高职物联网专业嵌入式系统开发教学改革与实践

2024-09-24张萍

物联网技术 2024年5期

摘要：文章总结了高职物联网应用技术专业嵌入式系统教学存在的主要问题，并针对这些问题进行了教改探索，以嵌入式网络应用程序开发为例演示教改实践。实验项目紧跟行业发展，体现物联网专业特色，从易到难，从简单到综合，层层递进，从而解决了“学了不会用”“课堂与实际脱节”的问题。实践表明，教学改革解决了学生学习过程中的痛点和难点，提高了学生学习兴趣，提升了技能，取得了较好效果。

关键词：教学改革；物联网；嵌入式；网络应用程序；云平台；课群

中图分类号：TP393.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-0-04

0 引言

嵌入式技术是物联网的关键技术之一，嵌入式系统开发是高职物联网应用技术专业的专业课。嵌入式系统开发是一门实践要求高、综合性强的专业课程，前导课程多[1]，知识点庞杂，入门门槛高。高职物联网应用技术专业除要求学生掌握嵌入式系统的基本概念、嵌入式系统的开发流程、嵌入式主流操作系统、嵌入式开发环境的建立[2]等，还要结合物联网应用技术专业特点，要求学生掌握物联网项目中的嵌入式系统开发知识和技能、物联网端+云端[3]的项目开发模式，掌握物联网云平台的使用，具备基本的嵌入式开发知识、技能及简单物联网项目的设计与实现能力，为未来从事物联网方面的工作打下良好基础。但目前高职嵌入式系统开发教学面临诸多问题，研究探索这门课程的教改对于提升学生技能和学生的职场竞争力有重要意义。

1 高职物联网应用技术专业嵌入式系统教学存在的问题

（1）嵌入式系统技术入门难，对学生的知识储备、技能储备要求高

嵌入式系统开发前导课程多，比如C程序设计基础、数电与模电、单片机、Linux操作系统、计算机网络与通信[4]等。前导课程没学好，导致基础不牢，这门课程想学也学不好，使学生的学习兴趣和积极性受到打击。

（2）实验资源受场地、时间等客观条件限制，学生无法充分使用

受实验室管理制度的约束，实验设备只能上课时间使用，课余时间想做实验也缺乏设备。高职学生的经济条件普遍不是很好，自己购买设备存在困难，导致缺少实验条件，缺少实践练习。

（3）缺少具有物联网专业特色的高职嵌入式系统应用开发教材

由于高职学校扩招，近年来从中职升上来的学生比例越来越高，他们基础较为薄弱，喜欢动手实践，不喜欢听理论知识。当前嵌入式教材大部分是本科教材，理论知识较多，实践内容较少，缺少合适的具有物联网专业特色的高职嵌入式教材。

（4）学生接受能力不同，传统教学模式难以满足不同层次学生的需求

学生的接受能力不同，如果教学内容难了，大部分学生听不懂；如果内容过于简单，有部分学生又“吃不饱”，难以满足不同层次学生需要，无法做到因材施教。

（5）学生普遍有畏难情绪，学习兴趣、积极性不高

由于嵌入式系统开发入门门槛高，实验条件受限，学生普遍觉得课程难学，学习兴趣、积极性不高。

2 嵌入式系统课程教改探索

针对上述问题，本文进行了以下方面的教改探索：

（1）为解决嵌入式系统技术入门难以及对学生的知识储备和技能储备要求高的问题，梳理嵌入式系统开发相关的基础课程，包含但不限于C语言程序设计基础、数电模电、单片机、Linux操作系统、计算机网络与通信等，明确嵌入式系统开发会用到的课程内容，要求任课教师将这些内容作为重点必教内容，并针对这些课程提供线上课程。因为某些课程开设的时间比较早，学生对有些内容可能已经遗忘。如果有线上课程，他们能够根据需要补上自己薄弱的环节，降低嵌入式的入门难度。

（2）针对实验资源受场地和时间等客观条件限制、学生无法充分使用的问题，购置一批树莓派开发板和相关的传感器模块，在物联网应用技术专业学生的每个寝室配备两套实验资源，方便学生课余时间进行练习。

（3）针对缺少具有物联网专业特色的嵌入式系统应用开发课程教材的问题，梳理与物联网专业紧密相关的嵌入式知识，形成补充讲义，配合实验文档采用“知识点→案例→实际项目”递进的教学方式[5]，从易到难，从简单到综合，进行知识传授和技能训练。

（4）针对学生接受能力不同，传统教学模式难以满足不同层次学生的需求的问题，在进行实验设置的时候分为基础实验、验证性实验和拓展实验[6]，要求基础实验、验证性实验是必做实验，拓展实验是拔高内容，可以选做。充分利用线上课程能让学生反复观看、自主学习的特点，将拓展性的内容做成网课，采用学生自主学习、老师答疑的方式。

（5）针对学生普遍有畏难情绪、学习兴趣和积极性不高的问题，一方面可以通过提供网课资源，帮助他们查漏补缺，降低学习门槛；另一方面，给学生提供开发板，让他们能够自主进行实验练习。同时成立兴趣小组[7]，既可以培育创新创业训练项目，也能为技能竞赛选拔人才，起到以点带面的作用，为其他同学树立榜样，带动其他同学共同进步。

将教学目标分为“知识层、技能层、应用层、创新层”的递进目标。知识层：通过老师课堂讲解、线上课程教学视频、实验文档的原理部分，解决“学什么”问题。技能层：学生根据教师提供的实验文档，完成课堂任务，当场验证学习效果，找到学习痛点、难点，解决“怎么学”的问题。应用层：线上教学资源中一部分是案例和综合性较高的实验，属于拓展学习，由学生根据自身的学习情况判断是否要学习，解决“怎么用”的问题。创新层：成立兴趣小组，鼓励学生参加创新创业训练计划、攀登计划、技能竞赛等，在实战中锻炼技能，培养创新能力。开展线上与线下混合式教学，提供丰富的线上教学资源，满足学生个性化需求。

3 教改实践

3.1 教学内容

高职物联网应用技术专业嵌入式系统课程涉及的教学内容包括嵌入式硬件的基本组成，嵌入式系统的开发流程，主流嵌入式操作系统Linux的使用、裁剪和编译，嵌入式系统开发环境的搭建，嵌入式应用程序和驱动程序的开发，嵌入式系统的调试方法，物联网云平台（OneNET）和无线通信模块ESP8266的使用。根据高职学生动手能力较强、理论知识薄弱的特点，在教学中通过大量的实验进行知识传授、技能训练。紧跟物联网技术发展趋势，围绕物联网项目中所需的嵌入式开发知识和技能，从虚拟机到开发板，从单个知识点到项目综合训练，从Linux基础、嵌入式开发环境建立、Linux应用程序开发、Linux驱动程序开发、云平台和ESP8266五个方面设计实验，见表1所列。

3.2 教学设计

教学设计以学生为中心，遵循认知规律，设置递进任务。利用线下课堂和真实设备进行知识讲解、技能演示、任务训练；以线上在线课程作为补充，课后开展案例实践、创新创业训练、技能竞赛训练等活动来提升技能，激发潜能，提高学习兴趣。

遵循认知规律，设置递进任务，即将目标任务分解成子任务，化整为零。利用线下课堂、真实设备和线上在线课程的单元学习模块，提供实验文档、演示视频、实验素材等，让学生进行专项知识学习、技能训练；通过在线课程的案例模块展示实际应用，启发学生有所创新，完成“知识层、技能层、应用层、创新层”嵌入式进阶教学（如图1所示），实现“老师教、学生仿，学生创，老师用”的角色互换。

3.3 以嵌入式网络应用程序开发为例演示教改实践

教改对于提高学生的实操能力、工程能力、职场竞争力具有现实意义。以12学时的嵌入式网络应用程序开发为例演示教改实践，实验内容从专项知识点训练到多个知识点叠加训练再到开源项目[8]的复现，实验环境从虚拟机到开发板再到云平台，从易到难构建训练项目，覆盖嵌入式网络应用程序开发所需知识和技能，体现物联网专业特色。嵌入式网络应用程序开发教学内容见表2所列。

Linux Socket网络通信需要让学生掌握网络通信的基本概念和网络编程函数簇，能根据基于TCP协议的网络程序编程流程编写网络客户端程序。在该实验中使用图2所示的网络调试工具Netassist、抓包工具Wireshark，帮助解释说明Socket、IP地址、端口、四元组、网络模型（物理层、链路层、网络层、传输层、应用层）等网络基本概念，并设置Netassist为服务器模式，编写网络客户端程序与Netassist进行通信。通过编写客户端程序掌握网络编程的基本函数，通过实验对网络通信过程有感性的认识，降低学习的难度，缓解学生的畏难情绪。

网络通信服务器设计让学生模拟实现Web服务器，掌握并发服务器的工作原理以及常用的通信协议HTTP，并将进程知识和网络通信知识结合。首先在虚拟机上实现使用多进程编写简单的并行Web服务器，再使用交叉编译和嵌入式开发环境建立知识，将虚拟机上的程序移植到开发板。这个实验综合性较强，Linux Socket网络通信、交叉编译、嵌入式开发环境这些单个知识点在前期课程中已经学过，在该实验中得到综合使用。在开发板上实现Web服务器，能够让学生学习各个知识点之间的配合使用。

网络通信服务器设计是让学生模拟实现Web服务器，但嵌入式系统中的Web服务器有更高的要求，模拟实现的Web服务器实用性较差。嵌入式开发中有很多可以使用的开源资源，学会使用开源资源是从事嵌入式工作的一项重要技能。BOA服务器编译及测试能够让学生掌握开源Web服务器BOA的工作原理及使用方法，学生通过阅读开源代码，可以学习先进的编程理念和编程技巧，加深对网络通信的理解。BOA服务器在嵌入式项目中经常使用，以BOA服务器为例，教学生如何编译、移植、使用开源项目，设计实验内容与实际工作内容接轨，提高学生兴趣，提升学生技能，增强职业竞争力。首先在虚拟机中完成该实验，再启发学生将其移植到开发板上，前期实验中学生已经做过相关移植工作，考察学生是否会活学活用，将知识转化为能力；同时通过综合性的实验，进一步训练学生，提升技能。

通过采集温湿度上传至OneNET云平台让学生掌握物联网项目开发模式，构建“端+云”的物联网项目。OneNET是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台，是基于物联网特点打造的专业化网络通道，提供“云-管-端”一体化的智能管道和支撑系统。在OneNET云平台上创建应用，应用下建立虚拟设备，每个虚拟设备有其设备ID和APIKEY，对应真实场景中的设备。OneNet云平台数据流展示如图3所示。云平台替代传统服务器的角色，降低了项目开发的成本、周期、难度，在物联网项目中得到了广泛应用。与云平台通信需要符合云平台所支持的通信协议，由此引出JSON数据格式等知识。从实际工作需求提炼实验，以温湿度模块为例，实验采集传感器数据上传至云平台。该实验综合性强，需要使用驱动开发、网络通信、云平台、交叉编译、嵌入式开发环境建立等多项知识，增强学生职业素养。

四个实验从易到难，从简单到综合，层层递进，让学生知道如何将知识组合起来形成一个实际项目，解决“学了不会用”“课堂与实际脱节”的问题。实验的设计紧跟行业发展，体现物联网专业特色。

3.4 课程考核

为保证学习效果，从多维度考核学生，评定学生成绩，重视培养学生的自学能力和实践能力。在考核时，通过课堂提问等方式考察学生课前预习的情况，通过优慕课的在线测试、实验环节（实验指导书、演示视频）检验学生课堂学习情况，通过优慕课的课后作业巩固学习效果，查漏补缺，每学期安排二到三次随堂测试，对阶段性知识内容进行考核，让学生保持适度的学习紧张感，有效完成本课程教学目标。建立课内、课后多元评价体系，参与第二课堂的同学，根据其学习表现，主要从作品完成度、难度等方面判断，给予一定的附加分，鼓励学生参与，提高实践能力。

4 结语

本文开展的嵌入式系统开发教学改革旨在从学生的实际需求出发，切实解决他们学习中的难点和痛点。针对高职学生大部分来自农村、家庭经济条件普遍不是很好的问题，以宿舍为单位提供实验器材，既能解决他们课余时间因缺少实验器材无法练习的问题，又有助于培养他们的团队意识、协作精神，在宿舍建立良好的学习氛围。另外，提供嵌入式系统应用开发相关前导课程的网课资源，方便学生自主复习，降低这门课程的学习难度，提高学习兴趣；重视课程的前后联系，进行课群建设[9]。嵌入式系统应用开发是一门综合性很强的课程，加强与其他前导课程任课老师的沟通，建设综合的实践项目，贯穿多门课程。利用前导课程进行独立知识点的训练，嵌入式系统开发课程集成各知识点呈现综合的训练效果。重视工程实践能力的培养，打造符合物联网应用技术专业特色的嵌入式系统应用开发课程[10]。从教学内容（梳理教学内容、紧跟行业变化、增加物联网的最新技术）、教学方式（线上与线下相结合）、学生培养（进行各类实践训练、课堂实践练习、组建兴趣小组、参加技能竞赛和创新创业训练计划等）等方面进行实践与探索。

参考文献

[1]严博文.面向高职院校的C语言程序设计教学改革探索[J].电脑与信息技术，2020，28（4）：93-94.

[2]喻剑.嵌入式系统实验教学方法改革研究[J].电子元器件与信息技术，2021，5（3）：255-256.

[3]殷婷婷，杨忠，徐楠，等.新工科背景下物联网工程专业嵌入式系统课程教学探索[J].物联网技术，2022，12（12）：139-141.

[4]吴晨睿.新工科背景下“嵌入式系统”课程教学改革研究[J].南方农机，2021，52（14）：173-174.

[5]郭超，姚雷博，胡友耀.基于创新能力培养的嵌入式系统课程教学改革策略探析[J].电子元器件与信息技术，2021，5（7）：163-164.

[6]王博，黄永红，贾好来.“嵌入式系统及应用”课程思政教学实践[J].电气电子教学学报，2020，42（6）：25-29.

[7]张君君，刘慧慧，张瑶.项目驱动教学法在ARM应用技术课程中的运用[J].电子元器件与信息技术，2021，5（12）：149-150.

[8]刘炜，曾鸣，田岚.新工科背景下嵌入式微处理器原理与应用实践教学建设[J].物联网技术，2021，11（5）：111-114.

[9]李佳，吴同金，庞志华.应用型本科电子信息工程专业嵌入式课程教改研究[J].北华航天工业学院学报，2021，31（4）：54-56.

[10]席广永，王丽萍，邹东尧，等.面向系统能力培养的物联网工程课程体系建设—以工程认证为抓手[J].物联网技术，2021，11（6）：120-122.

作者简介：张萍，江西抚州人，硕士，现任广东工贸职业技术学院物联网应用技术专业专任教师，研究方向为物联网应用。