物联网工程专业单片机实践教学设计

张秋云，郭秋梅

（西南科技大学 信息学院，四川 绵阳 621010）

0 引 言

物联网是一门新型应用型学科，由计算机科学与技术、通信工程等多学科相互交叉、渗透、融合发展而来，人才培养的过程中重点突出实践能力和应用创新能力的培养[1-2]。物联网专业作为国家倡导的新兴战略性产业，被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》和2050年国家信息产业路线图，已成为就业前景广阔的热门领域[3]。随着5G时代的到来，万物互联将成为现实，行业对物联网专业人才的需求将越来越大，同时对人才的要求也将不断提高。物联网可分为感知层、网络层、数据处理层和应用层，涉及传感、通信、网络以及RFID、嵌入式系统等多种技术[4]。由于本科阶段的物联网专业的学生难以深入全面掌握这类知识，因此对该阶段学生的培养应找准专业方向，以夯实基础、增加实践与应用能力为主。

当前我国物联网产业应用已经进入高速发展阶段，各种物联网产品不断投入市场，而作为物联网产业的关键底层技术—单片机，更是迎来了又一次发展的机遇[5-6]。单片机是物联网专业实践性较强的课程之一，是多门课程的综合应用，若课程实践环节设置脱离专业背景以及行业需求，学生的培养将难以达到专业培养目标，满足行业对学生能力的需求[7]。当前各高校物联网专业的建设还属于初期探索阶段，专业性的教师比较欠缺，专业培养计划、课程体系、知识架构还不够完善[8]。就单片机课程而言，我校物联网单片机实验课程与其他专业统一开展，实验内容尚未考虑物联网专业应用特色，不利于物联网专业学生的培养。

本文基于我校单片机课程现状，通过对物联网专业单片机实验的研究与设计，使得学生在实践中学会思考，学会发现问题、解决问题，锻炼动手实践能力，增强自信心，提高学习积极性。实验设计结合教师项目，丰富实验内容，激发学生学习兴趣，改变实验形式分层次进行实践操作。通过引入教师科研项目提高学生学习兴趣，培养学生的实际操作技能、综合应用能力和团队精神，为学生就业奠定一定专业基础。

1 实践教学设计

单片机作为物联网感知层的关键技术之一，被广泛运用到各类感知层设备的开发设计以实现对现实物理世界信号的采集与汇聚，其地位在物联网行业不言而喻。单片机作为我校物联网专业一门专业核心课程，应紧紧围绕行业发展及需求展开教学。该课程具有较强的实践性和应用性，通过学习该课程学生可以熟悉单片机基础资源，掌握单片机控制程序编写方法，为后续物联网应用课程学习以及未来工作打下坚实的基础。本文基于物联网专业进行单片机实践教学研究设计，重点突出培养学生运用所学知识和技能解决实际问题的综合应用能力，提升物联网专业学生在就业过程中的竞争力。紧跟物联网发展趋势，结合社会企业对物联网人才的需求进行单片机课程实验设计。

1.1 研究思路

面向我校物联网专业的单片机实验教学采用层次化设计，主要由以下三个层次组成。

（1）基础实验

该层次实验是三个层次的关键部分，不仅是后续实验，更是其他相关课程的重要基础。在该部分实验中主要以熟悉单片机资源应用的基础性实验为主，按单片机内部资源进行实验设计，重点加强我校物联网专业学生对单片机基础知识和基本资源的理解与运用。

（2）综合实验

综合实验重在锻炼学生分析问题、解决问题以及综合运用能力，充分发挥学生主观能动性，在该层次的实验训练中主要基于单片机资源进行综合设计与运用。

（3）创新实验

创新实验则注重学生运用知识进行实际工程设计开发、团队协作、创新创意能力，该部分实验以开放式项目为驱动，以小组为单位进行。在开发项目的过程中以学生为中心，在实践中学习提高。该层次实验紧跟企业项目和老师科研，适时进行调整，以适应物联网行业的发展与变化。

1.2 研究内容

本项目进行相关研究设计时，注重物联网专业与课程特点及实践教学自身的规律，按照层次化、差异化设计思路，优化设计物联网专业单片机实验，使之符合我校物联网专业人才培养目标，满足行业对物联网专业人才的基本需求。在进行实验设计过程中紧密结合行业需求，培养应用能力和创新能力。主要的研究内容如下。

（1）物联网专业单片机课程实验结构

物联网专业单片机课程实验的设计，一方面需要覆盖课程基础知识，强化学生对基本理论的认识与理解；另一方面更要体现层次化、多样化，培养学生工程思维，提升学生分析解决问题、应用创新等多维度能力。基于我校现有单片机实验室与硬件资源，充分发挥实验平台优势，为学生提供更多的训练机会，激发学生自主学习意识。

（2）物联网专业特色单片机课程实验形式

课程实验是锻炼学生实践动手能力、分析解决问题能力、提高综合能力的关键环节。因此，课程实验教学设计的关键在于如何提高学生对单片机的学习兴趣，使学生真正从实验中提升能力。物联网单片机实验设计不仅要实现学生能力的提升，在实验中更应注重对学生的吸引，不能让实验成为学生的负担，应让学生积极主动参与实验。

（3）实验教学内容

专业的不同在教学内容上的侧重点也应有所划分和区别，物联网专业对学生培养的目标是使学生成为掌握传感、通信、网络等技术，具备宽广的专业知识的高级工程技术应用人才。实验教学作为培养学生掌握与运用物联网相关理论、方法和技能的关键环节，其教学内容应紧跟行业发展适时变化。单片机作为物联网专业关键课程，其实验内容设计应以上述目标为指导，通过实验训练达到培养学生实践能力、工程应用能力以及创新能力，掌握相关理论知识的目的。

1.3 研究方法

本项目从单片机课程实验结构、形式、内容等方面入手，充分结合教师科研项目资源，紧跟物联网行业发展，完成对具有物联网专业特色的单片机课程实践教学研究与设计，以达到培养具备扎实技术基础物联网专业人才的目标。物联网专业单片机课程实践教学设计采取循序渐进原则，结合科研项目丰富实验内容，发挥学生创造性，改变实验形式，从感性到理性、从基础到提升，逐层递进实现学生对理论知识的理解与运用的融会贯通。项目所设计课程实验主要由基础实验、综合实验和创新实验等三个层次构成。

（1）基础实验

该层次主要加深学生对单片机原理及应用课程基础知识的认识和理解。按照单片机资源进行简单实验内容设计，通过实验掌握单片机资源的使用，熟悉开发环境，学习简单的设计方法，同时建立学生学习单片机课程的自信心。

（2）综合实验

该层次实验将重点培养学生对所学知识的综合应用和工程设计能力，将典型的实验内容进行综合并适当地加以变化。学生根据设计要求在任务书的指导下独立设计并完成实验内容，使其获得自豪感与成就感，进一步培养、提升学生对单片机课程的学习兴趣。

（3）创新实验

该层次实验将以教师相关科研项目为依托，以实际工程项目为实验内容，发挥学生创新创造意识，让学生以单片机为平台，以团队协作的方式进行相应方案的设计并解决项目问题，完成实验内容。在此过程中，以学生为主体，教师为辅助，充分发挥实际项目可参与性和真实感的优势，锻炼学生项目管理能力，培养团队协作的精神。

1.4 创新点

（1）分层次实验设计

进行物联网专业单片机实验设计时应遵循由易到难、由浅入深的原则，逐步建立学生学习掌握单片机课程知识、运用单片机进行设计开发的持续自信心。通过三个层次实验的优化设计，让学生完成从基础实验到综合实验再到创新实验等三个不同深度的训练，加强知识理解与运用，锻炼学生单片机应用系统开发能力，稳步实现学生全方位能力的提升。

（2）突破传统的实验形式

传统实验对每次实验内容做了严格的规定，目前我校单片机实验并未按专业划分，不具有专业特色，且所有实验都拘泥于实验室。本项目突破上述实验形式，根据物联网专业特点进行实验内容设计，同时实验内容的完成在不同阶段要求也不完全相同，相比我校现有实验形式更加灵活多变，可以发挥学生的创新创造意识，发展创新应用能力。

（3）丰富实验内容

伴随着社会与技术不断变革与发展，对人才的需求也随之改变。目前我校物联网专业正处于探索阶段，根据社会对物联网人才的要求，在人才培养过程中同样需要进行变革。项目成员均具有丰富的项目经验，与部分从事物联网相关企业保持合作关系。本项目依托这些资源不断丰富实验内容，让实验内容更贴近实际需求，调动学生积极性，提高学习兴趣。

2 结 语

本项目以我校物联网工程专业单片机原理与应用课程实验为研究设计对象，结合社会对物联网人才的要求进行层次化实验设计，拟解决以下关键问题。

（1）创新实验内容，培养并提高物联网专业学生对单片机课程的学习兴趣。兴趣是学习最好的动力，本项目在实验设计中，突破传统实验内容设计，在现有的基础上结合企业和教师的项目，提出一些新的设计任务要求，激发学生学习和设计热情。在条件允许的情况下放开实验内容，由学生结合自身情况自主设计并完成实验。

（2）丰富实验内容，提升物联网专业学生专业技能。传统单片机实验主要集中对单片机资源使用部分，物联网更多需要解决理论联系实际的问题。单片机实验教学过程中顺应时代发展，跟踪新的设计方法、新的开发手段，注重学生专业技能的培养。本项目根据社会发展、企业需求，丰富具有物联网特色的实验内容，让学生能够通过实验在工程应用能力上得到训练和培养，进而提高学生专业技能。

（3）改变实验形式，培养学生创新能力。项目成员通过承担科研项目，积累丰富的工程实践经验，并注重将科研成果和经验融于教学，部分成果已转化为教学资源，促进了教学水平的提高。充分发挥教师科研项目资源，使学生深入了解社会需求、体验工程项目研究设计过程，树立一定工程意识，发挥学生创新意识，提高创新能力。