方純潔，賴小波，王　波

浙江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，杭州　310053

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基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

方純潔，賴小波，王波

浙江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，杭州310053

【摘要】：為提高學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，該教學(xué)改革按照嵌入式系統(tǒng)的知識體系和物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的特點(diǎn)，以嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)為主線，從課程體系與教學(xué)計(jì)劃、理論教學(xué)方法和內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)方法及開放實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和思維特點(diǎn)設(shè)定教學(xué)方案和實(shí)踐案例，尤其注重在實(shí)踐過程中對案例的理解和在此基礎(chǔ)上的重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過一個學(xué)期的教改實(shí)踐后，該課程教學(xué)改革效果明顯，具有研究和推廣意義。

【關(guān)鍵詞】：教學(xué)改革；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604036

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是下一代互聯(lián)網(wǎng)，也是最貼近人們實(shí)際生活的智能技術(shù)之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，人們的日常生活必然會有翻天覆地的變化，同樣也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，因此物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為各個國家重點(diǎn)扶植的新型產(chǎn)業(yè)［1］?！扒度胧较到y(tǒng)”課程是自動化和計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)性支撐技術(shù)，因此該課程在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中會發(fā)揮越來越大的作用，每個學(xué)校都應(yīng)該在該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中適當(dāng)提高該課程在教學(xué)計(jì)劃中的比重［2-4］。浙江中醫(yī)藥大學(xué)為了適應(yīng)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)要求，進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與實(shí)踐探索，為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容注入了新鮮血液。

1　研究背景及意義

由于原先的嵌入式系統(tǒng)課程是根據(jù)一般性的嵌入式設(shè)備專門定制的課程，在目前物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下已經(jīng)顯得不合時宜，主要表現(xiàn)在：

1.1缺乏對學(xué)生嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)屬性與互聯(lián)網(wǎng)是一致的，就是強(qiáng)調(diào)在基礎(chǔ)環(huán)境上的不斷自我創(chuàng)新和發(fā)展，而原有課程都比較偏重于理論教學(xué)，與其他計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程混在一起。在長期的教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生會把該課程與計(jì)算機(jī)組成原理、接口技術(shù)、匯編語言等課程混淆起來，導(dǎo)致無法理解嵌入式系統(tǒng)的真正含義，更談不上創(chuàng)新［5-7］。

1.2實(shí)踐教學(xué)課時不足，動手能力培養(yǎng)效果欠佳

由于嵌入式系統(tǒng)課程過于注重理論教學(xué)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)課時不足。一般來說理論和實(shí)踐教學(xué)的比例至少是一比一，但是目前大多數(shù)學(xué)校實(shí)踐教學(xué)小于這個比例，對學(xué)生實(shí)際動手能力的培養(yǎng)有所欠缺，主要是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手冊的描述對實(shí)踐案例進(jìn)行模仿，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，而對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則完全不適應(yīng)。因此，除了加大實(shí)踐性教學(xué)課時外還應(yīng)從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容著手，加大學(xué)生自主設(shè)計(jì)的內(nèi)容，不斷培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

1.3該校嵌入式系統(tǒng)方向介紹

目前，浙江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方向和網(wǎng)絡(luò)方向。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向已經(jīng)開設(shè)了數(shù)年，取得了較好的效果，初步形成了具有該院特色的課程體系、教學(xué)計(jì)劃、培養(yǎng)方案和教學(xué)模式。但是，嵌入式系統(tǒng)方向的發(fā)展日新月異，我們經(jīng)過多方調(diào)研和分析，結(jié)合目前企業(yè)對人才的需求情況和社會科技的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)方向的教學(xué)仍需要進(jìn)一步改革和完善。

所以，該研究力圖在學(xué)校醫(yī)學(xué)信息工程和計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)方式，拓寬改革思路，結(jié)合目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最新技術(shù)來改造該課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，同時也加大對于學(xué)校服務(wù)社會和畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面嵌入式系統(tǒng)課程的建設(shè)力度。在這些改革措施基礎(chǔ)上，著重加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，使學(xué)生既掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識，又能在以后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中不斷自我創(chuàng)新。因此，改革對于浙江中醫(yī)藥大學(xué)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)都有積極的促進(jìn)作用。

2　課程教學(xué)方法改革

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，其包含的各種技術(shù)也不斷擴(kuò)大，包括Internet本身骨干網(wǎng)、無線接入技術(shù)、硬件驅(qū)動技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬技術(shù)等各種軟硬件產(chǎn)品［8］。尤其是根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段，硬件產(chǎn)品的成本在整個系統(tǒng)中的成本會不斷下降，之后便是軟件的繁榮，因此有必要對嵌入式系統(tǒng)的整個課程體系和與之相關(guān)的實(shí)踐設(shè)計(jì)和開發(fā)等重要環(huán)節(jié)進(jìn)行重新梳理。下面就從主要的三個方面進(jìn)行探索。

2.1課程體系和教學(xué)計(jì)劃

為適應(yīng)應(yīng)用型嵌入式人才培養(yǎng)的需要，結(jié)合目前企業(yè)對嵌入式人才素質(zhì)和能力的要求，針對浙江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)，對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向的課程體系進(jìn)行調(diào)整和改革，在已開設(shè)課程體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的調(diào)整，并將國內(nèi)權(quán)威的認(rèn)證知識體系納入到課程中，按照現(xiàn)代教育思想基礎(chǔ)上的培養(yǎng)模式，制定新的符合當(dāng)代教育思想和符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)計(jì)劃，如圖1所示。

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程體系

2.2理論教學(xué)方法和內(nèi)容

對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向?qū)I(yè)課程的理論教學(xué)進(jìn)行改革，改變過去“填鴨式”的教師主動講、學(xué)生被動接受的教學(xué)模式，即應(yīng)用項(xiàng)目啟發(fā)式教學(xué)和團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)模式。理論課程根據(jù)一個實(shí)際項(xiàng)目為主線對知識點(diǎn)進(jìn)行講解，并讓每個團(tuán)隊(duì)的學(xué)生自主選擇一個項(xiàng)目并根據(jù)課程的進(jìn)度進(jìn)行項(xiàng)目的分析和開發(fā)，從而達(dá)到深入理解教學(xué)內(nèi)容的目的。同時，讓學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的討論和講解，而讓其他項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的學(xué)生進(jìn)行提問，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，如表1所示。

表1　主要課程教學(xué)理論教學(xué)信息

2.3實(shí)踐教學(xué)方法

對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，將重要課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分立成單獨(dú)的實(shí)踐課程，小班化授課。針對嵌入式方向的專業(yè)課程開設(shè)實(shí)踐課程和實(shí)訓(xùn)課程。其中，將實(shí)踐課程進(jìn)行拆分，與理論課程的知識點(diǎn)同步進(jìn)行。

該教學(xué)改革項(xiàng)目針對以上改革措施，制定了如下實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和方式：

嵌入式平臺選擇目前非常流行的SmartARM2200開發(fā)平臺，這個平臺的特點(diǎn)是通用性高，接口豐富，使用軟件較多，驅(qū)動也較全，是以后理論聯(lián)系實(shí)際開發(fā)的重要教學(xué)平臺［9］。

平臺根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和變化，除了提供目前主流的接口，如RS232和GPIO，等，還提供了局域網(wǎng)接口、全球定位系統(tǒng)接口（GPS）、總結(jié)接口，等。另外，根據(jù)視頻要求的特點(diǎn)，還加入了HD視頻接口卡，其他視頻接入口，能滿足顯示精細(xì)的要求［10-12］。

對于實(shí)踐教學(xué)過程，遵循由易到難、由淺入深的原則，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個階段：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立、簡單的輸入輸出和數(shù)據(jù)讀寫；綜合性實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)的移植、多任務(wù)程序的開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和編程等具有一定綜合性開發(fā)難度的案例；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)則包括嵌入式中間件應(yīng)用、GPS數(shù)據(jù)采集與處理、物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)，等［13-14］，這個階段與上兩個階段在組織形式上有所不同，主要是以興趣小組或者畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題形式進(jìn)行實(shí)踐開發(fā)，如表2所示。

對于實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)評價(jià)方法主要有以下措施：

①定期與不定期檢查相結(jié)合。定期、不定期地對實(shí)踐教學(xué)活動進(jìn)行檢查，并填寫《實(shí)踐教學(xué)檢查考核表》，由實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)組織進(jìn)行。

表2　基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)層次化設(shè)計(jì)

②教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容布置作品小論文，由學(xué)生課外完成，一周后交給任課教師批閱，任課教師根據(jù)學(xué)生論文的撰寫情況給予評分。

③學(xué)生座談和問卷調(diào)查相結(jié)合。組織召開學(xué)生座談會，了解學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)的意見和建議，并對參加實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，由學(xué)生直接對指導(dǎo)教師的工作進(jìn)行評價(jià)。

2.4開放實(shí)驗(yàn)室管理

對該校的醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向的實(shí)驗(yàn)室管理方式進(jìn)行改革。原先的管理方式是以專業(yè)班級為單位進(jìn)行教學(xué)，而隨著創(chuàng)新性教學(xué)改革的深入進(jìn)行，以興趣小組出現(xiàn)的組織形式已經(jīng)不適合班級管理方式。因此，應(yīng)讓一部分有興趣的學(xué)生在其他時間也可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開發(fā)項(xiàng)目，同時鼓勵學(xué)科交叉，協(xié)作開發(fā)同一課題或項(xiàng)目，如機(jī)器人大賽項(xiàng)目，等，并安排專業(yè)教師進(jìn)行指導(dǎo)。

在案例教學(xué)和實(shí)踐過程中，可以模擬實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)模式，分模塊、分設(shè)備組織學(xué)生，設(shè)置各種開發(fā)角色，設(shè)置有系統(tǒng)分析員、程序員和硬件開發(fā)小組。比如：組織學(xué)生參與研究某教師課題的子課題—“數(shù)據(jù)采集與處理”系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中需要各個開發(fā)單元相互配合，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集可以通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行，也可以通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行，將這些接口輸入的數(shù)據(jù)打包成UDP包，再通過接口發(fā)送出去［15-16］。在這個過程中需要多個模塊的相互配合，可以將學(xué)生依據(jù)這些模塊劃分成若干小組，然后由系統(tǒng)分析員共同把這些模塊連接起來，這樣就在實(shí)踐中學(xué)習(xí)如何相互配合來進(jìn)行開發(fā)。

圖2　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

3　總結(jié)

經(jīng)過1年的實(shí)踐，通過課堂隨機(jī)發(fā)放問卷調(diào)查（共發(fā)放60份，實(shí)際回收55份，回收率91.67%，問卷有效）：90.91%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容較豐富，能完整覆蓋課程目標(biāo)的基本要求；92.73%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)形式新穎，有利用激發(fā)學(xué)習(xí)熱情；90.91%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)踐教學(xué)能增強(qiáng)學(xué)生動手能力；94.55%的學(xué)生認(rèn)為開放實(shí)驗(yàn)室有利于理論知識的消化和實(shí)踐運(yùn)用；89.09%的學(xué)生認(rèn)為課程改革有效果，應(yīng)該繼續(xù)實(shí)行該教學(xué)模式。

基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與實(shí)踐，主要目的是使學(xué)生在模擬真實(shí)的開發(fā)環(huán)境中學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)基本的開發(fā)過程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性項(xiàng)目的實(shí)踐。該研究按照嵌入式系統(tǒng)的知識體系，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系的特點(diǎn)，以嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)為主線，從課程體系和教學(xué)計(jì)劃、理論教學(xué)方法和內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)方法及開放實(shí)驗(yàn)室管理等各個環(huán)節(jié)入手，使學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的各個階段，同時著重在實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，同時也應(yīng)該注意到物聯(lián)網(wǎng)是一個龐大的系統(tǒng)工程，所用技術(shù)千差萬別，不可能將其中的所有技術(shù)都完全掌握。因此，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)必須突出重點(diǎn)，同時也應(yīng)注意對學(xué)生基本理論掌握和基本設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。另外，該項(xiàng)目還特別強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新性思維的鍛煉，使學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中不斷開拓思路，具有正確的思考方向和開發(fā)技能。

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【中圖分類號】：G642.0

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A

【文章編號】：1004-5287（2016）04-0492-04

基金項(xiàng)目：浙江省高等教育學(xué)會實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革”（YB201417）；浙江中醫(yī)藥大學(xué)校級教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革”（12034）

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：方純潔（1981-），男，浙江慈溪人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)。

通信作者：賴小波（1981-），男，江西贛州人，副教授，博士，主要研究方向：中醫(yī)藥信息學(xué)。電話：0571-86613669；E-mail：shopo@zcmu.edu.cn

Embedded systematic educational reform driven by Internet of things

Fang Chunjie，Lai Xiaobo，Wang Bo
College of Technology，Zhejiang Chinese Medical University，Hangzhou 310053，China

【Abstract】：In order to improve students'abilities of analysis，design and implementation in the field of embedded system，according to the knowledge system of the embedded system and characteristics of Internet of things drive，this paper，by taking the software and hardware structures of the embedded system as the main line，first introduces the teaching and practice of curriculum and teaching plan，theory teaching method and content，practice teaching method and open laboratory.Then according to students'characteristics in learning and thinking，we set up teaching scheme and practice cases，paying special attention to the understanding of cases during practice and redesigning on this basis.After onesemester teaching reform，the teaching reform effect of this course is obvious，which is of significance in researching and popularization.

【Key words】：teaching reform；Internet of things；embedded system