教学改革研究与实践信息安全专业 嵌入式系统 课程教学实践改革的研...
吕皴 刘伟 叶立威
摘要：分析嵌入式及物联网方向的知识结构和学生学习行为的特点，阐述嵌入式工程实践课程在专业知识体系中的地位和作用，介绍嵌入式工程实践课程建设方案、实验平台设计理念和考核方式。
关键词：嵌入式工程实践；物联网；单片机；实践教学平台
0.引言
嵌入式及物联网专业是笔者所在学校在嵌入式专业的基础上为突出物联网领域人才培养而进行的专业改革尝试。物联网方向与嵌入式方向的内涵具有很大的相似性，特别在应用型人才的知识构成上，这两个专业方向具有共同的专业基础，即强调软件与硬件结合的嵌入式开发基本技能。同时，这两个专业方向在教学特点上都突出知识的应用，强调学生在不同应用场景下解决问题的能力。
随着智能家居、物联网、移动互联网和穿戴式设备等领域的发展，社会对嵌入式及物联网方向应用型人才的需求呈现井喷式增长。但由于该方向需要多学科的融合，在实际应用过程中所需知识面广、知识点繁杂，缺乏一以贯之的知识主线，学习难度较大。而当代学生自我约束能力较差，对教学工作提出了更高的要求。如何使教学安排和课程内容更好地适应专业特点和学生的学习特点是本文所述教学改革和课程建设的主要出发点和落脚点。
1.嵌入式及物联网专业教与学的特点
1.1嵌入式及物联网专业的特点
嵌入式及物联网专业的教学目标是培养面向工程项目、立足实际的应用型人才，而工程应用场景差异很大、相关性差、知识繁杂，是一个很大的挑战，只有经过多年实战锻炼的工程人员才能逐渐达到该专业的培养目标要求。如何在大学期间尽可能好地完成这个过程是高校教学需要解决的难题。从笔者的学习经历来看，对嵌人式和物联网相关知识的掌握及工程能力的提升应是螺旋式上升的学习过程，应该学习一实践一再学习一再实践，在实际工程应用过程中不断加深对知识的理解，逐步提高开发能力。因而，本次教学改革的宗旨是将工程实践尽早投放到专业教学阶段，以实践加强知识的吸收和消化。
1.2学生的学习特点
随着社会的发展和进步，当代学生的学习习惯相比10年前已经发生巨大的变化。学习习惯较差、专注力和自我约束能力较为欠缺、注重知识的实用性，是当代学生共有的特点。在教学实践中，经常出现这样的情况：很多学生上课第一件事就是想弄清楚这门课有什么用？可以找哪类工作？如果不能很好、很生动地回答这个问题，很可能会打击学生的学习热情，可能还未展示课程的应用价值，学生已经不自觉地削减了学习的动力和兴趣。要回答这个问题单单靠教师的口头介绍是不够的，必须通过实践让学生真真切切感受到知识在实际应用中的威力，才能破解知识学习过程中的第一道障碍。当代学生也有自身的优点，那就是自主意识强，学习过程中冲劲足，敢于并乐于投入大量的时间和精力去学习自己感兴趣的知识。教育工作者需主动迎接这种学习主体的学习行为特点，通过教学改革改变教学模式和内容，有效破除学生关于知识实用性的疑惑，引导学生发挥其拼劲足、敢于创新的优势，从根本上提升教学质量。
2.嵌入式及物联网专业方向课程设置
嵌入式及物联网专业需要软硬件相结合，基本技能与具体应用相结合。下面以笔者所在院校为例介绍该专业的课程设置，如图1所示。该专业学生的知识基础为计算机体系结构、组成原理、程序设计和电子电路相关硬件课程。编程语言以c语言为主，在大一2个学期开设，总学时为128课时。在教学中淡化语法细节，强调编程能力，通过大作业、课程设计等形式代替作业和考试。硬件课程主要包括电路与模拟电子技术、数字逻辑设计和电子线路设计，强调动手能力，数字电路和电子线路设计配有专门的实践课程，需要独立完成作品设计。在大二开设第一门专业基础课单片机开发技术，让学生初步接触底层嵌入式开发，在教学中采用c语言教学，以简单的工程案例引入知识点，强调运用单片机解决实际问题，在掌握单片机开发技术的同时巩固硬件知识和c语言编程能力。在单片机课程学期的最后4周开设本专业第一门综合实践课程嵌入式工程实践，该实践课程要求学生对前期所学的知识进行初步的综合和应用，课程内容涉及电子电路等硬件知识、单片机开发、程序开发以及PCB布局布线、焊接调试等开发技能。随后的专业基础课包括嵌入式系统概论和Linux开发技术等，在大三后半学期开设物联网与传感技术课程，主要介绍zigbee、蓝牙、WIFI和ISM频段通信的无线联网技术，以及对常用的传感器技术进行系统性学习，旨在让具有嵌入式开发基础的学生强化物联网与传感器相关项目的开发技能。大四上半学期主要包括2个大课时量的综合实训产业实习等内容。
3.嵌入式工程实践课程建设
3.1嵌入式工程实践课程与其他课程间的先行后继关系
以往综合性实践课都是在大三甚至大四开设，这样的课程设置有一个严重的不足，那就是由于现在学生的学习耐性差，很多学生还没有进入实践课程学习，在实验环节甚至理论学习环节就已经产生了厌学心理。面对这种情况，我们在大二增设了嵌入式工程实践课程，其先行后继的课程关系如图2所示。该课程可以看作3类课程的综合运用：数字电路、模拟电路等硬件课程；电子线路设计和电路仿真等技能型课程和单片机开发技术课程。在单片机开发课程的最后4周开设嵌入式工程实践，强调对之前所学知识的运用，第一次让学生深刻体会知识运用的乐趣，通过课程内容的设置、教师的引导，让学生在课内完成工程实践作品的硬件设计、PCB制作和焊接调试，最后完成嵌入式软件的开发和调试。与此同时，本工程设计作品的核心部分可以作为后期物联网实训的传感器采集模块来使用，在嵌入式综合实训环节中当作主从通信的从机或是采集终端使用，将嵌入式工程实践的教学方法和成果贯穿到该专业的各个实训环节中。
3.2课程内容建设
嵌入式工程实践课程的定位是前期知识的综合运用，其课程内容主要是通过一个贴近工程实践的项目完成对硬件、软件以及技能型课程的知识回顾。课程内容如图3所示，完全按照实际项目的流程安排教学活动，在教师的引导和辅助下，学生需要自己设计电路、验证电路（仿真）、制作电路板、焊接调试，并编写嵌入式软件，最后完成实践报告的撰写。由于教师精力有限、学生经验不足，所以工程项目不能像高年级实践课程那样完全由学生自己发挥，在不断的尝试中我们总结了一套以相同的核心板搭配学生自己调试设计的外围模块进而搭建一个小而全的设计课题。单片机最小系统部分，教师会讲解其原理，由学生自己完成PCB的布局、布线；在自由发挥部分，教师只提出功能要求，电路设计和调试都交给学生。例如最简单的流水灯，学生需要自己选择用高电平输出驱动还是低电平驱动，自己选择不同颜色的LED，自己决定限流电阻的阻值和功率，并在PCB制作中决定其封装。
3.3嵌入式工程实践教学平台设计
嵌入式工程实践教学平台主要是核心板部分，这部分是学生的所有实践作品中共有的，也是可以用于高年级其他实践课程的。教师需要规划好核心板的功能，并提出要求，学生按照教师的要求完成电路的设计与制作。由于最终的核心板是每人一块，最终完成的板子归学生自己所有，因而核心板的成本需要控制在25元以内。核心板主要包括单片机最小系统、通讯接口、人机接口、参数存储等部分。最小系统包括电源、晶振和复位电路、单片机；人机接口包括了常用的矩阵式按键和数码管；参数存储采用了IIC总线接口的EEPROM；通讯口采用USB转串口芯片CH341。其余的IO口全部引出，方便增加其他外围功能模块。
该核心板的单片机采用了Mega328，主要原因包括：①Mega328有直插封装的芯片，方便低年级学生焊接调试；②Mega328直接支持Arduino开发环境，方便学生日后将该平台当作Arduino开发板，完成设计的快速原型设计。为了支持Arduino IED，设计过程中需要对电路做适当改动，将CH341的DTR引脚经过100nF的MLCC电容与Mega328的复位引脚相连，使Arduino IDE可以通过DTR引脚对单片机进行复位，这是通过Arduino IDE下载固件所必需的。
本课程中学生自己设计、制作的嵌入式工程实验板归学生所有，实践证明通过所有权的转移，学生对该课程的学习兴趣大大增强，不但对实践板爱护有加，并大大调动了学生的竞争意识，争相将属于自己的设计做到最好，图5为上学期两例学生作品。
3.4考核方式设计
考核方式是教学过程中非常重要的一个环节，一方面要考核学生的知识掌握情况，更重要的是合理的考核方式可以激发学生的学习动力，夯实教学效果。
嵌入式工程实践课程的考核主要依据作品完整度和最终的设计报告。在课程开始会详细介绍考核方式的细节，由于作品完整度和设计报告并无统一的标准答案，所以实际操作中我们的做法是：通过展示高年级学生的优秀作品和设计报告来激励学生。其次在评分模块中还包括日常表现，诸如考勤、团队精神、个人在团队中的贡献等，这部分占总成绩的30%，主要由学生互评产生。这种新颖的互评方式比较成功地激发了学生的课程参与热情，与之前完全由教师考勤相比，效果改善非常明显。
作品成绩由两部分组成，首先是基础部分，由教师根据作品的工作量和完整性给出，其次是作品答辩环节，由学生上台答辩，对作品的功能、原理和设计过程进行介绍，评分小组给出答辩成绩。这个环节对于教师来讲最浪费时间，由于每个小组至少8分钟的答辩时间，按照3人一个小组算，答辩过程也需要3-4次课。但是经过这样的课程答辩，锻炼了学生的表达能力，为学科竞赛打下了扎实的基础。从笔者多年的教学经验看，经过课程答辩的训练，学生们在专业自信、语言表达、思辨能力等方面都有了较大的提高，这些能力的提升也在日后的学科竞赛中得到了印证。
4.结语
经过笔者近4年的教学改革尝试，初步完成了嵌入式工程实践课程教学内容的建设和教学平台核心模块的设计，并对该课程和其他课程的先行后继关系进行了系统的梳理。该课程完成了在低年级阶段的第一次综合性知识运用实践，实践作品由学生自己设计完善、制作、调试，最终设计作品所有权归学生所有。该教学平台也是高年级实训课程的一个基础模块，将在后续的专业实践中继续发挥作用。该课程在每年的学生学习效果反馈中，在全院课程中连续4年位列第一，赢得了学生的一致好评，同时涌现出很多优秀的学生作品，学生学习积极性得到很大改善，专业认同和知识技能得到很大提升，教学改革效果显著。
