基于物联网方向的嵌入式系统工程专业课程体系构建研究

蔡振

【摘要】 物联网为嵌入式专业的发展提供了广阔的发展空间。根据培养目标，重构专业课程体系，提出以单片机为主的低端课程体系和以ARM为主的高端课程体系并举，探讨系统重构后的课程安排、教学形式和考核方式，最后总结实施效果。

【关键词】 物联网 嵌入式课程 体系构建

物联网是目前社会发展最为迅猛的行业之一，但并非是一个全新的技术应用，是随着传感网、通信网、互联网的成熟与积淀孕育而成[1]。物联网技术已经被列为国家“十二五”规划战略性新兴产业[2]，政府对物联网产业的重视，给产业发展带来了积极影响，物联网为嵌入式专业的发展提供了广阔的发展空间。由于嵌入式在物联网体系中占有很重要的位置，因此，研究基于物联网方向的嵌入式系统工程专业课程体系具有重要的现实意义。

一、原专业设置存在的问题

1.1课程安排脉络不清楚

根据原专业的人才培养方案，人才培养偏向硬件层面一些，因此，安排了电路基础、模拟电子技术、数字电子技术、印制电路板设计与制作、单片机小系统制作、ARM原理与应用、linux操作系统应用、嵌入式系统设计与应用等，学生在学了这些课程之后，发现与应用电子技术专业学的差不多，但对基于ARM嵌入式系统的学时比重相对较少，没有凸显嵌入式系统专业的优势。

1.2课程独立、同质化严重

在原有的专业课设置过程中，仅限于嵌入式系统所需课程，课程之间的铺垫和渗透比较差。例如第三学期开设《单片机小系统制作》课程，课程只限于描述MCS-51系列单片机的学习，由于学期的限制，同时还开设的《ARM原理与应用》，课程限于ARM9系列微控制器的学习，两门课程结构安排同质化程序较高，加上同时开设，前者没有对后者起到铺垫效果。

二、基于物联网的嵌入式专业课程体系构建

2.1课程体系构建的指导思想

课程总目标是培养扎实的电子技术基础和MCS-51单片机、ARM微控制器系统应用能力以及物联网感知层的应用能力，能够在产品维修工程师、产品安装实施与调试工程师、技术支持工程师、应用程序开发工程师等职业岗位上，从事物联网嵌入式产品维修、产品安装实施与调试、技术支持以及应用开发等方面工作，有可持续发展能力和技术技能型专门人才。

嵌入式系统分为低、高端应用，结合学校实际情况，在开始学习阶段，采用8位单片机入门，详细掌握处理器内部构造和C编程语言，然后制作相关电子产品。在大二开始接触高端ARM处理器，ARM内部构造复杂，对高职学生来讲不需掌握其内部构造和指令系统，详细讲解控制外设的编程，制作嵌入式产品。从现有的条件来分析，如何统筹嵌入式的低端和高端系统实现在物联网感知层面上的应用，是课程体系重构的指导思想。

2.2课程体系构架

根据上述指导思想，将原有的课程设置全部推翻进行重构，主要从两个方向来实现：1）低端课程系列，以MCS-51系列单片机为主的课程系列，主要打造常规电子产品的设计与制作；2）高端课程系列，以ARM微处理器为主的课程系列，能对简单嵌入式产品进行设计与制作，同时对物联网产品进行操作和应用。专业课程体系架构如图1所示：

低端课程系列为电类专业基本都需要开设课程，结合我院生源情况和市场需求，培养了常规的电子产品所需人才。该系列的课程安排和原有的安排也略有不同，为了突显应用性，将《数字电子技术》放在《模拟电子技术》前面，为了强化单片机的重要性以及为ARM的学习打下基础，开设两学期的《单片机小系统制作》，这样单片机的学习过程中，模拟和数字电路都学完，外加Protel技术的学习后，就可以进行电子产品设计与制作实训了，实现课程之间环环紧扣，增加了各知识要点的渗透性。此外，《传感器》是一个特殊的课程，在电子产品设计中也是一个必不可少的部件，而在物联网中更是一个最重要的底层数据的源头，因此，在高端课程系列中也很重要。

高端课程系列是基于物联网而建立起来的课程，在原有嵌入式系统课程上演变而来，要突出物联网感知层【3】的应用，减少嵌入式微控制芯片ARM的理论知识，加大对嵌入式系统应用设计的学习，以及嵌入式系统在物联网感知层面的应用操作。课程首先安排物联网工程概论，让学生对物联网建立概念，建议安排在第一学期，然后开设基础课程《Linux操作系统应用》，懂得操作系统的应用后，接着开设《嵌入式系统技术与应用》，就可以在ARM开发板上进行嵌入式系统的学习和设计了，主要在Linux启动引导程序、内核、文件系统、字符型设备驱动程序、GPIO接口控制程序、嵌入式图形界面设计等方面、可以做出SD卡驱动、GPIO控制LED灯、PWM控制蜂鸣器等内容。在对嵌入式系统有一定程度的认识后，就开始进行物联网感知层的课程开设，由于感知层的模块很多，模块之间实现无线通信，因此，射频技术、移动通信技术、无线传感网、数据库等方面的知识都需开设，满足感知层的认识和应用。由于物联网在很多学科有交叉，所涉及到的知识也很多，结合我校实际情况，暂且在感知层上扩展嵌入式系统的应用。

实训课程系列中《电子产品设计与制作》主要针对低端课程的训练，可以制作心形灯、数字钟、电子广告屏、多任务控制器、无线取餐呼叫器、音乐光立方等电子产品。《嵌入式系统设计与制作》主要针对单个嵌入式控制系统的训练，可以制作远程温度采集与曲线生成器、基于手机遥控的视频监测车的设计与实现等嵌入式系统。《物联网技术应用实践》针对物联网感知层的应用，基于目前物联网在实际教学过程中遇到的问题，可以通过购买中智讯科技有限公司的ZWs210m4in1 IPv6下一代物联网实验平台来实现。最后，综合实训放在第五学期，通过制作简易智能家居产品将两大类课程知识进行有效地整合，达到人才培养的目标。

2.3教学形式

对于两个系列的课程，采用什么样的授课形式，须得由课程性质来决定。事实上，目前高职院校推广项目式教学由来已久，学校有段时间全部课程都推行项目式教学，但运行效果并不理想，对基础性质的课程如数字电子技术、模拟电子技术采用传统的教学模式效果要优于教改模式，并不是说教改模式不好，影响其教学效果的原因很多。结合学校实际情况，嵌入式专业在基础课程教学上采用传统的理论加实验的教学模式，像protel、单片机、传感器课程采用理论知识与项目实践1：1的形式。由于高端系列课程其理论知识要艰深一些，高职层面的学生难以理解，应尽量压缩在理论方面的学时，加大实践操作学时，可以采用1：2的形式，或是更高。理论和技术知识也很重要，像单片机、ARM课程没有理论的支撑，其功能根本就无法达到，但只讲理论没有应用，其知识内容也很难理解，所以，理论学习的原则以够用即可。

2.4考核方式

课程考核的形式对课程的学习起着非常重要的作用，好的考核形式可以很好地调动学生的学习主动性，提高动手能力。对于重构后的课程考核形式，这需要取决于其教学形式，采用传统教学模式的，笔试考核比较合适；采用理论与项目1：1形式的，笔试加作品考核比较合适；采用理论与项目1：2或以上的，采用作品考核比较合适。嵌入式系统和物联网课程适合采用作品考核形式，需要进行分组，一般3人为一组，完成一个作品。当然，考核方式并局限于此，可以采用多样化，只要有利于提高学生的学习热情都是合适的方式。

三、结语

基于物联网方向的嵌入式系统工程专业课程体系，是建立在人才培养模式前提条件下的，关于重构后人才培养模式已经撰文发表了。新的课程体系形成了前后有序、层次推进的体系架构，推行两个系列课程体系，满足物联网嵌入式不同层次的人才培养。

该课程体系已在2013级嵌入式系统工程专业的学生上实践2年了，目前学生学习热情高涨、运行效果良好，做出了形式多样的产品。

参 考 文 献

[1]百度百科.无线龙新型物联网实验实训室[EB/OL].[2014-07-07]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_8cc8e3990102uwr9.html

[2] 教高厅函 [2010] 13号文件 《教育部办公厅关于战略新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》[EB/OL].[2011-09-12].http：//bksy.zju.edu.cn/attachments/2010-03/01-126830215-136490.doc.

[3]沈苏彬，范曲，立宗平等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2009，29（6）：1-11.