基于STM32教学的物联网工程专业学生知识体系构建能力的培养

陈浩广 杨亮 吕燚

摘要：本文从STM32单片机的教学入手，对物联网工程专业学生知识体系构建能力的培养方法进行了探讨。通过分析物联网工程专业的特点以及传统教学中学生构建知识体系结构时存在的问题，提出了由易到难、项目引领、就业驱动、以点带面的系统性思维培养模式，旨在提高学生构建专业知识体系的能力。

关键词：STM32、物联网工程、知识体系、系统性思维

一、引言

物联网即万物相连的网络，它是互联网的延伸与扩展，通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统等装置与技术，实时采集所需的信息并接入网络，实现物与物、物与人的泛在連接[1]。近年来，物联网技术发展日新月异，深刻地改变了人们的生活、生产方式[2-3]。物联网工程专业也因此成为高等院校的热门专业，它是一个跨学科、综合性强的应用型专业[4-5]，涉及多个理工科专业的理论和应用实践。目前，我国的高等院校多是从计算机学院、机电工程学院或者自动化学院来开设这个专业。由于该专业成立晚，基础积累与沉淀相对不足，因此，作为物联网工程专业的学生，在构建专业知识体系结构时，难免会遇到一些困惑与难度。另外，我国的应用型本科院校对学生知识体系构建能力的培养也相对较少[6]，容易导致学生“只见树叶，不见森林”的困境。为了满足社会对物联网工程专业的人才需求，有效缓解地区物联网产业专业人才稀缺的问题，本文以STM32单片机课程作为物联网工程专业教学的核心节点，提出了由易到难、项目引领、就业驱动、以点带面的系统性思维培养模式，以此帮助学生提高构建专业知识体系能力。

二、学生在传统教学中构建专业知识体系结构时存在的问题

（一）物联网工程专业的教学现状。

第一，物联网工程专业作为一个新兴的专业，基础积累与沉淀相对不足，不少学校是在电子通信、计算机、机电等专业的基础上开设这个专业，对物联网工程专业认知的深度和广度不够，缺乏系统性培养的整体观。第二，大多数应用型本科院校授课的方式过于理论化[7]，缺少工程实践应用的实例，特别是对于刚涉足物联网专业的学生来说，理论性知识太强，学习枯燥乏味，容易挫伤学生的积极性。第三，传统的实验模式缺少创新性[8]，而且相应的实验室配套设备也过于简单，不利于学生学习。一般传统的实验模式都是教师给定具体的实验题目，内容陈旧，缺少新意，且学生必须按照要求被动地完成实验，这类实验一般都是简单的传感器物联网实验，例如温湿度检测、光敏传感器检测和键盘控制电路实验等。这类实验没有体现物联网的整体框架结构，局限于某个知识点的应用，不利于学生形成完整的知识体系结构。另外，某些高校的实验设备采用的是封装实验箱，这类设备虽然易于上手，但隐藏了底层的逻辑电路原理，难以扩展创新，严重地限制了学生的创新意识，扼杀了学生的兴趣与积极性。最后，不少高校仍以知识点为教学的主要内容，授课的目标只停留在掌握知识点的本身内容，而没有从宏观层面去剖析各个知识点的内在联系，忽视对学生思维方式以及综合能力的培养，使得学生在构建专业知识体系能力较为欠缺。

（二）学生自身因素对构建专业知识体系的影响。首先，学生对物联网工程专业的认知不够，不清楚构建知识体系的重要性，不知道自己所学专业的重点、就业的方向，没有做好职业规划，甚至有些学生临近毕业还不知道要找什么类型的工作；其次，缺少主观能动性。受九年义务教育及高中教育的影响，学生养成了知识填鸭式的惯性思维，不懂得利用网络、学校图书馆等资源进行主动学习，仍采用被动填鸭接受方式获取知识；最后，学习积极性不高。由于物联网工程专业综合性和实践性较强、知识更新速度快等特点，学习门槛较高，学生在学习中难免会碰到一些困难，很容易造成学习的半途而废，对专业失去学习的信心。

三、如何培养学生构建知识体系结构

本文以STM32单片机教学为切入点，通过对该课程进行教学改革，引导学生有意识地去培养自己构建专业知识体系的能力。STM32单片机课程是一门硬件与软件相结合、工程性强、实用性高的专业课程，是物联网工程专业知识体系构建过程中的一个关键核心节点，因此，这门课程是学生构建整个专业知识体系的核心课程。首先，这门课程能巩固该专业的基础知识，如硬件原理的基本特性以及相关的软件编程语言，起到承前的作用；其次，STM32是一个32位的ARMCortex-M系列的处理器，具有兼容性高、易于掌握、实用性强等特点，是后续LINUX学习的先修课程，起到启后的作用；再次，STM32是一门实践性强的课程，学生可以通过做项目来激发自己学习的信心与兴趣。下面，本文将从四个维度来介绍如何培养学生构建知识体系结构。

（一）提出由易到难、由简单到复杂的渐进教学方案。

在STM32单片机教学中，学生一般经历三个阶段，分别为理解、实践以及创新。第一阶段为理解阶段。通过老师的理论讲授，让学生初步认识和理解单片机相关的基础知识。第二阶段是为实践阶段。学生通过对单片机软硬件原理的理解，模仿经典案例，尝试动手进行软件编程以及硬件调试，并在练习过程中巩固知识点，提高自己的编程能力。第三阶段是创新阶段。学生能熟练掌握STM32相关的知识点，综合运用所学的内容进行创新，根据实际的项目需求，进行产品功能分析，市场调研，独立自主地进行软硬件开发，并完成整个项目。任课教师在授课过程中，要注意学生对知识的理解与运用，时刻把握学生的学习情况，切记不能操之过急，否则会适得其反。

（二）提出基于项目开发为导向的实践教学方法。在STM32单片机的教学中，学生容易掌握相关的局部知识点，却难以将其与整个软硬件体系相关联，往往只理解局部，没法统筹整体，导致项目的整体开发应用能力较差。因此，在教学过程中，我们可以把一个整体的项目拆解成若干个小任务，让学生先独立地完成小任务，然后把这些小任务综合到一起，形成一个完整的项目。通过对这些小任务的训练，学生就会慢慢地摆脱枯燥，建立信心，并逐步理解这些局部知识在整个软硬件系统里面的作用。这种由小任务入手并逐渐形成一个完整项目的教学方法，能加深学生理解整个软硬件体系，培养学生兴趣，提高学生的工程应用能力。

（三）以就业为动机，提高学生构建专业知识体系的积极性。

作为应用型本科院校，大部分学生毕业之后将进入相关企业工作，学习过程中往往带有功利性。STM32系列是目前单片机市场需求最为旺盛的芯片之一，就业机会较好，任课老师在授课时，可以结合企业对单片机人才的要求来展开教学。首先，加强教学与企业需求之间的联系。例如，企业开发一个硬件产品，不仅要包括编写硬件的功能分析文档、技术设计文档、电路原理图、软硬件接口的详细文档等资料，还包括设计PCB板、采购预研硬件、焊接检错、测试验证、原理修正和樣品制作等工作。教师在教学中，可以结合实例融入这些元素，更好地锻炼学生的实践应用能力。其次，介绍知名企业在招聘时的笔试、面试等相关题目，让学生更好地了解自己的专业知识与企业实际需求之间的关系。最后，鼓励指导学生参加各类电子设计大赛、物联网创新设计大赛等。通过比赛训练，学生可以提高自己的动手实践能力，为今后找工作增加加分点。

（四）提出“以点带面”，引导学生构建专业知识体系的教学方法。

STM32单片机课程是物联网工程专业的核心课程，在整个专业课程体系起到承前启后、以点带面的作用。物联网工程专业的各个知识点之间存在着密切的、有机的联系，任课老师要以多层次、多维度的授课方式对这些知识点进行横纵向关联，深入分析各知识点的内在关系，提取知识点之间的共性方法，对知识点进行扩展、深化和完善，并以此为切入点，应用到具体的开发案例，“以点带面”，引导学生构建专业知识体系结构。因此，任课老师在上课时，不仅要介绍STM32单片机课程的相关知识点，还要介绍这些知识点与其他课程的关联度，尤其要强调与后续课程如《LINUX应用开发》等的内在关联。同时，在每个章节开始授课时，要以概貌的形式简单地介绍各知识点以及它们所构建的知识体系结构。这样，学生就能先了解森林的轮廓，然后再研究细微的树叶，最后做到鸟瞰整个森林的全貌。

四、评估学生构建知识体系结构的效果

为了分析专业知识体系结构对学生未来发展的影响，我们对同一年级同一个专业的两组学生采用了不同的培养方法，并进行两年的跟踪调查。A组学生采用本文提出的系统性思维培养方法，人数为80人；B组学生采用传统的教学培养方法，人数为78人。由于这两组学生都是大三物联网工程专业，先修课程都一样，因此在采用本文提出的系统性思维培养方法之前，两组学生对于构建自己专业的知识体系能力没有较大的区别。在A组的授课过程中，我们有意识从以下四个方面对该组同学进行引导培养，具体实施情况如表1所示。

B组的授课方法采用的是传统的授课方法。该方法按照课程大纲罗列的知识点按部就班授课。每上完一节理论课，就会进行相对应的实验课程，这些实验课程主要是用来巩固理论课所教授的知识点。具体情况如表2所示。根据表1和表2学生的反馈情况来说，这种传统的授课方式明显不如本文提出的系统性思维培养方法。

最后，我们对A组学生和B组学生的期末成绩以及就业的情况做了一些跟踪调查，具体情况如表3所示。根据表3可知，对于同一套期末试卷，A组学生的平均成绩比B组多了2.99分；A组学生毕业之后从事本专业相关工作的比例比B组高了9.5%；A组学生的初次就业率比B组高了3.4%。从这些数据可以看出，通过对学生的知识体系构建能力的系统性思维培养，能够提高学生的专业素养，促进学生更多的从事与本专业相关的工作，提高学生的就业率。这也从某种程度上反映了我们所提出的构建学生知识体系的培养方法具有正面的积极效果。

五、结束语

物联网工程是一门实践型、知识更新速度快、综合性强的专业，该专业对学生构建知识体系具有较高的要求。本文通过分析物联网工程专业的特点，以STM32单片机课程作为切入点，提出了由易到难、项目引领、就业驱动、以点带面的系统性思维培养模式。这种培养模式可以帮助学生提高构建专业知识体系能力，成为符合企业需求的应用型人才。

作者单位：陈浩广    杨亮    吕燚    电子科技大学中山学院 计算机学院

参  考  文  献

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[5] 谷渊. 面向物联网的无线传感器网络综述 [J]. 信息与电脑（理论版），2021，33（1）：194-196.

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