面向物联网工程专业的嵌入式系统实验教学研究
符宁
摘要：文章围绕物联网发展形势下的嵌入式系统实验教学实践展开论述，对嵌入式系统实验教学的课程设置、系统化教学过程等进行了深入的分析，并对物联网项目与嵌入式教学系统的融合给高等教育带来的变革进行了研究。文章还总结了物联网应用背景下嵌入式系统课程体系的建设及教学创新成果，为全面提升学生的理论和应用能力提供重要的参考价值。关键词：物联网；项目驱动；嵌入式系统实验教学；教学改革
1.物联网背景下的嵌入式系统教学课程
1.1物联网的概念
物联网的概念始于20世纪90年代末期。当时的物联网，主要是针对物与物、人与人之间的互联互通，提供技术支持。这个新型的概念和技术出现后得到了理论和工业界的充分关注。
1.2嵌入式系统的理论教学内容
嵌入式理论教学内容主要包括ARMffC：入式微处理器、嵌入式操作系统、应用和前沿发展等内容。以嵌入式开发技术掌握为教学目的。具体的授课内容包括；系统概述、微处理器的原理；实用操作、移植交叉开发、物联网在嵌入式系统教学中的应用等。物联网应用背景下的嵌入式课程体系框架如图1所示。
2.物联网基础上的嵌入式系统实验概述
2.1理论结合实践
物联网基础上的嵌入式系统实验设计采用的是层次化的实验环节，包含基础知识、动手能力、创造性思维等等。例如，嵌入式实验开发平台上，主流的串行接口和以太网接口，GPS全球定位系统模块，总线接口等等。这些接口和物联网的应用背景是通过层次化的实验设计展开的。内部包含了实验的要求和实践阶段的不同设置，整体层次的设计从浅显到深入，实验层次不同，对应的组织形式也不同。例如基础性实验的目的用于熟悉物联网，实验层次的循序渐进，为了实践的开发和设计打下了基础。而综合性的实验和实践是为了提高物联网的应用能力。
2.2实践与合作相结合
在物联网中间层的嵌入式网关设计中，根据模块接口的采集，终端的经纬度信息得到无线数据手法模块中的传感器的温度和日照等的环境信息，通过ARM处理器打包成UDP数据包，将之通过以太网网络接口传送到基站的服务器中。
整个流程为，从以太网网络进行接入，将数据传送到嵌入式处理器，通过GPs模块接口进行无线数据的收发，再传送到嵌入式处理器中，最后到达外部存储器。
在物联网的技术支持下，学校组织学生成立了第二课堂，组成了以物联网为主题的学习小组，对项目进行模拟实践和开发。例如GPS数据采集和处理的课题小组，要对操作系统、网络协议栈的移植、多任务的GPS模块的接口数据进行打包，UDP数据包发送到网络等众多内容进行实践。在团结合作中，兴趣小组的同学各自有分工合作，最终实现了将终端传感器传送了了基站的网络服务器的实验目标。
3.嵌入式系统教学的现状
坚持对嵌入式系统的教学的创新进行探索，包括课程设置、基础知识的传授、教学软硬件平台的搭设、实践教学的组织等等。目前在教学中存在以下特点。
在嵌入式系统的教学中，课程定位的方向以及应用不同。有的院校侧重于底层和系统文件的构建，有的院校侧重于应用以及软件的开发。
在嵌入式系统教学的课程中，由于院校课程定位的不同，因此在课程设置上也有所不同，有的偏重于硬件的设计，有的以电路设计为主，有的偏重语言程序的设计。
在嵌入式教学的学时分配上，有的院校侧重于课程的要求，有的院校侧重专业的核心课程，有的院校侧重专业的通识课程设置，有的院校将其作为辅修课程，因此在学时的安排上各有不同。
在教学内容上。嵌入式系统课程中理论和概念较多，因此学生容易感到枯燥，对于知识体系的架构来说，积极性不高会导致学习效果不佳，同时嵌入式教学平台目前的种类偏多，但是配套的操作系统却没有跟上。
嵌入式教学体系具有若干缺点，首先，在传统的教学模式中，教师的主导性地位过强，教师只会将教材中的章节进行讲解。但是基础理论往往于实践脱钩，使得理实一体化难以实现。有限的课程中，教学内容多用于理论学习，能够强化学生实践能力的实践课程较少。
嵌入式系统教学中以网路协议栈、文件系统、数据库管理系统、媒体压缩和解压缩系统等等的数据实验平台众多，但是真正能够以为学生提高学习成效，加强软件基础为目标的课程设置不多。
4.基于物联网项目驱动的嵌入式系统教学架构
当前，高等院校的教育体系中，对教学项目进行构建，对教学课程进行设置，往往是围绕着工程能力的培养展开的。物联网技术的发展背景下，嵌入式系统的课程教学体系必须也有相应的调整，才能应对当今时代和社会发展的需要。
企业的生产过程以及实际的应用价值，是教学内容在选择上参照的依据。高等院校培育的学生，必须要获取实践机会，提升决策和实施的能力，并且能够制定物联网系统规划，培养对物联网项目的評估能力。
嵌入式系统教学的知识点一般较为碎片化，通过学校与企业合作的形式，将这些碎片加以重组。例如，在物联网企业的要求下，教学项目设立了一个以某企业的产品为主项目的子项目，在子项目中将任务具体化，分解到每个学生身上，学生参与到项目中，成为教学的主体，在真实的企业生产情景下，感受到物联网学习的氛围以及学习内容。
项目启动后，课程被分解为小组学习的模式，学生担任项目中的角色，大约4～5个学生分为一个项目团队。项目中，学生成为企业员工，担任开发程序中的角色。在实习中，学生的角色可以进行轮转和互换，以便于课程结束后，学生能够对项目的全部流程有深刻认识。
在项目进行过程中，学生的实际能力表现都是项目考核和评价的内容。每个学生在团队中的表现以及工作成果都被记录下来作为将来接受课程评价的依据，学生的能力也通过项目的开展不断提高，为将来进入社会成为工作岗位的中坚力量打下了牢固的基础。
在具体的项目教学中，学生以开发成员的身份进入项目小组中，根据实际项目设计目标研究项目任务书，进行项目的需求分析、项目的设计、项目的实现和系统测试。
以具体的项目内容为例，实践项目要求通过嵌入式uNux系统，进行各个计算机流程的操作，包括系统裁剪、电机控制、驱动文件加载、交叉下移，平台嵌入式编译等等。在模块化教学的情景下，学生可以学习如何设计系统结构和接口，在理实一体化的模式下将项目软硬件系统通过设计和编码进行实现。
在项目完成之后，教师、企业、学校组成专门的评价小组，对照工作任务要求，逐项检查项目完成情况。对不足的部分要求学生进行分析和修改，并要求项目小组内的同学和不同小组的同学开展互相评价、总结，以综合的考评成绩作为对学生的考核结论。
5.结语
在物联网的飞速发展的技术背景下，需要将嵌入式系统课程的教学与物联网技术结合起来。教学重点是让学生在实践的项目中掌握物联网系统的设计和实现方法。通过嵌入式教学改革和实践，学生对于物联网技术的认识和理解得到提升，对物联网项目开发的过程有了深刻体会，参与团队的积极性和主动性得到提高，解决实际技术问题的能力也得到有效提升。在物联网项目驱动的嵌入式教学改革实践后，学生对物联网技术及其应用也有了更为深入的了解。今后高校将继续探索物联网项目为引导的嵌入式系统的实践教学的新模式和新方法。
