孫鈺，許福，張海燕，李巨虎，陳志泊

（北京林業(yè)大學信息學院，北京100083）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是我國“十三五”規(guī)劃的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其專業(yè)人才的培養(yǎng)已成為當務之急[1]。目前面向物聯(lián)網(wǎng)的教學還處在探索階段，國內外并沒有一個成熟的培養(yǎng)模式和課程體系[2]。“嵌入式系統(tǒng)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門專業(yè)核心課，是“操作系統(tǒng)”“計算機網(wǎng)絡”“數(shù)字電路”等專業(yè)基礎課的后續(xù)課程，同時又是“無線網(wǎng)絡”“物聯(lián)網(wǎng)應用”“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐”等多門主要專業(yè)課的先修課程。因此，它在整個教學體系中起著承前啟后的重要作用，課程本身及實驗應有較高的應用性、前沿性和綜合性。

教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的指導思想是重點進行應用型、工程型人才的培養(yǎng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術專業(yè)的設置需要綜合考慮相關交叉學科的特點，注重課程體系的交叉融合[4]。

1 “嵌入式系統(tǒng)”實驗中存在的問題

“嵌入式系統(tǒng)”實踐性強，要求學生在實驗中操作硬件，驗證嵌入式理論?，F(xiàn)階段主要沿用計算機科學與技術專業(yè)的實驗內容[5-6]，應用到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時存在以下不足之處：

（1）實驗箱的硬件遠遠落后于目前的主流嵌入式平臺。目前，機房的試驗箱型號為UPNETARM2410-S，其處理器屬于ARM9系列，為2008年的主流配置，現(xiàn)已停產(chǎn)。然而，隨著智能手機的興起，嵌入式系統(tǒng)獲得了超過摩爾定律的發(fā)展速度。目前智能機的市場占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機（ARM Cortex-A設備），其嵌入式硬件水平也比試驗箱先進數(shù)倍，有強大的多媒體功能及友好的人機界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應用層設備。學生在“移動開發(fā)”課程中已經(jīng)接觸過先進的嵌入式設備（Android智能機），而在后續(xù)的“嵌入式系統(tǒng)”卻只能使用老舊的ARM9設備，導致學習積極性低下。

（2）實驗未按照物聯(lián)網(wǎng)三層結構劃分模塊，導致實驗練習的技術路線單一，學生間缺乏分工合作，并只能以個人為單位完成。目前試驗箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，不支持新出現(xiàn)的Android移動操作系統(tǒng)。在嵌入式Linux下，開發(fā)語言也局限于C和C++，不能使用Java及Python等現(xiàn)代語言。學生在實驗中，僅能練習Linux系統(tǒng)的C/C++編程。另外，軟件未根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構進行模塊化分割，學生無法以合作的方式完成實驗，更無相應的考核機制。

（3）實驗內容與“移動開發(fā)”“智能家居”“物聯(lián)網(wǎng)導論”等新課程缺乏聯(lián)系，綜合性不足?！扒度胧较到y(tǒng)”是一門傳統(tǒng)課程，早期的嵌入式以工控為主，實驗內容也以工控為主。隨著成本的下降和物聯(lián)網(wǎng)的普及，嵌入式已成為消費電子領域的主流技術，而該課程的實驗還不能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的最新應用，內容缺乏綜合性與創(chuàng)新性。

2 教學內容的改革

2.1 試驗箱的智能化升級與改造研究

強化試驗箱的底層控制功能，標準化其對外接口，保留大部分原有硬件。機房試驗箱的處理器屬于ARM9系列，ARM公司將其定位為微控制器，適用于物聯(lián)網(wǎng)底層的控制及傳感。盡管ARM9的多媒體功能已經(jīng)非常落伍，但仍具有很強的底層控制功能，借助其豐富的IO管腳，操作試驗箱的步進馬達、ADC、DAC、LED及蜂鳴器等硬件。在試驗箱的智能化升級與改造中，將弱化多媒體播放，剔除試驗箱的多媒體實驗（MP3播放、視頻播放等），增加控制及傳感的內容，并提供符合物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范的接口，供上層調用。

為試驗箱升級Wi-Fi、藍牙及3G等無線模塊，滿足物聯(lián)網(wǎng)對無線組網(wǎng)的需求。無線組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的大勢所趨，也是學生參與競賽及招聘的熱點問題。而試驗箱的網(wǎng)絡仍以有線網(wǎng)絡為主，以落后的紅外及2G無線網(wǎng)絡為輔，難以滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)對無線組網(wǎng)的需求。本項目將采購先進的Wi-Fi，藍牙4.0及3G模塊，通過試驗箱已有的串口或USB接口連接新的無線模塊，實現(xiàn)平滑升級。

整合Android智能手機，作為試驗箱的人機界面與控制中心。目前智能機的市場占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機，其硬件水平也比試驗箱先進數(shù)倍。運行Android的嵌入式系統(tǒng)有強大的多媒體功能及友好的人機界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應用層設備。學生在先修課程“移動開發(fā)”中，已經(jīng)掌握了在Android設備上進行軟件開發(fā)的技能。本項目擬采購少量千元級別的國產(chǎn)Android手機，同時發(fā)揮學生已有Android手機的作用，借助無線組網(wǎng)技術，實現(xiàn)Android手機對試驗箱硬件的遠程物聯(lián)網(wǎng)化操作。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)化的分工協(xié)作及考核機制研究

將試驗箱定位于感知層、Android智能機定位于應用層，兩層保持獨立性。根據(jù)試驗箱及Android手機中嵌入式處理器的等級，將二者分配至物聯(lián)網(wǎng)合適的位置，發(fā)揮各自所長。ARM公司將ARM9處理器定位為微控制器。因此，基于ARM9的UP-NETARM2410-S試驗箱型號適用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的控制及傳感。運行Android的嵌入式系統(tǒng)有強大的多媒體功能及友好的人機界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應用層設備。

新增的無線模塊定位于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，通過標準接口耦合感知層與應用層。新增的Wi-Fi、藍牙及3G等無線模塊作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層設備，連接原有的試驗箱和新增的Android智能機。試驗箱通過標準物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議向Android手機提供控制箱內硬件的接口，在保持感知層和應用層松耦合的前提下，完成無線的可感、可傳及可控。

設計新的實驗考核機制，即根據(jù)各層及總體的完成度科學評價學生的實驗成績。新實驗題目的各模塊分別對應物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應用層，需要3名學生分工協(xié)作，實現(xiàn)各層的功能，并向外提供接口，最終完成物聯(lián)網(wǎng)整體的聯(lián)通。在考核時，既要考核本人分工內的完成度，也要考察其在總體中的工作量，合理分配各模塊與總體的權重，科學衡量學生的嵌入式實踐能力。

2.3 綜合前沿課程及“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗題目研究

實驗內容整合移動開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項新技術，增強綜合性。盡管試驗箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，不支持新出現(xiàn)的Android移動操作系統(tǒng)。但通過無線模塊整合Android智能機后，學生可在試驗中使用Java等現(xiàn)代語言實踐移動開發(fā)技術。與“移動開發(fā)”課程不同的是，本課程的實驗側重于Android智能機對傳統(tǒng)硬件的控制，而非純粹的軟件開發(fā)。通過整合移動開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項新技術，極大提高了實驗的綜合性，更好地鍛煉學生的軟硬件開發(fā)能力。

實驗選題圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+”在智能家居、智慧林業(yè)的應用展開?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”已廣泛應用于智能家居、水土保持、物流倉儲等行業(yè)。嵌入式設備在物聯(lián)網(wǎng)中處于主導地位。實驗的選題不僅僅是簡單地遠程操作步進馬達、讀取傳感器數(shù)據(jù)等，而是有具體的應用場景，以智能家居為例，根據(jù)Android手機無線讀取光線及溫度傳感器的數(shù)據(jù)，綜合用戶的生活習慣，智能決策試驗箱控制窗簾馬達的啟停，營造舒適的家居環(huán)境。情景化選題使學生明確學習的目的，提高了學習積極性。

鼓勵學生設計新的嵌入式應用場景，升級軟件功能，鼓勵學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的應用日新月異，融入生產(chǎn)生活的方方面面。實驗中，鼓勵學生在已有硬件的基礎上，根據(jù)自己的學習心得和生活實踐，設計新的應用場景，升級軟件部分，特別是Android手機的APP。在保持底層硬件不變及接口穩(wěn)定的前提下，通過軟件升級，適配新的應用場景，使實驗中的小型物聯(lián)網(wǎng)更智能，并在考核中科學評價其創(chuàng)新性。

3 研究方法

（1）加強該課程與先修課和后續(xù)課的溝通與交流，總結其在教學方法、考試模式等方面的經(jīng)驗和不足；向兄弟院校的相關專業(yè)進行廣泛調研，借鑒其方法和手段；獲取本專業(yè)學生的反饋信息，了解其他專業(yè)對課程的需求情況。進行課程優(yōu)化，處理理論授課與實踐授課之間的關系。

（2）選取和搜集物聯(lián)網(wǎng)在實際生產(chǎn)中的典型案例，提煉案例中的知識點，使其具有整體性、連貫性和實用性。隨著實驗的推進，學生可以將案例完整地實現(xiàn)出來，能有效地將所學知識點融會貫通，增強自信心、提高學習的動力。

（3）教研結合，注重引導。通過鼓勵學生參加各級計算機競賽、申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、參加教師的科研項目等形式，促進學生實踐能力和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，提高學生的應用能力。在實際應用中檢驗教師的教學效果和學生的學習成果，實現(xiàn)理論與實踐的有效結合。

（4）在整個課程改革中，提出穩(wěn)固基礎知識、提高編程能力、開拓知識層面、倡導實踐應用的計算機科學與技術專業(yè)人才程序設計能力的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出適應經(jīng)濟和社會發(fā)展需要的、本領過硬的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。

4 結語

實踐證明，對“嵌入式系統(tǒng)”實驗的三項改革，加強了實驗的綜合性、設計性和創(chuàng)新性，解決了“嵌入式系統(tǒng)”課程基礎知識與“互聯(lián)網(wǎng)+”前沿技術的脫節(jié)問題，有利于培養(yǎng)具備嵌入式軟硬件設計能力的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。未來的改革中，我們將進一步強化新興硬件的引入，及時將“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新成果引入課堂。

[1]黃瑜岳,常晉義,許秀蘭.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式研究[J].計算機教育,2012(23):58-62.

[2]劉鵬.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)探索[J].計算機教育,2012(21):9-12.

[3]教育部高等學校計算機科學與技術專業(yè)教學指導分委員會.高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:1-4,22-23.

[4]桂小林.物聯(lián)網(wǎng)技術專業(yè)課程體系探索[J].計算機教育,2010(16):1-3,9.

[5]孫偉,李嚴,崔曉晗,等.面向應用的嵌入式系統(tǒng)教學改革與探索[J].工業(yè)和信息化教育,2016(1):32-36.

[6]鄢秋榮,王玉皞,王艷慶,等.面向軟硬件協(xié)同設計的嵌入式系統(tǒng)教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2016(6):190-193.