嵌入式工程實(shí)踐課程與實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

呂皴　劉偉　葉立威

摘要：分析嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)方向的知識(shí)結(jié)構(gòu)和學(xué)生學(xué)習(xí)行為的特點(diǎn)，闡述嵌入式工程實(shí)踐課程在專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系中的地位和作用，介紹嵌入式工程實(shí)踐課程建設(shè)方案、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念和考核方式。

關(guān)鍵詞：嵌入式工程實(shí)踐；物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

0.引言

嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)是筆者所在學(xué)校在嵌入式專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)上為突出物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)而進(jìn)行的專(zhuān)業(yè)改革嘗試。物聯(lián)網(wǎng)方向與嵌入式方向的內(nèi)涵具有很大的相似性，特別在應(yīng)用型人才的知識(shí)構(gòu)成上，這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)方向具有共同的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，即強(qiáng)調(diào)軟件與硬件結(jié)合的嵌入式開(kāi)發(fā)基本技能。同時(shí)，這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)方向在教學(xué)特點(diǎn)上都突出知識(shí)的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在不同應(yīng)用場(chǎng)景下解決問(wèn)題的能力。

隨著智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展，社會(huì)對(duì)嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)方向應(yīng)用型人才的需求呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。但由于該方向需要多學(xué)科的融合，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所需知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)繁雜，缺乏一以貫之的知識(shí)主線，學(xué)習(xí)難度較大。而當(dāng)代學(xué)生自我約束能力較差，對(duì)教學(xué)工作提出了更高的要求。如何使教學(xué)安排和課程內(nèi)容更好地適應(yīng)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)是本文所述教學(xué)改革和課程建設(shè)的主要出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

1.嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)教與學(xué)的特點(diǎn)

1.1嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)

嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)面向工程項(xiàng)目、立足實(shí)際的應(yīng)用型人才，而工程應(yīng)用場(chǎng)景差異很大、相關(guān)性差、知識(shí)繁雜，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，只有經(jīng)過(guò)多年實(shí)戰(zhàn)鍛煉的工程人員才能逐漸達(dá)到該專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)要求。如何在大學(xué)期間盡可能好地完成這個(gè)過(guò)程是高校教學(xué)需要解決的難題。從筆者的學(xué)習(xí)經(jīng)歷來(lái)看，對(duì)嵌人式和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)的掌握及工程能力的提升應(yīng)是螺旋式上升的學(xué)習(xí)過(guò)程，應(yīng)該學(xué)習(xí)一實(shí)踐一再學(xué)習(xí)一再實(shí)踐，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中不斷加深對(duì)知識(shí)的理解，逐步提高開(kāi)發(fā)能力。因而，本次教學(xué)改革的宗旨是將工程實(shí)踐盡早投放到專(zhuān)業(yè)教學(xué)階段，以實(shí)踐加強(qiáng)知識(shí)的吸收和消化。

1.2學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣相比10年前已經(jīng)發(fā)生巨大的變化。學(xué)習(xí)習(xí)慣較差、專(zhuān)注力和自我約束能力較為欠缺、注重知識(shí)的實(shí)用性，是當(dāng)代學(xué)生共有的特點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐中，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況：很多學(xué)生上課第一件事就是想弄清楚這門(mén)課有什么用？可以找哪類(lèi)工作？如果不能很好、很生動(dòng)地回答這個(gè)問(wèn)題，很可能會(huì)打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，可能還未展示課程的應(yīng)用價(jià)值，學(xué)生已經(jīng)不自覺(jué)地削減了學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。要回答這個(gè)問(wèn)題單單靠教師的口頭介紹是不夠的，必須通過(guò)實(shí)踐讓學(xué)生真真切切感受到知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的威力，才能破解知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的第一道障礙。當(dāng)代學(xué)生也有自身的優(yōu)點(diǎn)，那就是自主意識(shí)強(qiáng)，學(xué)習(xí)過(guò)程中沖勁足，敢于并樂(lè)于投入大量的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)自己感興趣的知識(shí)。教育工作者需主動(dòng)迎接這種學(xué)習(xí)主體的學(xué)習(xí)行為特點(diǎn)，通過(guò)教學(xué)改革改變教學(xué)模式和內(nèi)容，有效破除學(xué)生關(guān)于知識(shí)實(shí)用性的疑惑，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其拼勁足、敢于創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)，從根本上提升教學(xué)質(zhì)量。

2.嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)方向課程設(shè)置

嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)需要軟硬件相結(jié)合，基本技能與具體應(yīng)用相結(jié)合。下面以筆者所在院校為例介紹該專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置，如圖1所示。該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、組成原理、程序設(shè)計(jì)和電子電路相關(guān)硬件課程。編程語(yǔ)言以c語(yǔ)言為主，在大一2個(gè)學(xué)期開(kāi)設(shè)，總學(xué)時(shí)為128課時(shí)。在教學(xué)中淡化語(yǔ)法細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)編程能力，通過(guò)大作業(yè)、課程設(shè)計(jì)等形式代替作業(yè)和考試。硬件課程主要包括電路與模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)和電子線路設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力，數(shù)字電路和電子線路設(shè)計(jì)配有專(zhuān)門(mén)的實(shí)踐課程，需要獨(dú)立完成作品設(shè)計(jì)。在大二開(kāi)設(shè)第一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)，讓學(xué)生初步接觸底層嵌入式開(kāi)發(fā)，在教學(xué)中采用c語(yǔ)言教學(xué)，以簡(jiǎn)單的工程案例引入知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用單片機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題，在掌握單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的同時(shí)鞏固硬件知識(shí)和c語(yǔ)言編程能力。在單片機(jī)課程學(xué)期的最后4周開(kāi)設(shè)本專(zhuān)業(yè)第一門(mén)綜合實(shí)踐課程嵌入式工程實(shí)踐，該實(shí)踐課程要求學(xué)生對(duì)前期所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行初步的綜合和應(yīng)用，課程內(nèi)容涉及電子電路等硬件知識(shí)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)、程序開(kāi)發(fā)以及PCB布局布線、焊接調(diào)試等開(kāi)發(fā)技能。隨后的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課包括嵌入式系統(tǒng)概論和Linux開(kāi)發(fā)技術(shù)等，在大三后半學(xué)期開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)課程，主要介紹zigbee、藍(lán)牙、WIFI和ISM頻段通信的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及對(duì)常用的傳感器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，旨在讓具有嵌入式開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)的學(xué)生強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)與傳感器相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)技能。大四上半學(xué)期主要包括2個(gè)大課時(shí)量的綜合實(shí)訓(xùn)產(chǎn)業(yè)實(shí)習(xí)等內(nèi)容。

3.嵌入式工程實(shí)踐課程建設(shè)

3.1嵌入式工程實(shí)踐課程與其他課程間的先行后繼關(guān)系

以往綜合性實(shí)踐課都是在大三甚至大四開(kāi)設(shè)，這樣的課程設(shè)置有一個(gè)嚴(yán)重的不足，那就是由于現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)耐性差，很多學(xué)生還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)踐課程學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)甚至理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)就已經(jīng)產(chǎn)生了厭學(xué)心理。面對(duì)這種情況，我們?cè)诖蠖鲈O(shè)了嵌入式工程實(shí)踐課程，其先行后繼的課程關(guān)系如圖2所示。該課程可以看作3類(lèi)課程的綜合運(yùn)用：數(shù)字電路、模擬電路等硬件課程；電子線路設(shè)計(jì)和電路仿真等技能型課程和單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)課程。在單片機(jī)開(kāi)發(fā)課程的最后4周開(kāi)設(shè)嵌入式工程實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)對(duì)之前所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用，第一次讓學(xué)生深刻體會(huì)知識(shí)運(yùn)用的樂(lè)趣，通過(guò)課程內(nèi)容的設(shè)置、教師的引導(dǎo)，讓學(xué)生在課內(nèi)完成工程實(shí)踐作品的硬件設(shè)計(jì)、PCB制作和焊接調(diào)試，最后完成嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。與此同時(shí)，本工程設(shè)計(jì)作品的核心部分可以作為后期物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)的傳感器采集模塊來(lái)使用，在嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中當(dāng)作主從通信的從機(jī)或是采集終端使用，將嵌入式工程實(shí)踐的教學(xué)方法和成果貫穿到該專(zhuān)業(yè)的各個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中。

3.2課程內(nèi)容建設(shè)

嵌入式工程實(shí)踐課程的定位是前期知識(shí)的綜合運(yùn)用，其課程內(nèi)容主要是通過(guò)一個(gè)貼近工程實(shí)踐的項(xiàng)目完成對(duì)硬件、軟件以及技能型課程的知識(shí)回顧。課程內(nèi)容如圖3所示，完全按照實(shí)際項(xiàng)目的流程安排教學(xué)活動(dòng)，在教師的引導(dǎo)和輔助下，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)電路、驗(yàn)證電路（仿真）、制作電路板、焊接調(diào)試，并編寫(xiě)嵌入式軟件，最后完成實(shí)踐報(bào)告的撰寫(xiě)。由于教師精力有限、學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足，所以工程項(xiàng)目不能像高年級(jí)實(shí)踐課程那樣完全由學(xué)生自己發(fā)揮，在不斷的嘗試中我們總結(jié)了一套以相同的核心板搭配學(xué)生自己調(diào)試設(shè)計(jì)的外圍模塊進(jìn)而搭建一個(gè)小而全的設(shè)計(jì)課題。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分，教師會(huì)講解其原理，由學(xué)生自己完成PCB的布局、布線；在自由發(fā)揮部分，教師只提出功能要求，電路設(shè)計(jì)和調(diào)試都交給學(xué)生。例如最簡(jiǎn)單的流水燈，學(xué)生需要自己選擇用高電平輸出驅(qū)動(dòng)還是低電平驅(qū)動(dòng)，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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要是核心板部分，這部分是學(xué)生的所有實(shí)踐作品中共有的，也是可以用于高年級(jí)其他實(shí)踐課程的。教師需要規(guī)劃好核心板的功能，并提出要求，學(xué)生按照教師的要求完成電路的設(shè)計(jì)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(xué)生自己所有，因而核心板的成本需要控制在25元以?xún)?nèi)。核心板主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、通訊接口、人機(jī)接口、參數(shù)存儲(chǔ)等部分。最小系統(tǒng)包括電源、晶振和復(fù)位電路、單片機(jī)；人機(jī)接口包括了常用的矩陣式按鍵和數(shù)碼管；參數(shù)存儲(chǔ)采用了IIC總線接口的EEPROM；通訊口采用USB轉(zhuǎn)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(jī)采用了Mega328，主要原因包括：①M(fèi)ega328有直插封裝的芯片，方便低年級(jí)學(xué)生焊接調(diào)試；②Mega328直接支持Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境，方便學(xué)生日后將該平臺(tái)當(dāng)作Arduino開(kāi)發(fā)板，完成設(shè)計(jì)的快速原型設(shè)計(jì)。為了支持Arduino IED，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)電路做適當(dāng)改動(dòng)，將CH341的DTR引腳經(jīng)過(guò)100nF的MLCC電容與Mega328的復(fù)位引腳相連，使Arduino IDE可以通過(guò)DTR引腳對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，這是通過(guò)Arduino IDE下載固件所必需的。

本課程中學(xué)生自己設(shè)計(jì)、制作的嵌入式工程實(shí)驗(yàn)板歸學(xué)生所有，實(shí)踐證明通過(guò)所有權(quán)的轉(zhuǎn)移，學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣大大增強(qiáng)，不但對(duì)實(shí)踐板愛(ài)護(hù)有加，并大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，爭(zhēng)相將屬于自己的設(shè)計(jì)做到最好，圖5為上學(xué)期兩例學(xué)生作品。

3.4考核方式設(shè)計(jì)

考核方式是教學(xué)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一方面要考核學(xué)生的知識(shí)掌握情況，更重要的是合理的考核方式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，夯實(shí)教學(xué)效果。

嵌入式工程實(shí)踐課程的考核主要依據(jù)作品完整度和最終的設(shè)計(jì)報(bào)告。在課程開(kāi)始會(huì)詳細(xì)介紹考核方式的細(xì)節(jié)，由于作品完整度和設(shè)計(jì)報(bào)告并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，所以實(shí)際操作中我們的做法是：通過(guò)展示高年級(jí)學(xué)生的優(yōu)秀作品和設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)激勵(lì)學(xué)生。其次在評(píng)分模塊中還包括日常表現(xiàn)，諸如考勤、團(tuán)隊(duì)精神、個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的貢獻(xiàn)等，這部分占總成績(jī)的30%，主要由學(xué)生互評(píng)產(chǎn)生。這種新穎的互評(píng)方式比較成功地激發(fā)了學(xué)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(jī)由兩部分組成，首先是基礎(chǔ)部分，由教師根據(jù)作品的工作量和完整性給出，其次是作品答辯環(huán)節(jié)，由學(xué)生上臺(tái)答辯，對(duì)作品的功能、原理和設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹，評(píng)分小組給出答辯成績(jī)。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于教師來(lái)講最浪費(fèi)時(shí)間，由于每個(gè)小組至少8分鐘的答辯時(shí)間，按照3人一個(gè)小組算，答辯過(guò)程也需要3-4次課。但是經(jīng)過(guò)這樣的課程答辯，鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，為學(xué)科競(jìng)賽打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。從筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，經(jīng)過(guò)課程答辯的訓(xùn)練，學(xué)生們?cè)趯?zhuān)業(yè)自信、語(yǔ)言表達(dá)、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(xué)科競(jìng)賽中得到了印證。

4.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)筆者近4年的教學(xué)改革嘗試，初步完成了嵌入式工程實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)和教學(xué)平臺(tái)核心模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)該課程和其他課程的先行后繼關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理。該課程完成了在低年級(jí)階段的第一次綜合性知識(shí)運(yùn)用實(shí)踐，實(shí)踐作品由學(xué)生自己設(shè)計(jì)完善、制作、調(diào)試，最終設(shè)計(jì)作品所有權(quán)歸學(xué)生所有。該教學(xué)平臺(tái)也是高年級(jí)實(shí)訓(xùn)課程的一個(gè)基礎(chǔ)模塊，將在后續(xù)的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐中繼續(xù)發(fā)揮作用。該課程在每年的學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋中，在全院課程中連續(xù)4年位列第一，贏得了學(xué)生的一致好評(píng)，同時(shí)涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的學(xué)生作品，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到很大改善，專(zhuān)業(yè)認(rèn)同和知識(shí)技能得到很大提升，教學(xué)改革效果顯著。