基于物聯網項目驅動的嵌入式系統教學改革的研究與實踐

俞侃

摘要：該文根據現有嵌入式系統課程，以工作過程系統化為導向，結合物聯網的發展，在不同的行業、企業及應用背景下，將物聯網的典型項目和嵌入式系統的課程體系相融合，強調職業教育教學行動的過程屬性，將典型物聯網產品設計案例引入到教學中并進行重構，編排模塊化課程教學內容，組織教學過程。在總結嵌入式系統課程的教學經驗基礎上，針對現今物聯網的技術發展方向，在面向物聯網的嵌入式系統課程體系建設、理實一體化教學和畢業設計等環節進行探索，全面提升學生技能水平和就業競爭力。

關鍵詞：項目驅動；嵌入式系統；物聯網；教學改革

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）24-0101-02

隨著現代電子制造水平和網絡技術的飛速發展，嵌入式系統已經成為汽車電子、家電控制和消費類電子等產品的重要組成部分，由于其硬件部分體積小、價格便宜、集成度高，并且軟硬件都可以進行“按需定制”可裁剪，嵌入式系統有著十分廣闊的發展前景。

同時嵌入式系統中的無線通信技術、傳感器技術和自動化系統控制技術的日益成熟，把傳感器得到的各種數據，通過互聯網的手段傳輸出去，使得世界的聯系從人與人的聯系，逐步轉變成物與人的聯系，物與物的聯系；使得現實世界與信息網絡更加的緊密結合。通過物聯網項目的開發，更好的促進嵌入式系統作為物聯網項目的載體的教學和改革工作。

1嵌入式系統教學的現狀

關于嵌入式系統教學過程中的課程定位、相關先導課程與基礎知識的準備、教學內容（包括硬件平臺和軟件平臺）的選擇、實踐教學與實踐環節組織等問題，在目前，仍然存在爭論和探索。本環節就以下幾個方面進行分析：

1）嵌入式系統的課程定位

由于各個院校對于嵌入式系統的課程定位的不同，不同的院校對于本課程的應用方向也不同。有的院校更加側重于底層硬件和系統文件的裁剪，偏向于基于單片機的應用；有的院校更加側重于嵌入式系統的應用，偏向于軟件開發與調試。

2）嵌入式系統教學的先導課程

基于上述不同院校之間課程定位的不同，嵌入式系統課程的先導課程也有所不同，針對偏硬件設計方向的，硬件電路設計作為重點。針對偏軟件設計方向的，則是把程序設計語言作為重點。

3）嵌入式系統教學的學時分配

不同院校的不同專業對于嵌入式系統課程的要求不同，有的專業是作為專業核心類課程，有的專業是作為專業通識類課程，有的專業是作為專業選修類課程。因此，對于嵌入式系統教學的學時，有著很大的不同。

4）嵌入式系統教學內容的選擇

嵌入式系統課程由于對前期課程的要求較高，同時現有教學內容中，理論偏多，各種概念和模型較難理解，學生動手去實踐相對較少，學生學習起來非常抽象和枯燥，無法形成自己的知識體系結構，缺乏直觀性，因此學生學習積極性會隨著課程的深入，逐步降低。

同時嵌入式系統教學需結合教學平臺設備來進行開展。在現有市場上，嵌入式系統教學平臺種類繁多，并且配套的軟件操作系統也有所不同，不同院校都根據自身的實際情況進行相應選擇。

2嵌入式系統教學組織

根據本學院“5-3-3”課程體系構建的思想，再結合江蘇省蘇州市吳江區地方經濟具體特點的基礎上，以近年來國際工程教育改革CDIO工程教育模式為思路，將構思、設計、實現和運作貫穿在整個課程體系之中，以產品研發到產品運行的生命周期為載體，結合物聯網的發展，在不同的行業、企業及應用背景下，將物聯網的項目案例，和嵌入式系統的課程體系融會貫通，強調職業教育教學行動的過程屬性，將典型物聯網產品設計案例引入到教學中并進行重構，編排模塊化課程教學內容，組織教學過程。使得學生通過本課程的學習，不僅能了解嵌入式系統的基本原理和設計方法，同時能對嵌入式系統中的ARM體系結構、ARM指令系統進行應用，選擇嵌入式Linux操作系統根據不同的需求進行相應的裁剪、交叉編譯開發和移植應用，同時根據學生的實際情況進行應用程序和驅動程序開發，服務地方經濟。

3傳統教學中存在的問題

傳統教學過程中通常以教師講授為主，以教材對應章節和知識點作為講授單元，理論基礎和實踐環節分離，無法做到“理實一體化”。在有限的課程授課時間內，設置與教學內容配套的實踐環節，通過課后實踐來強化教學內容，激發學生創造性的能力比較有限。

嵌入式操作系統選擇非常多，在嵌入式系統應用中常用的軟件中間件，比如網絡協議棧、嵌入式平臺下的根文件系統和數據庫管理系統、媒體壓縮與解壓縮庫、各種加密算法與協議等，更是令人眼花繚亂。

同時，作為授課對象的學生，由于來自不同的專業方向，前導課程的基礎知識參差不齊。具體表現為：電子類專業方向的學生，軟件基礎較為薄弱，計算機類專業方向的學生，電路與硬件基礎弱。

4基于物聯網項目驅動的嵌入式系統教學

以職業崗位能力為主線的高職教育體系需要構建項目化教學課程體系，同時在物聯網技術快速發展的大背景下，嵌入式系統的課程體系確實應當有所調整，以適應時代的發展和社會的需求。

項目驅動教學的理念認為：學生知識的積累和構建，是在一定的條件下自主構建而成的；學習是知識、技能與行為、態度與價值觀等方面的長進。

同時，以企業中真實的生產、研發和具有實際應用價值的案例作為教學內容的選擇，要求學生能夠通過自身的特點，獲取相關的資訊，指定真實的計劃，通過自身的決策和實施，并且進行檢查和互查來對項目進行評價。

1）項目的具體構建

將嵌入式系統教學課程知識點進行碎片化和重組，以本院的校企合作單位物聯網智能家居企業真實案例為基礎，將整個教學過程以項目的形式開展教學，再將物聯網智能家居項目中分成相應子項目，對相應子項目再進行具體的任務分解。在整個過程中，要求學生能夠以教學主體的身份參與進來，對真實案例從總體上進行把握，明確學習和構建的內容。

2）項目驅動教學組織形式

本院該課程在采用小班化教學的基礎上，對學生進行項目分組，將4～5名學生分配到一個項目團隊。在不同的項目中扮演企業開發過程中的不同角色，同時在不同的子項目中，學生的角色進行輪轉或互換，使得學生在完成本課程的學習之后，能對項目開發的整個過程相對熟悉。

學生在不同的子項目中，可以對項目團隊的不同角色進行體驗，根據自身的實際情況，為更好的走上工作崗位，融入企業項目團隊做準備。

3）具體項目教學的實施

在每一個具體項目教學的實施過程中，以本院的2014級計算機應用技術專業為例，該專業有40人，將學生以5個學生為項目小組進行分組，共8個小組，根據學生的學情和實際情況進行項目任務書下發，將CDIO中的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）融入進來。

以物聯網智能家居企業真實案例中的智能窗簾子項目為例，通過任務分解，如下圖所示，可以分為嵌入式Linux系統裁剪、直流電機控制、交叉編譯、驅動文件加載和嵌入式平臺下移植應用等五個子任務，同時針對模塊化教學，進行相應學習情境設計和教學方案設計，整合現有教學內容，使得老師的教和學生的學都體現項目驅動模式下理實一體化的緊密結合。

首先要求每個項目小組的學生進行項目分析，將構思（Conceive）采用行動導向中資訊的形式展現出來，給出工作任務，提出任務要求，要求學生應當把前導課程以及已做過的項目中已掌握的知識點和即將開展的項目中需要的知識點進行融合，使得學生溫故知新，同時也學會綜合運用新舊知識的技能；其次要通過實踐的方式，項目和任務必須能夠通過實踐來完成及驗證。

對于設計（Design）則要求學生在項目小組中指定相應計劃，安排時間進度。

而實現（Implement），要求各小組通過決策和實施的方式，分別提出完成該項目的設計方案說明書，每個小組推選1名同學上臺進行本組實施方案的具體表述，授課教師與項目小組成員共同討論，進行分析和優化，最終確定相對合理、科學的最佳方案，并進行下一步的實施。

運作（Operate），則是在之前所做工作的基礎上，結合項目方案說明書，對于項目內容對照完成。在項目完成之后，對照最初提出的工作任務要求，逐項檢查項目完成情況。如存在不符的情況，進行分析和修改，直至滿足相應要求。同時要求項目小組內的同學和不同小組的同學進行自評和互評，進行相應總結和考核。

5總結

基于物聯網飛速發展的技術和應用背景，如何精簡嵌入式系統課程的理論教學內容，并擴寬學生的知識面，讓學生掌握設計與思考的方法，重點把與真實項目案例密切相關的內容進行重構與設計，同時進行層次化的實踐設計，在實踐環節中，讓學生真正參與到前沿發展的企業課題和項目中去，這是在嵌入式系統課程教學改革中要研究和具體實踐的方向。

基于物聯網項目驅動的嵌入式系統教學改革實踐教學過程中，學生對于企業項目開發的整個過程更加熟悉，學生參與項目團隊開發的積極性和主動性得到提高，同時，通過項目驅動的學習方法，學生也認識到團隊合作的重要性。項目驅動教學改革的實施，使學生學習的方式發生了很大的變化，學生能夠主動地去學習，更加善于發現問題和思考問題，解決問題的能力也得到了很大提高，學生的專業技能能力得到系統的鍛煉。項目驅動教學改革，為學生自主學習意識的養成和從學校到畢業頂崗實習、就業更好的“無縫”對接提供了保障。

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