自制嵌入式与物联网教学仪器对高职院校教科研的促进作用

蒋建武 杨绚渊 段艳艳

[摘 要] 自制教学仪器是高职院校理工类学科适应专业知识体系结构更新升级变化快的特点而快速更新教学设备的一种有效方式。分析了自制仪器对嵌入式与物联网专业教学与教师科研的双向促进作用，总结了嵌入式与物联网专业自制仪器过程中取得的成果，提出了教学仪器升级改造、科研案例教学仪器化转化以及特殊教学设备专项自主研发三种自制教学仪器的研制方法。

[关 键 词] 高职院校；嵌入式与物联网；自制教学仪器

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）24-0102-02

高职类嵌入式和物联网专业是融合了電子信息和计算机两个专业的复合型学科，具有学科技术发展快、专业知识更新快、教学内容变化快等特点，这对本专业的教学内容提出了要具有更高适应性的要求[1]。教学内容随着技术的进步要不断地更新，作为支撑实训教学课程的教学仪器也必须随着教学内容的更新而不断升级。传统外购式教学仪器存在更新周期长、升级成本高、维护难度大等特点，很难满足本专业知识体系更新变化发展的需要[2]，因而适当地进行自制仪器的开发对高职类嵌入式与物联专业的教学与科研都具有极强的促进作用。

一、自制仪器对专业教学的促进作用

嵌入式与物联网专业中包含了众多对实践动手能力要求较高的专业课程，如电子电路设计、单片机应用技术、无线传感网络技术等，这些课程都需要大量的实验仪器支撑其实验实训课程。传统外购的教学仪器固化了教学内容，长期的单一内容教学束缚了授课教师的创造性，不利于专业教学能力的提升[3]。自制仪器开发对授课教师提出了新的挑战，使其必须更深入全面地理解教学内容，因而利用自制仪器开展教学时也更加得心应手，对专业教学也具有更大的促进作用。

（一）自制仪器促进授课教师对教学内容的理解与更新

教学内容的选取是课程建设的重要组成部分，授课教师对教学内容的熟练程度直接影响其教学效果。利用外购的教学仪器开展教学时，授课教师被动地去理解成品的教学仪器中所包含的教学资源，在此框架下完成教学任务，教师很难产生新的思路与想法，进行创造型的教学改革。用自制仪器开展教学对授课教师提出的要求更高，对教学内容理解要更加深刻。以单片机应用技术课程为例，利用成品的单片机实验箱或实验套件，授课教师因为不需要了解实验仪器电路板的制作过程，所以对单片机最小系统的布线、芯片电源滤波电容位置摆放、晶振电路必须尽量靠近芯片放置等问题都难以有直观的感受，而自制仪器必须经过多版电路的调整后才能最终定版，所以对这些问题都会有切身的体会。在自制教学仪器的使用中会不断地发现一些新的问题，授课教师在学习了新的知识后也会对仪器设计有新的思路，由此实现对自制仪器的升级改造，在不断解决问题的过程中授课教师的问题处理能力也同时得到了锻炼。

（二）自制仪器促进学生实践操作技能的提升

由于自制仪器为教师团队自主开发，在仪器研发的过程中可以充分考虑人才培养的要求，将能力目标更好地融入仪器设计之中，使自制仪器具有更好的易用性、针对性和开放性[4]。本专业非常强调学生实践操作能力的培养，很多外购仪器由于具有太强的封装性，使学生在教学过程中的可操作性大大降低，仅能在设定好的条件下完成一些原理性的学习，这对学生实践操作能力的培养非常不利。例如，在传统的电子电路设计课程中使用的机柜式实验台，将所有的电路均固化设计，学生只要按照要求连线即可，学生可以学习理解原理，但是很难自主设计。因而我们摒弃了传统的实验柜，设计了多功能电子电路设计套件，教学过程中由学生先用计算机软件仿真设计电路，然后在设计套件上搭建焊接实际电路验证仿真结果。整个教学过程中学生自主操作设计的要求更多，不仅局限于理解原理，更要将其实际应用，由此不断加强实践操作技能的培养[5，6]。

二、自制仪器与教师科研的双向促进作用

当前在高校教师的考核体系中科研占了很大的比重，然而与本科院校的教师相比高职类院校的教师在科研上处于天然的弱势，缺乏良好的科研氛围，没有良好的项目支撑，这些都制约了高职教师科研能力的提升。对大部分出校门毕业，直接进校门工作的教师来说，自制教学仪器是锻炼自身科研能力的良好手段。

（一）自制仪器促进教师自主科研能力提升

嵌入式与物联网专业方向使用的教学仪器就是一个实际可用的嵌入式产品，教学仪器的自制研发过程就是一个电子产品项目的完整研发过程，包含了需求分析、整体设计、硬件设计、硬件布板、硬件调试、软件设计与编码和软硬件联调等。与公司开发的产品相比，教学仪器具有开发难度更小、性能要求更低、设计周期更长并且错误容忍性更高等特点，这些特点为高校教师自主研发教学仪器提供了可能。在整个研发过程中，教师可以将以前在学校所学的知识融会贯通、二次理解升华，了解产品开发通用流程；通过多轮教学过程的使用，使研发教师了解产品日常运行维护的方法以及后期升级的方法。这些从研发开始，到运行维护以及升级改造的锻炼可以切实提升教师的科研能力，遇到校内外其他纵横向项目时，将会拥有接项目的底气以及完成项目的能力。

（二）教师科研能力提高进一步促进自制仪器的研发与改造

教师科研能力提升后，将会获得更多的承接校内外纵横向项目的机会，这些纵横向项目一方面使教师的科研能力进一步提升，同时在完成这些纵横向项目时将会对专业自制仪器的研发以及升级改造提供广阔的设计思路、丰富的项目素材。笔者在完成无线呼救器救援指挥系统、医疗物联网通用网关、空气净化器智能改造等纵横向项目后，自制了基于无线呼救器救援指挥系统的智能电子产品开发套件，基于医疗物联网通用网关的智慧医疗开发套件，基于空气净化器智能改造的物联网组网系统开发套件，这些自制套件仪器的开发强力提升了本专业人才培养的质量。

三、自制仪器的几种研制方式

自制仪器的研发根据开发的形式不同可分为对现有教学仪器的升级改造、对科研案例进行教学仪器化转化以及以教学为目的的自主研发三种不同的形式。

（一）对现用教学仪器升级改造

嵌入式与物联网专业技术更新快，很多教学仪器在使用过程中很快就落后于知识更新的步伐，直接淘汰掉比较可惜，立即购买新设备不现实也不经济，对于此类仪器偏向于自力更生，升级改造。典型的设备是单片机应用技术课程中使用的实验箱，由于单片机技术发展较快，芯片内核、时钟频率、Flash大小、ADC采集位數等各方面性能都在不断的发展变化，为了追赶芯片的更新步伐而不断地购买新设备的措施非常不合理，我们的解决思路是实现主控板与扩展板分离、定期更换核心芯片的最小系统用以适应主控芯片的更新升级，从8位芯片到16位芯片，再到32位Arm核芯片，由此延长了设备使用寿命，节约了资金，同时也锻炼了教师。

（二）对科研案例进行教学仪器化转化

实际的科研案例用于教学能极大地提升教学内容的真实性，激发学生的学习热情。但很多教学案例不能直接作为教学项目来使用，这就需要对其进行教学仪器化或教学案例化改造，用以适应教学过程的使用。笔者在完成消防用的无线呼救器救援指挥系统的横向项目的开发后将其进行了教学仪器化改造，实际产品中使用了大量的0603封装的贴片电阻电容元件，实际生产时均使用贴片机直接焊接，但在教学中要求学生必须手工焊接，因而在改造过程中将其换成了直插式的封装结构。

（三）以教学为目的的自主研发

在新兴热门专业建设中通常会碰到一些想用但是又买不到的教学设备仪器，这就要求教师能够按照教学目的选取教学内容自主研发教学仪器。此类仪器没有现成的产品作参考，开发难度大、对研发者的要求较高，此类开发建议与第三方进行校企合作共同开发。无线传感器网络技术是嵌入式与物联网专业方向的专业核心课程，无线组网模块是该课程的核心内容，其所需的无线传感芯片存在体积小、布线难、EMC与EMI要求高等特点，因而在进行这部分教学仪器自制过程时与苏州华祥科技有限公司进行了合作，在该公司设计的核心KW01无线传感控制模块基础上进行了二次开发，由此规避了核心无线控制芯片布板复杂的难题，提高了自制仪器研制的周期，节约了研发成本。

自制教学仪器作为嵌入式与物联网方向教学的重要组成部分，其研制过程加深了专业教师对教学内容的理解，促进了课程教学改革的深入开展。自制教学仪器打通了专业教学与科研服务的关节，双向提升了教师的教科研综合服务能力。由易到难、由浅入深地推广自制教学仪器的研发必将促进嵌入式与物联网专业方向科学持续发展。

参考文献：

[1]王长远，霍晓奎，刘琦，等.自制仪器对促进教学改革的作用[J].实验室研究与探索，2012（1）：117-118，187.

[2]许森东.自制仪器在高校实验教学中的应用研究与实践[J].中国教育技术装备，2013（6）：128-129.

[3]曾垂省，梁亦龙，舒坤贤，等.自主研制实验教学仪器设备的作用与意义[J].实验科学与技术，2010（4）：178-180.

[4]李斌，谭鹏，陈国杰，等.自制物理实验仪器的探索与实践[J].实验技术与管理，2013（6）：46-49.

[5]于兵川，吴洪特.实验教学与科研有机结合培养学生创新意识和能力[J].实验室研究与探索，2010（2）：76-77，87.

[6]胡学龙.2009全国电子信息实践教学成果评选二等奖以学生为本，打造创新能力培养平台[J].电子世界，2010（9）：30-32.