熊旭輝，程永山，童　強，柯宗武

(湖北師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 　435002)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)探討

熊旭輝，程永山，童強，柯宗武

(湖北師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)是隨著物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開設(shè)而出現(xiàn)的一個新問題。嵌入式系統(tǒng)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的感知、通知、計算與執(zhí)行功能的關(guān)鍵技術(shù)，需要開發(fā)人員具備全面軟硬件知識和綜合應(yīng)用開發(fā)能力。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實踐能力和創(chuàng)新意識，分析了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對其實踐教學(xué)的要求，對嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)進行探討，建立了層次型實踐教學(xué)模式。實踐表明，該模式可有效地提高實踐能力與促進創(chuàng)新能力，并為學(xué)生的技術(shù)與職業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ蛳铝己玫幕A(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；實踐能力

中圖分類號：TP393.3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2714(2015)04- 0108- 04

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.021

收稿日期：2015—08—24

基金項目：2014年湖北師范學(xué)院校級教研項目(XJYB201454)、2013年湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目(2013354)、2014年湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目(2014367)資助

作者簡介：熊旭輝(1971—)，男，副教授，主要從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究.

物聯(lián)網(wǎng)是“十二五”規(guī)劃的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，是信息領(lǐng)域新一輪發(fā)展的主要增長點。2010年教育部發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)申報通知，至2014年3月，新增物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的國內(nèi)高校已達351所。湖北師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于2010年成功申辦“省級戰(zhàn)略性新興(支柱)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃項目通信工程(物聯(lián)網(wǎng)方向)”，并于2011年開始招收本科生，2013年成功申辦物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)并開始招收本科生。

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中，嵌入式系統(tǒng)課程的地位發(fā)生根本變化。嵌入式系統(tǒng)課程從過去計算機相關(guān)專業(yè)的介紹性選修課程變成現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)性課程。究其原因，嵌入式技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的唯一物聯(lián)源頭、物聯(lián)手段與物聯(lián)界面，是實現(xiàn)感知和控制的前端平臺、是實現(xiàn)泛在互聯(lián)的設(shè)備節(jié)點、是實現(xiàn)服務(wù)的用戶接口[1]。由此可見，嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)實踐能力決定了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)成效。

嵌入式系統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的一個難點。軟、硬件技術(shù)緊密結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容極其廣泛，實踐學(xué)時有限，學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的絕大多數(shù)學(xué)生之前從未接觸過嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，因而實踐教學(xué)難度很高。為了培養(yǎng)學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)實踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、樹立信心，提高學(xué)生的競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力，促進物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略性新興(支柱)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃的實施，在學(xué)校的向應(yīng)用技術(shù)類型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展改革的大背景下，開展嵌入式系統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)的探索是很有必要的。

1嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的要求與問題

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，并且對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[2]。當前微電子技術(shù)的發(fā)展使得嵌入式CPU芯片具備了更強的處理能力和集成了類型更多的接口，嵌入式系統(tǒng)普遍替代了純硬件方案和通用計算機方案，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、信息家電、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、智能儀器儀表等眾多領(lǐng)域[3]。嵌入式系統(tǒng)具有外延寬，知識面廣，綜合性高和實踐性強等特點，因而其實踐教學(xué)遠遠較其它普通課程高。隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的誕生與發(fā)展，需要進一步分析當前的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對其實踐教學(xué)的要求。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要求高校的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)既要使學(xué)生具有較強的實際動手能力，還要使學(xué)生能夠真正地將理論運用于具體的產(chǎn)品開發(fā)中的更高層次能力。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程可劃分為系統(tǒng)需求分析、設(shè)計、開發(fā)、集成、測試等階段。在系統(tǒng)需求分析階段，開發(fā)人員需要準確地分析描述嵌入式系統(tǒng)所具有的輸入、輸出、計算與控制等各種功能要求，并且精確地刻畫出嵌入式系統(tǒng)的性能、成本、功耗與體積等非功能性特征。在設(shè)計階段，開發(fā)人員運用各種軟硬件原理進行嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并劃分出軟硬件模塊。在開發(fā)階段，開發(fā)人員熟練地運用各種相關(guān)的軟硬件理論與技術(shù)實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的各個軟硬件模塊。在系統(tǒng)集成和測試階段中，開發(fā)人員將嵌入式系統(tǒng)的軟硬件等各個組成部分集成起來，并進行系統(tǒng)調(diào)試和整機測試，對發(fā)現(xiàn)的問題進行改進。高校的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)并不是簡單地等價于技能培訓(xùn)。嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的目的是使學(xué)生針對實際應(yīng)用需要設(shè)計、依據(jù)相關(guān)的軟硬件原理開發(fā)出一個適合需求的專用計算機系統(tǒng)。社會職業(yè)培訓(xùn)為了迎合學(xué)生的找工作需要，一味地讓學(xué)生實踐，學(xué)生只是機械地進行簡單的編程與調(diào)試的操作訓(xùn)練，只知其然不知所以然，幾乎沒有涉及到理論知識，導(dǎo)致學(xué)生的社會適應(yīng)性差，知識體系自我完善能力弱，只能從事低層次的操作，而沒有系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)能力[4]。因此，高校的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)不同于社會職業(yè)培訓(xùn)，必須使學(xué)生能夠在嵌入式系統(tǒng)的實踐學(xué)習(xí)中將理論與實踐密切結(jié)合起來，從而滿足市場對創(chuàng)新性人才的需求。

目前，我院的嵌入式系統(tǒng)課程是伴隨物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)設(shè)置而開設(shè)的，開設(shè)時間短，積累少，缺乏專職的嵌入式系統(tǒng)實驗指導(dǎo)教師。學(xué)院為了配合嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)，先后購入了ARM11嵌入式開發(fā)板和物聯(lián)網(wǎng)實驗箱。然而，開發(fā)板和實驗箱所配套的實驗指導(dǎo)書是完全按照社會職業(yè)培訓(xùn)的模式進行編寫的，學(xué)生只是簡單按照實驗指導(dǎo)書的案例進行驗證性實驗。由于實驗方式機械單一，更沒有與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合起來，只能使學(xué)生得到概念性認識，大多數(shù)學(xué)生很難產(chǎn)生濃厚的興趣，無法達到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所要求的理論運用能力和實際動手能力要求，更無法滿足綜合性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)要求。

2嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)層次的建立

2.1　目標

國際技術(shù)教育協(xié)會定義工程設(shè)計為：系統(tǒng)和創(chuàng)造性地把科學(xué)和數(shù)學(xué)原理運用于實踐[5]。因此，嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的根本目標就是通過合適的實踐教學(xué)使得學(xué)生具備系統(tǒng)地和創(chuàng)造性地將相關(guān)的軟硬件理論運用到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的能力，同時具備較熟練的開發(fā)技能。

2.2　設(shè)計原則

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的要求，嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的基本設(shè)計原則如下：

1)有助于學(xué)生形成系統(tǒng)性的認知結(jié)構(gòu)。從嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程可以知道，運用軟硬件知識去設(shè)計開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)，換言之，解決一個嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用問題，其本身就是嵌入式系統(tǒng)的認知結(jié)構(gòu)。因此，合適的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)與嵌入式系統(tǒng)的認知結(jié)構(gòu)是一致的，這就要求在進行嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)時，避免割裂一般性原理與具體應(yīng)用的聯(lián)系。

2)有意義的實踐技能培養(yǎng)。嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的目的就是要使學(xué)生運用相關(guān)理論實現(xiàn)符合實際要求的嵌入式應(yīng)用，因此嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)是以學(xué)生為中心的有意義的建構(gòu)學(xué)習(xí)。這就要求在進行嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)時要避免采用那種機械的技能培訓(xùn)方式，使學(xué)生建構(gòu)自己關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的實踐能力。

3)以人為本，有利于學(xué)生的長期發(fā)展。由于嵌入式系統(tǒng)的知識面廣和綜合性強，其具體技術(shù)還在不斷發(fā)展，不可能在有限的實踐教學(xué)課時內(nèi)使學(xué)生全部掌握所有的知識與能力，因此嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)更要注意讓學(xué)生“學(xué)習(xí)如何學(xué)習(xí)”，促進學(xué)生心智的發(fā)展和潛能的發(fā)揮，避免那種一味迎合企業(yè)的短視做法。

2.3　實踐教學(xué)層次設(shè)置

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的要求，經(jīng)過學(xué)院教師的討論，確定了嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)層次。各層次之間的實驗內(nèi)容呈遞進關(guān)系，依次為基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗，以及探索創(chuàng)新性實驗。 基礎(chǔ)性實驗的目的是為了使學(xué)生了解和掌握嵌入式系統(tǒng)的基本目的、基本功能、基本方法和基本技能。在實踐教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生照搬實驗設(shè)備制造商提供的實驗指導(dǎo)書進行實驗的效果極差，只追求完成實驗即可，基本不知道實驗?zāi)康暮鸵饬x。因此，我們認為基礎(chǔ)性實驗不等同于驗證性實驗，在設(shè)計基礎(chǔ)性實驗時，要注意避免那種機械的實踐技能訓(xùn)練，即基礎(chǔ)性實驗也應(yīng)是一種有意義的實踐學(xué)習(xí)。通過基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生應(yīng)掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的某一項基本技術(shù)是為了解決什么問題，其運用方法是什么，如何開展實驗過程，如何觀測實驗結(jié)果，實驗結(jié)果反映了什么問題。

設(shè)計性實驗的目的是為了使學(xué)生能夠運用若干項基本技術(shù)解決一個由具體應(yīng)用抽象出來的問題情境的獨立實踐能力。通過基礎(chǔ)性實驗學(xué)習(xí)，學(xué)生一般已經(jīng)知曉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的單項技術(shù)的使用方法。但是，在基礎(chǔ)性實驗階段，學(xué)生還不具備脫離實驗指導(dǎo)書和老師指導(dǎo)的獨立運用能力，更不具備深入地處理問題細節(jié)的實踐技能。因此，設(shè)計性實驗從物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的具體應(yīng)用抽取出若干單項技術(shù)復(fù)合的問題情境。通過問題情境設(shè)置，使學(xué)生將之前掌握的單項技術(shù)遷移到復(fù)合的問題情境中，進而培養(yǎng)學(xué)生處理較復(fù)雜的問題的能力、提高學(xué)生的信心、激發(fā)學(xué)生的潛能與內(nèi)在學(xué)習(xí)動機。

綜合性實驗的目的是培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的其它專業(yè)知識在實踐中的綜合運用能力。在基礎(chǔ)性和設(shè)計性實驗的基礎(chǔ)上，由3~4名學(xué)生組成一個項目組，要求學(xué)生根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)特點，鼓勵他們發(fā)揮主體性，采用模擬電路、數(shù)字電路、計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、傳感器原理及應(yīng)用、傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用、RFID原理及應(yīng)用與嵌入式系統(tǒng)等專業(yè)知識完成一個數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和處理的物聯(lián)網(wǎng)項目。該項目可以由教師命題，或鼓勵學(xué)生自行設(shè)計。在項目設(shè)計開發(fā)過程中，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)項目設(shè)計開發(fā)的流程與方法，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神和克服困難的意志。

探索創(chuàng)新性實驗的目的是進一步培養(yǎng)學(xué)有余力的學(xué)生的創(chuàng)新能力。在這個實踐教學(xué)階段，由老師帶領(lǐng)一個學(xué)生創(chuàng)新團隊，指導(dǎo)他們參加大學(xué)生科研、專業(yè)或?qū)W科競賽，或者科研項目。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生創(chuàng)新團隊較深入地研究物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的某個關(guān)鍵技術(shù)或者難題，例如，大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、多傳感器的數(shù)據(jù)融合方法等；或者，以當前國內(nèi)外的熱點問題為課題，開闊學(xué)生的視野，例如，面向移動醫(yī)療的可穿戴式的低功耗嵌入式設(shè)備。值得指出的是，本階段的重點是培養(yǎng)學(xué)生如何從物聯(lián)網(wǎng)的大背景下發(fā)現(xiàn)、提出、分析與解決問題的能力，以及克服困難的方法與意志，從而鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新實踐能力，讓這些鉆研能力強的學(xué)生有機會發(fā)揮他們的聰明才智，而不是注重研究結(jié)果。

2.4　實踐教學(xué)評價

為了檢查實踐教學(xué)的效果，需要對基礎(chǔ)性、設(shè)計性、綜合性和探索創(chuàng)新性實驗進行評價?？傮w來說，無論是哪種類型的實驗，都是重在考查實現(xiàn)過程，而不僅僅是實驗結(jié)果。

對于基礎(chǔ)性實驗，實驗指導(dǎo)教師檢查實驗中的單項技術(shù)原理的應(yīng)用過程和對實驗結(jié)果的分析，以及是否簡潔熟練地使用單項技術(shù)原理，從中觀察學(xué)生是否掌握單項技術(shù)原理的熟練程度。 對于設(shè)計性實驗，實驗指導(dǎo)教師除了要檢查技術(shù)原理的應(yīng)用過程和實驗結(jié)果分析外，還要評估學(xué)生能不能正確地分析問題情境、是否恰當?shù)孛枋隽诉x擇技術(shù)的依據(jù)，從中觀察學(xué)生的分析能力和解決復(fù)雜問題的能力。

對于綜合性實驗，從項目的整體設(shè)計方案進行評價，包括問題的背景與意義、技術(shù)選型、總體設(shè)計、軟硬件的開發(fā)(含細節(jié))、結(jié)果分析與成果展示等幾個方面。為了降低"搭便車"的現(xiàn)象，要求每個學(xué)生都要實現(xiàn)至少一項單項技術(shù)，并進行答辯，解釋自己的工作。

對于探索創(chuàng)新性實驗，由于主要是針對學(xué)有余力的學(xué)生，所以不作平時考查，而是采用特長學(xué)分機制，由物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師組成評估小組，對學(xué)生的工作進行評估，并向?qū)W院建議給予合適的學(xué)分。

2.5　實踐教學(xué)的初步成效

通過對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生進行層次型實踐教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的良好的實踐技能，更使學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有一個比較完整的實踐學(xué)習(xí)過程，較全面地和較深入地掌握了嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)原理在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。特別是鼓勵學(xué)生積極參加省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、挑戰(zhàn)杯等各項大學(xué)生科研活動，以及全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽(TI杯)和"藍橋杯"全國嵌入式設(shè)計與開發(fā)等競賽，獲得十多項國家級和省級以上團體和個人獎項，極大地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，促進了學(xué)生的信心和興趣。

3結(jié)語

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下的嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)要求，通過嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，建立了基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和探索創(chuàng)新性實驗的層次實踐教學(xué)模式。通過基礎(chǔ)性實驗使學(xué)生熟練掌握單項技術(shù)原理的運用，通過設(shè)計性實驗進一步鍛煉學(xué)生的分析問題和技術(shù)選型運用能力，通過綜合性實驗全面鍛煉了學(xué)生的項目設(shè)計開發(fā)能力，通過創(chuàng)新性實驗鍛煉了學(xué)生攻克難關(guān)的創(chuàng)新能力，為他們以后的工作和進一步深造打下良好的基礎(chǔ)。

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The exploration of practice teaching of embedded system

in the background of IoT application-oriented talents cultivation

XIONG Xu-hui, CHENG Yong-shan, TONG Qiang, KE Zhong-wu

(The College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University, Huangshi435002, China)

Abstract：A new problem of the practice ability of embedded system is emerged in the background of IoT application-oriented talents cultivating. The embedded system is the critical technique to implement the perceptive, notified, computation and executive functions of IoT, so developers are demanded to possess a comprehensive knowledge of hardware and software and application development capabilities. In order to stimulate students' enthusiasm and initiative and develop their development practical ability and innovation of embedded system, the demands of embedded systems practice teaching was analyzed and practice teaching embedded systems are discussed, so the establishment of hierarchical practice teaching mode was established for embedded system course. Practice shows that the model can effectively improve the practical ability and promote innovation, and lay a good foundation for the development of technical and vocational potential of students.

Key words：IoT;embedded system;practice ability