以智能家居为载体的高职物联网专业嵌入式微控制器课程改革探索

浦灵敏，胡宏梅

（苏州健雄职业技术学院 人工智能学院，江苏 苏州 215411）

0 引 言

物联网是物物相连的互联网，这里的物就是指智能终端设备，而智能设备的核心就是微控制器，它通过对数据和信息的分析处理，实现对物体的智能化控制。

随着嵌入式技术在物联网产业和日常生活中占据的比重越来越大，企业对嵌入式技术人才的需求也与日俱增。近年来，嵌入式微控制器被广泛应用于物联网、工业互联网等领域，各大高职院校也纷纷在物联网应用技术专业开设了嵌入式微控制器类课程，我院的嵌入式微控制器采用了意法半导体（ST）公司推出的基于ARM Cortex-M内核32位的STM32系列处理器，该处理器以其众多优点广泛应用于各个行业，大到工业控制，小到家用电器，如工业机器人、无人机、运动手环等，都能见到STM32处理器的身影。该课程为物联网专业的核心课程之一。

1 课程现状

高职物联网专业课程体系综合了不同学科的专业知识，结合了硬件设计和软件开发，既需要掌握理论又与实际应用紧密联系，特别对实践要求很高，嵌入式微控制器课程涉及软件编程、硬件设计与调试等综合应用能力，而目前的教学内容仍以知识点的验证性技能实训为主，涵盖了开发环境的搭建、GPIO口控制、中断系统、定时器、串口通信、LCD显示、模/数转换器等处理器内部资源的应用，每个模块相对独立，前后关系不明显，学生很难了解基于STM32嵌入式微控制器的整机控制系统的开发过程。随着教改的深入，课程最后一般会安排1～2个综合性的任务，但仍然无法渗透物联网产业的新需求；同时由于缺乏接口编程和无线通信方面的任务，导致与其他物联网技术的衔接也不够，使之在物联网专业课程体系中成为一门普通的32位单片机课，完全不能体现STM32微控制器在物联网产品开发中的关键技术应用。

本文结合目前我院正在开展的课程教学改革实践，提出以具有代表性的物联网智能家居产品为贯穿课程的综合项目，把各碎片化的知识点和技能点结合起来进行教学的课程设计方案，通过自制的物联网智能家居实训平台和配套的教学资源，重构课程体系和典型任务，力求通过循序渐进的模块学习，进一步提高学生STM32微控制器的应用开发技能。

2 课程设计思路

以物联网智能家居典型产品为载体，研究嵌入式微控制器课程项目教学方案，依托团队自主研制的实训平台，将智能家居控制系统分解成模块，设计以这些模块功能作为子任务的课程体系，使得每个任务的目标更为明确。同时，通过制定和实施有效的评价体系，有效评估学生真正的实践技能。

2.1 课程定位

嵌入式微控制器课程是为拓展学生的专业知识和技能而开设的一门培养学生物联网系统技术集成能力的专业课程，培养学生具备物联网嵌入式系统整合能力、程序语言设计能力、产品应用导向能力，使学生具备理论联系实际、运用所学知识发现问题和解决问题的能力，为今后从事物联网智能系统的安装和调试、终端产品的软硬件测试和开发打下基础。

2.2 课程硬件系统

本课程采用专业团队自主开发的智能家居嵌入式实训平台，相关硬件资源如图1所示。与传统的STM32开发板不同，该实训平台可以通过WiFi和GPRS无线通信模块与物联网云端连接，并能与本地ZigBee协调器组成网关，实现远程和近距离组网通信，最终能够使学生真实体验基于STM32微控制器的物联网智能家居系统软硬件设计调试全过程，并为后续无线传感器网络和安卓APP开发等课程打好坚实基础。

图1 智能家居实训平台硬件资源

此外，该硬件平台引出了所有的STM32微控制器GPIO引脚，预留通用扩展接口区，学生可根据智能家居项目的实际情况，创新性地设计连接其他外围传感器电路模块，打破原来项目配套硬件的限制，解决了智能家居项目内容不断更新的问题，使嵌入式微控制器课程的项目开展更具灵活性。在实训平台上，学生能够结合课堂所学，实现自己设计和搭建硬件电路。

2.3 课程教学内容

在教学内容上，根据物联网专业的特点，在课程标准中着重突出STM32微控制器与外围驱动电路的设计方法，并加大传感器驱动程序操作实践训练力度，注重对网络和接口编程方面的技术技能的培养。在此基础上，重构原有课程教学内容，将传感器、单片机、移动终端开发等课程中与物联网相关的内容进行提取、归纳和整合，并将其融入到智能家居项目中，重新设计后的课程教学项目内容如图2所示。

图2 课程教学内容

在课程内容的资源上，建设与线下课程互为配套和补充的线上教学资源，包括基于自制实训平台的教学视频、覆盖全部学时的多媒体课件和网络答疑模块，学生可以反复观看、随时学习、实时互动。同时，线上资源中加入大量的基于STM32微控制器的工业应用案例库和技能大赛真题，从而激发学生学习主动性，培养课堂外的创新实践能力，也为今后学生自主创业与各级各类技能大赛做好了人才储备。

此外，课程采用意法半导体最新的开发软件—STM32CUBEMX，它允许用户使用图形化界面直观地对目标微控制器的引脚、时钟等进行初始化配置，快速生成程序架构，并在Keil-MDK上进行二次开发，大大降低了使用门槛，非常适合有一定单片机基础的高职学生使用。

2.4 评价体系

传统的评价体系已经无法满足企业对嵌入式微控制器领域人才的需求，本课程摒弃过去以终结性考核为主的评价方式，通过校企共同设计考核标准，建立多元化评价体系，突出项目展示和汇报环节，由课程相关老师、企业专家、小组互评进行成果的点评和分析，重点考核课后拓展任务完成情况，孵化创新性的应用。对于小组课后基于STM32嵌入式微控制器设计开发的项目参加校级以上各类大赛获奖的，给予直接认定课程成绩。为学生应用课堂知识解决实际问题和开拓实践创新设计提供了一个很好的外部评价空间，充分调动了学生的学习积极性。

3 结 语

通过以成熟的物联网智能家居为载体的高职物联网专业嵌入式微控制器课程改革，构建STM32微控制器课程项目的教学体系，创新自制实训平台，改变评价体系的思路，明确了教学的方向，充分调动了学生学习的热情，让学生充分融入到项目的设计和开发中，使学生对嵌入式微控制器在物联网产品上的技术应用有了更深入的了解。

实践证明，该课程改革取得了良好的效果，学生在各级各类双创大赛和嵌入式技能大赛中均取得了优异成绩，学生制作的智能家居控制系统在全国物联网创新应用大赛中获得一等奖，学生能很好地学习和理解STM32处理器作用和性能，正确掌握物联网领域嵌入式产品开发较为合理的方案，相关毕业生受到用人企业的一致肯定。