物联网设计与开发课程的建设

李　志

(重庆第二师范学院 数学与信息科学系，重庆 400065)



物联网设计与开发课程的建设

李志

(重庆第二师范学院 数学与信息科学系，重庆 400065)

摘要：针对物联网专业中的核心科目嵌入式技术，学生掌握arm嵌入式软硬件的开发，提升嵌入式开发的实战技能。以项目驱动的方式进行相关课程建设，通过拆解实际项目，完成相关课程改革。

关键词：物联网；课程群建设；项目驱动

随着物联网技术在各个行业的应用，作为新一代信息产业革命，物联网技术已经作为新的信息浪潮，写入政府工作报告，广泛应用于医疗、工业、军事等领域[1-3]。越来越广的应用带来了对相关专业人才的需求，很多高校为了迎合市场需要设立本科专业。但是传统的教学模式和教学方法对物联网课程的设置导致培养的学生不能满足企业需要，专业技能有所欠缺。本文结合当前企业所需的人才要求，针对传统嵌入式课程的主要授课形式进行了研究，在教学方法和教学手段上做了一些改革。课程建设以项目驱动的方式开展，将课程划分为几个项目，通过项目的讲解将嵌入式的知识点融入教学，将课程模块化，从而掌握嵌入式课程的框架。

一、嵌入式系统课程

物联网设计与开发作为计算机、物联网、自动化等相关专业的专业课，在课程学习中占有重要地位。该课程的目标是，培养熟悉ARM、FPGA、DSP等各软硬件技术的人才，熟悉当前最流行的嵌入式系统，熟练掌握开发环境和开发工具，并且运用C、C++进行熟练编写驱动或者应用程序[4-6]。其先修课程为Linux c语言程序设计、C++程序设计、C语言技术、电子技术基础、单片机技术等，后续课程为QT程序设计。主要介绍嵌入式概念及应用，Linux常用命令和基本管理，Linux服务器配置，Shell脚本编程，Sqlite数据库设计，QT程序设计、嵌入式驱动开发、嵌入式网络开发、嵌入式应用开发。

通过对课程学习，希望达到的目标是：熟悉一种嵌入式硬件处理器，对处理器的硬件结构和外围电路有所了解，熟悉对硬件I/O的配置，独立利用C语言进行硬件驱动开发。熟悉一种嵌入式软件系统，熟悉相关开发环境，能够独立开发应用程序。熟悉一种嵌入式相关网络协议，熟悉TCP/IP编程，能够熟练运用交叉集成开发环境进行编译、调试等工作。

二、传统嵌入式课程的现状

传统嵌入式课程的问题主要表现在：理论和实践结合不紧密，行业应用和课程脱节；学习知识过于零散，相互之间联系无法体现；学生积极性和主动性较差[7]。

(一)实验教材缺乏

随着芯片制造技术的发展，嵌入式处理器发展更新较快，每年有上万种新的芯片出现，针对不同的芯片需要不同的开发环境和软件，导致对应的实验教程缺乏。实验指导书和教程相对缺乏已经成为教学中的最大问题。由于没有对实验步骤的具体操作的讲解，教师上课比较吃力，学生学习效率也不高，最后导致教学效果一般。

(二)实验课程太死板

实验课程太死板，和市场技术结合不紧密。实验一般针对固定单一的知识点展开，缺少创新性和实战性。在实验课程的安排上，一周3个学时相对较为紧凑，内容多数以验证性和基础性实验为主。由于缺少综合性实验，课程学习后难于满足行业的需求，实验内容和业界主流技术差距较大。

(三)实验动手能力较差

学生在学习过程中，更多的是按部就班地完成实验报告和实验内容，并没有太多的自己动手操作，嵌入式课程需要更多的课外时间进行上机操作，在较短的上课时间内无法对开发板深入研究，实际操作次数和时间较短。

(四)嵌入式设备落后

实验室建设以凌阳的试验箱为主，由于主芯片采用三星的2410，芯片基本已经停产，所以教学难以与行业接轨，芯片资料相对陈旧。设备由于购买时间在2011年，很多芯片目前已经被淘汰，需要更新换代。开发板和仿真器的价格对于学生相对较高，学生一般无法自行购买学习，如果开发板不能人手一个，就限制了学生学习的时间和灵活性。

(五)师资力量薄弱

嵌入式课程主要以实践为主，由于实践过程需要配置的环境较为复杂，所需开发板硬件难学，在实践课学习过程中，学生出现问题较多，一时难以一对一地解决。配备一定的实验人员是一种有效措施，但是具备专业素质的实验人员相对匮乏，需要花费更多的时间和精力进行设备维护。

三、课程实验与开发的改革

(一)针对课程编写配套实验教材

针对三星的S3C2440硬件处理器，设计出专门实验教材。结合多个项目，编写出以Linux为嵌入式操作系统的实训指导书。实训教材以实际行业开发环境为参考，尽量达到行业需求。

(二)实验室开放性管理

学生进行综合性和设计性实验，老师更新实验等都需要实验室开放，因此，定期开设了开放性实验室。除上课时间外，对有兴趣的学生免费开放实验室，允许其使用开发板的模式。

(三)模块化教学

如图1所示，将嵌入式16个章节融为5个模块，分别为嵌入式开发基础和环境、Linux开发命令和环境、Linux驱动程序开发、Linux应用程序开发、QT程序开发。以4个项目开发为导线，每个项目中穿插前述的5个模块，将模块知识点融入项目中，在开发过程中总结每个知识点。

四、改革的具体措施

(一)激发学生兴趣

由于嵌入式系统学习难度较大，学习周期较长。为了激发学生的学习兴趣，将参加比赛的一些嵌入式作品，以及有创意的作品视频播放给学生看，通过实际的项目展示让学生了解和认识嵌入式的一些应用。将项目分解成任务，通过布置任务，让学生去完成，从而提高学生参与度。

图1　课程改革模块

(二)加强课程设计

增设以项目实践为导向的课程设计，以布置项目实践课程论文为手段，例如基于ARM的简易示波器、GPRS进行短信收发、掌上游戏、音乐播放器等。课程的后三周，进行集中课程设计，把学生进行分组，每组不超过5人，给定一些预选嵌入式相关题目，让学生选择最适合的题目。先给出设计方案，包括设计原理图、硬件选型、代码流程等具体数据，将项目进行迭代开发，每个阶段分配小任务，将小任务贴到纸条上，每天固定时间开小组会，每个小组将进度反馈到纸条上，进度完成的撕掉纸条，进度受阻的标红纸条，通过墙上的纸条即可看到小组的项目进度。将嵌入式的题目布置到学生论文中，学生毕业论文选题部分加入嵌入式程序设计，可以依托该门课程进行学生毕业设计的指导，加入更多创新点和理论深度到毕业设计中，进一步帮助学生掌握嵌入式。

(三)课程设计的评分标准

针对课程设计的评分标准进行改革，采用学生自己评分的方式，每个小组给其他小组进行评分，作品实现程度、作品创新性、作品源代码和原理图、作品答辩各占25%。课程设计结束时进行答辩，陈述5分钟，回答问题5分钟，主要对自己的课程设计进行阐述，包括背景、实现原理、实现过程、软硬件设计等。

五、教学理念改革

教学理念由分散到集中，以项目应用为导向，把项目应用的教学理念逐步引入到课堂中。通过引入耳温枪、交通灯、GPS车载定位、智能公交车系统、智能家居系统、智能停车场等六个综合性较强的项目，在项目教学中采用模块化的方式进行教学改革。

(一)总成绩的评分标准

课程的总成绩由平时成绩和课程设计两部分组成，平时成绩占30%，课程设计占70%。平时成绩包含出勤率和实验完成率，依据每次实验的完成情况评定成绩。课程设计以小组为单位进行评定，评分标准较为公平。

(二)以模块化为导向进行教学

将传统课程内容整合成模块，通过模块化形式进行授课，达到举一反三的效果，促进学生对理论以及实践知识的掌握。

(三)融入微课等教学形式

针对难度较大的章节，尤其是对嵌入式UBOOT烧写，内核的编译、烧写，根文件系统的创建和烧写。这些操作相对繁琐，所需工具较多，为此采用特殊录制微课的形式，让学生可以课后进行参考，并且可以随时随地进行学习复习，有助于其对课堂不清楚的知识点进行巩固练习。

(四)实施计划

改革初期实施内容：模块化实验讲义，各个模块相关实验原理图、流程图以及源程序。自主和创新项目相关电子材料(电子教案和教学日历)，保存相关项目实现细节。完成课程教学和实验教学相关教学大纲及日历。让学生掌握嵌入式、单片机等相关设计流程，熟悉硬件架构，掌握一种嵌入式操作系统，熟悉一种以应用型为导向的项目开发。搜集有关嵌入式比赛如全国嵌入式大赛、互联网+、大学生创新创业等资料，指导学生参赛，并且利用课堂所学知识进行项目开发。

改革中期实施内容：每个小组完成一个或多个相关课程设计作品，利用作品积极参加各类物联网相关专业作品设计大赛，参赛人数达到10%，争取获得市级以上奖励，获得奖励的同学在综合奖学金以及励志奖学金评定上给予相应加分，单独设立竞赛学分，学生参加相应比赛获得奖项即可拿到学分。

改革后期实施内容：针对参加比赛的同学，定期开放实验室，安排教师或者实验人员进行指导。依托物联网实验平台建立智能家居综合平台，能够完成智能家居的大部分功能，远程监控家里的安防情况，来电呼叫，指纹刷卡，自动控制空调、热水器，门磁和红外等报警系统。同时建立智能农业平台，能够对智能农业大棚进行智能浇水，调节光照度，智能通风，调节温湿度等，完成一套模拟系统。建立智能停车场，完成对入口车的智能检测，通过刷卡进入，智能导航寻迹，然后将车位统计发送到服务器端，完成远程记录车位的剩余数目。指导3～5名高年级学生的毕业论文设计，要求毕业设计必须在创新开发实验室完成，并由相应指导老师进行监督。在毕业论文选题上尽量结合课程改革中的创新项目，增加一定的理论深度和创新性。每年分批组织学生参加嵌入式初级工程师的证书考试，并且对报名参考学生进行培训，帮助学生直接对接行业需求，为学生进入相关行业打下基础。

五、结语

通过对嵌入式课程改革，让学生掌握嵌入式硬件处理器的架构和嵌入式操作系统的开发等相关技术，同时熟悉网络TCP/IP协议；精通C/C++语言、熟悉常用数据结构和算法；熟悉一种以上无线通讯的基本原理和软件开发，如GPRS、Zigbee、BLE、WiFi、433数传等；具备较强的独立工作能力、学习能力，善于思考问题；思路清晰，逻辑性强，具备团队合作精神，并富有工作激情、创新力和责任感。

参考文献：

[1]黄瑜岳,常晋义,许秀兰.物联网工程专业应用型人才培养模式研究[J].计算机教育,2012(23):58-62.

[2]International Telecommunication Union The Internet of Things[R]. ITU Internet Reports 2005, 2005.

[3]霍华．“嵌入式技术”课程教学方法改革[J].计算机教育,2012(6):48-50.

[4]袁静,马华兴.物联业务的发展及网络融合趋势[J].电信技术,2010(1):9-11.

[5]张艳敏.物联网的发展前景[J].佳木斯教育学院学报,201(2):430.

[6]马忠梅,孙娟,李奇.物联网工程专业课程体系与实践探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(10):46-47.

[7]柯强.物联网专业课程建设探讨[J].物联网技术,2012(1):69-72.

[责任编辑王南山]

中图分类号：G620.0

文献标识码：A

文章编号：1008-6390(2016)01-0157-03

作者简介：李志(1984- )，男 ，四川遂宁人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式、无线传感网络、物联网。

基金项目：重庆第二师范学院校级青年项目“物联网设计与开发课程群改革”(JG2015219)；重庆第二师范学院校级青年项目“一种压电功能的幼儿园监控穿戴系统”(KY201544C)

收稿日期：2015-09-29