嵌入式工程實踐課程與實踐教學平臺建設

呂皴　劉偉　葉立威

摘要：分析嵌入式及物聯網方向的知識結構和學生學習行為的特點，闡述嵌入式工程實踐課程在專業知識體系中的地位和作用，介紹嵌入式工程實踐課程建設方案、實驗平臺設計理念和考核方式。

關鍵詞：嵌入式工程實踐；物聯網；單片機；實踐教學平臺

0.引言

嵌入式及物聯網專業是筆者所在學校在嵌入式專業的基礎上為突出物聯網領域人才培養而進行的專業改革嘗試。物聯網方向與嵌入式方向的內涵具有很大的相似性，特別在應用型人才的知識構成上，這兩個專業方向具有共同的專業基礎，即強調軟件與硬件結合的嵌入式開發基本技能。同時，這兩個專業方向在教學特點上都突出知識的應用，強調學生在不同應用場景下解決問題的能力。

隨著智能家居、物聯網、移動互聯網和穿戴式設備等領域的發展，社會對嵌入式及物聯網方向應用型人才的需求呈現井噴式增長。但由于該方向需要多學科的融合，在實際應用過程中所需知識面廣、知識點繁雜，缺乏一以貫之的知識主線，學習難度較大。而當代學生自我約束能力較差，對教學工作提出了更高的要求。如何使教學安排和課程內容更好地適應專業特點和學生的學習特點是本文所述教學改革和課程建設的主要出發點和落腳點。

1.嵌入式及物聯網專業教與學的特點

1.1嵌入式及物聯網專業的特點

嵌入式及物聯網專業的教學目標是培養面向工程項目、立足實際的應用型人才，而工程應用場景差異很大、相關性差、知識繁雜，是一個很大的挑戰，只有經過多年實戰鍛煉的工程人員才能逐漸達到該專業的培養目標要求。如何在大學期間盡可能好地完成這個過程是高校教學需要解決的難題。從筆者的學習經歷來看，對嵌人式和物聯網相關知識的掌握及工程能力的提升應是螺旋式上升的學習過程，應該學習一實踐一再學習一再實踐，在實際工程應用過程中不斷加深對知識的理解，逐步提高開發能力。因而，本次教學改革的宗旨是將工程實踐盡早投放到專業教學階段，以實踐加強知識的吸收和消化。

1.2學生的學習特點

隨著社會的發展和進步，當代學生的學習習慣相比10年前已經發生巨大的變化。學習習慣較差、專注力和自我約束能力較為欠缺、注重知識的實用性，是當代學生共有的特點。在教學實踐中，經常出現這樣的情況：很多學生上課第一件事就是想弄清楚這門課有什么用？可以找哪類工作？如果不能很好、很生動地回答這個問題，很可能會打擊學生的學習熱情，可能還未展示課程的應用價值，學生已經不自覺地削減了學習的動力和興趣。要回答這個問題單單靠教師的口頭介紹是不夠的，必須通過實踐讓學生真真切切感受到知識在實際應用中的威力，才能破解知識學習過程中的第一道障礙。當代學生也有自身的優點，那就是自主意識強，學習過程中沖勁足，敢于并樂于投入大量的時間和精力去學習自己感興趣的知識。教育工作者需主動迎接這種學習主體的學習行為特點，通過教學改革改變教學模式和內容，有效破除學生關于知識實用性的疑惑，引導學生發揮其拼勁足、敢于創新的優勢，從根本上提升教學質量。

2.嵌入式及物聯網專業方向課程設置

嵌入式及物聯網專業需要軟硬件相結合，基本技能與具體應用相結合。下面以筆者所在院校為例介紹該專業的課程設置，如圖1所示。該專業學生的知識基礎為計算機體系結構、組成原理、程序設計和電子電路相關硬件課程。編程語言以c語言為主，在大一2個學期開設，總學時為128課時。在教學中淡化語法細節，強調編程能力，通過大作業、課程設計等形式代替作業和考試。硬件課程主要包括電路與模擬電子技術、數字邏輯設計和電子線路設計，強調動手能力，數字電路和電子線路設計配有專門的實踐課程，需要獨立完成作品設計。在大二開設第一門專業基礎課單片機開發技術，讓學生初步接觸底層嵌入式開發，在教學中采用c語言教學，以簡單的工程案例引入知識點，強調運用單片機解決實際問題，在掌握單片機開發技術的同時鞏固硬件知識和c語言編程能力。在單片機課程學期的最后4周開設本專業第一門綜合實踐課程嵌入式工程實踐，該實踐課程要求學生對前期所學的知識進行初步的綜合和應用，課程內容涉及電子電路等硬件知識、單片機開發、程序開發以及PCB布局布線、焊接調試等開發技能。隨后的專業基礎課包括嵌入式系統概論和Linux開發技術等，在大三后半學期開設物聯網與傳感技術課程，主要介紹zigbee、藍牙、WIFI和ISM頻段通信的無線聯網技術，以及對常用的傳感器技術進行系統性學習，旨在讓具有嵌入式開發基礎的學生強化物聯網與傳感器相關項目的開發技能。大四上半學期主要包括2個大課時量的綜合實訓產業實習等內容。

3.嵌入式工程實踐課程建設

3.1嵌入式工程實踐課程與其他課程間的先行后繼關系

以往綜合性實踐課都是在大三甚至大四開設，這樣的課程設置有一個嚴重的不足，那就是由于現在學生的學習耐性差，很多學生還沒有進入實踐課程學習，在實驗環節甚至理論學習環節就已經產生了厭學心理。面對這種情況，我們在大二增設了嵌入式工程實踐課程，其先行后繼的課程關系如圖2所示。該課程可以看作3類課程的綜合運用：數字電路、模擬電路等硬件課程；電子線路設計和電路仿真等技能型課程和單片機開發技術課程。在單片機開發課程的最后4周開設嵌入式工程實踐，強調對之前所學知識的運用，第一次讓學生深刻體會知識運用的樂趣，通過課程內容的設置、教師的引導，讓學生在課內完成工程實踐作品的硬件設計、PCB制作和焊接調試，最后完成嵌入式軟件的開發和調試。與此同時，本工程設計作品的核心部分可以作為后期物聯網實訓的傳感器采集模塊來使用，在嵌入式綜合實訓環節中當作主從通信的從機或是采集終端使用，將嵌入式工程實踐的教學方法和成果貫穿到該專業的各個實訓環節中。

3.2課程內容建設

嵌入式工程實踐課程的定位是前期知識的綜合運用，其課程內容主要是通過一個貼近工程實踐的項目完成對硬件、軟件以及技能型課程的知識回顧。課程內容如圖3所示，完全按照實際項目的流程安排教學活動，在教師的引導和輔助下，學生需要自己設計電路、驗證電路（仿真）、制作電路板、焊接調試，并編寫嵌入式軟件，最后完成實踐報告的撰寫。由于教師精力有限、學生經驗不足，所以工程項目不能像高年級實踐課程那樣完全由學生自己發揮，在不斷的嘗試中我們總結了一套以相同的核心板搭配學生自己調試設計的外圍模塊進而搭建一個小而全的設計課題。單片機最小系統部分，教師會講解其原理，由學生自己完成PCB的布局、布線；在自由發揮部分，教師只提出功能要求，電路設計和調試都交給學生。例如最簡單的流水燈，學生需要自己選擇用高電平輸出驅動還是低電平驅動，自己選擇不同顏色的LED，自己決定限流電阻的阻值和功率，并在PCB制作中決定其封裝。

3.3嵌入式工程實踐教學平臺設計

嵌入式工程實踐教學平臺主要是核心板部分，這部分是學生的所有實踐作品中共有的，也是可以用于高年級其他實踐課程的。教師需要規劃好核心板的功能，并提出要求，學生按照教師的要求完成電路的設計與制作。由于最終的核心板是每人一塊，最終完成的板子歸學生自己所有，因而核心板的成本需要控制在25元以內。核心板主要包括單片機最小系統、通訊接口、人機接口、參數存儲等部分。最小系統包括電源、晶振和復位電路、單片機；人機接口包括了常用的矩陣式按鍵和數碼管；參數存儲采用了IIC總線接口的EEPROM；通訊口采用USB轉串口芯片CH341。其余的IO口全部引出，方便增加其他外圍功能模塊。

該核心板的單片機采用了Mega328，主要原因包括：①Mega328有直插封裝的芯片，方便低年級學生焊接調試；②Mega328直接支持Arduino開發環境，方便學生日后將該平臺當作Arduino開發板，完成設計的快速原型設計。為了支持Arduino IED，設計過程中需要對電路做適當改動，將CH341的DTR引腳經過100nF的MLCC電容與Mega328的復位引腳相連，使Arduino IDE可以通過DTR引腳對單片機進行復位，這是通過Arduino IDE下載固件所必需的。

本課程中學生自己設計、制作的嵌入式工程實驗板歸學生所有，實踐證明通過所有權的轉移，學生對該課程的學習興趣大大增強，不但對實踐板愛護有加，并大大調動了學生的競爭意識，爭相將屬于自己的設計做到最好，圖5為上學期兩例學生作品。

3.4考核方式設計

考核方式是教學過程中非常重要的一個環節，一方面要考核學生的知識掌握情況，更重要的是合理的考核方式可以激發學生的學習動力，夯實教學效果。

嵌入式工程實踐課程的考核主要依據作品完整度和最終的設計報告。在課程開始會詳細介紹考核方式的細節，由于作品完整度和設計報告并無統一的標準答案，所以實際操作中我們的做法是：通過展示高年級學生的優秀作品和設計報告來激勵學生。其次在評分模塊中還包括日常表現，諸如考勤、團隊精神、個人在團隊中的貢獻等，這部分占總成績的30%，主要由學生互評產生。這種新穎的互評方式比較成功地激發了學生的課程參與熱情，與之前完全由教師考勤相比，效果改善非常明顯。

作品成績由兩部分組成，首先是基礎部分，由教師根據作品的工作量和完整性給出，其次是作品答辯環節，由學生上臺答辯，對作品的功能、原理和設計過程進行介紹，評分小組給出答辯成績。這個環節對于教師來講最浪費時間，由于每個小組至少8分鐘的答辯時間，按照3人一個小組算，答辯過程也需要3-4次課。但是經過這樣的課程答辯，鍛煉了學生的表達能力，為學科競賽打下了扎實的基礎。從筆者多年的教學經驗看，經過課程答辯的訓練，學生們在專業自信、語言表達、思辨能力等方面都有了較大的提高，這些能力的提升也在日后的學科競賽中得到了印證。

4.結語

經過筆者近4年的教學改革嘗試，初步完成了嵌入式工程實踐課程教學內容的建設和教學平臺核心模塊的設計，并對該課程和其他課程的先行后繼關系進行了系統的梳理。該課程完成了在低年級階段的第一次綜合性知識運用實踐，實踐作品由學生自己設計完善、制作、調試，最終設計作品所有權歸學生所有。該教學平臺也是高年級實訓課程的一個基礎模塊，將在后續的專業實踐中繼續發揮作用。該課程在每年的學生學習效果反饋中，在全院課程中連續4年位列第一，贏得了學生的一致好評，同時涌現出很多優秀的學生作品，學生學習積極性得到很大改善，專業認同和知識技能得到很大提升，教學改革效果顯著。