract："Based on the features of IoT Engineering and the current teaching situation of Embedded Systems and Design"，teaching methods and contents were supplement and improved，which makesEmbedded Systems and Design" more suitable for the undergraduate teaching goal of IoT engineering.

Key words：Embedded Systems and Design;IoT Engineering;teaching methods