基于STM32教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生知識體系構(gòu)建能力的培養(yǎng)

陳浩廣 楊亮 呂燚

摘要：本文從STM32單片機的教學(xué)入手，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生知識體系構(gòu)建能力的培養(yǎng)方法進行了探討。通過分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點以及傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生構(gòu)建知識體系結(jié)構(gòu)時存在的問題，提出了由易到難、項目引領(lǐng)、就業(yè)驅(qū)動、以點帶面的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)模式，旨在提高學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識體系的能力。

關(guān)鍵詞：STM32、物聯(lián)網(wǎng)工程、知識體系、系統(tǒng)性思維

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)即萬物相連的網(wǎng)絡(luò)，它是互聯(lián)網(wǎng)的延伸與擴展，通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等裝置與技術(shù)，實時采集所需的信息并接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接[1]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日新月異，深刻地改變了人們的生活、生產(chǎn)方式[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)也因此成為高等院校的熱門專業(yè)，它是一個跨學(xué)科、綜合性強的應(yīng)用型專業(yè)[4-5]，涉及多個理工科專業(yè)的理論和應(yīng)用實踐。目前，我國的高等院校多是從計算機學(xué)院、機電工程學(xué)院或者自動化學(xué)院來開設(shè)這個專業(yè)。由于該專業(yè)成立晚，基礎(chǔ)積累與沉淀相對不足，因此，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生，在構(gòu)建專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)時，難免會遇到一些困惑與難度。另外，我國的應(yīng)用型本科院校對學(xué)生知識體系構(gòu)建能力的培養(yǎng)也相對較少[6]，容易導(dǎo)致學(xué)生“只見樹葉，不見森林”的困境。為了滿足社會對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才需求，有效緩解地區(qū)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)專業(yè)人才稀缺的問題，本文以STM32單片機課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)的核心節(jié)點，提出了由易到難、項目引領(lǐng)、就業(yè)驅(qū)動、以點帶面的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)模式，以此幫助學(xué)生提高構(gòu)建專業(yè)知識體系能力。

二、學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)中構(gòu)建專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)時存在的問題

（一）物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀。

第一，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為一個新興的專業(yè)，基礎(chǔ)積累與沉淀相對不足，不少學(xué)校是在電子通信、計算機、機電等專業(yè)的基礎(chǔ)上開設(shè)這個專業(yè)，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)認知的深度和廣度不夠，缺乏系統(tǒng)性培養(yǎng)的整體觀。第二，大多數(shù)應(yīng)用型本科院校授課的方式過于理論化[7]，缺少工程實踐應(yīng)用的實例，特別是對于剛涉足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生來說，理論性知識太強，學(xué)習(xí)枯燥乏味，容易挫傷學(xué)生的積極性。第三，傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ饺鄙賱?chuàng)新性[8]，而且相應(yīng)的實驗室配套設(shè)備也過于簡單，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。一般傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ蕉际墙處熃o定具體的實驗題目，內(nèi)容陳舊，缺少新意，且學(xué)生必須按照要求被動地完成實驗，這類實驗一般都是簡單的傳感器物聯(lián)網(wǎng)實驗，例如溫濕度檢測、光敏傳感器檢測和鍵盤控制電路實驗等。這類實驗沒有體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的整體框架結(jié)構(gòu)，局限于某個知識點的應(yīng)用，不利于學(xué)生形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)。另外，某些高校的實驗設(shè)備采用的是封裝實驗箱，這類設(shè)備雖然易于上手，但隱藏了底層的邏輯電路原理，難以擴展創(chuàng)新，嚴重地限制了學(xué)生的創(chuàng)新意識，扼殺了學(xué)生的興趣與積極性。最后，不少高校仍以知識點為教學(xué)的主要內(nèi)容，授課的目標(biāo)只停留在掌握知識點的本身內(nèi)容，而沒有從宏觀層面去剖析各個知識點的內(nèi)在聯(lián)系，忽視對學(xué)生思維方式以及綜合能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生在構(gòu)建專業(yè)知識體系能力較為欠缺。

（二）學(xué)生自身因素對構(gòu)建專業(yè)知識體系的影響。首先，學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的認知不夠，不清楚構(gòu)建知識體系的重要性，不知道自己所學(xué)專業(yè)的重點、就業(yè)的方向，沒有做好職業(yè)規(guī)劃，甚至有些學(xué)生臨近畢業(yè)還不知道要找什么類型的工作；其次，缺少主觀能動性。受九年義務(wù)教育及高中教育的影響，學(xué)生養(yǎng)成了知識填鴨式的慣性思維，不懂得利用網(wǎng)絡(luò)、學(xué)校圖書館等資源進行主動學(xué)習(xí)，仍采用被動填鴨接受方式獲取知識；最后，學(xué)習(xí)積極性不高。由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)綜合性和實踐性較強、知識更新速度快等特點，學(xué)習(xí)門檻較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)中難免會碰到一些困難，很容易造成學(xué)習(xí)的半途而廢，對專業(yè)失去學(xué)習(xí)的信心。

三、如何培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建知識體系結(jié)構(gòu)

本文以STM32單片機教學(xué)為切入點，通過對該課程進行教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生有意識地去培養(yǎng)自己構(gòu)建專業(yè)知識體系的能力。STM32單片機課程是一門硬件與軟件相結(jié)合、工程性強、實用性高的專業(yè)課程，是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識體系構(gòu)建過程中的一個關(guān)鍵核心節(jié)點，因此，這門課程是學(xué)生構(gòu)建整個專業(yè)知識體系的核心課程。首先，這門課程能鞏固該專業(yè)的基礎(chǔ)知識，如硬件原理的基本特性以及相關(guān)的軟件編程語言，起到承前的作用；其次，STM32是一個32位的ARMCortex-M系列的處理器，具有兼容性高、易于掌握、實用性強等特點，是后續(xù)LINUX學(xué)習(xí)的先修課程，起到啟后的作用；再次，STM32是一門實踐性強的課程，學(xué)生可以通過做項目來激發(fā)自己學(xué)習(xí)的信心與興趣。下面，本文將從四個維度來介紹如何培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建知識體系結(jié)構(gòu)。

（一）提出由易到難、由簡單到復(fù)雜的漸進教學(xué)方案。

在STM32單片機教學(xué)中，學(xué)生一般經(jīng)歷三個階段，分別為理解、實踐以及創(chuàng)新。第一階段為理解階段。通過老師的理論講授，讓學(xué)生初步認識和理解單片機相關(guān)的基礎(chǔ)知識。第二階段是為實踐階段。學(xué)生通過對單片機軟硬件原理的理解，模仿經(jīng)典案例，嘗試動手進行軟件編程以及硬件調(diào)試，并在練習(xí)過程中鞏固知識點，提高自己的編程能力。第三階段是創(chuàng)新階段。學(xué)生能熟練掌握STM32相關(guān)的知識點，綜合運用所學(xué)的內(nèi)容進行創(chuàng)新，根據(jù)實際的項目需求，進行產(chǎn)品功能分析，市場調(diào)研，獨立自主地進行軟硬件開發(fā)，并完成整個項目。任課教師在授課過程中，要注意學(xué)生對知識的理解與運用，時刻把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，切記不能操之過急，否則會適得其反。

（二）提出基于項目開發(fā)為導(dǎo)向的實踐教學(xué)方法。在STM32單片機的教學(xué)中，學(xué)生容易掌握相關(guān)的局部知識點，卻難以將其與整個軟硬件體系相關(guān)聯(lián)，往往只理解局部，沒法統(tǒng)籌整體，導(dǎo)致項目的整體開發(fā)應(yīng)用能力較差。因此，在教學(xué)過程中，我們可以把一個整體的項目拆解成若干個小任務(wù)，讓學(xué)生先獨立地完成小任務(wù)，然后把這些小任務(wù)綜合到一起，形成一個完整的項目。通過對這些小任務(wù)的訓(xùn)練，學(xué)生就會慢慢地擺脫枯燥，建立信心，并逐步理解這些局部知識在整個軟硬件系統(tǒng)里面的作用。這種由小任務(wù)入手并逐漸形成一個完整項目的教學(xué)方法，能加深學(xué)生理解整個軟硬件體系，培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

（三）以就業(yè)為動機，提高學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識體系的積極性。

作為應(yīng)用型本科院校，大部分學(xué)生畢業(yè)之后將進入相關(guān)企業(yè)工作，學(xué)習(xí)過程中往往帶有功利性。STM32系列是目前單片機市場需求最為旺盛的芯片之一，就業(yè)機會較好，任課老師在授課時，可以結(jié)合企業(yè)對單片機人才的要求來展開教學(xué)。首先，加強教學(xué)與企業(yè)需求之間的聯(lián)系。例如，企業(yè)開發(fā)一個硬件產(chǎn)品，不僅要包括編寫硬件的功能分析文檔、技術(shù)設(shè)計文檔、電路原理圖、軟硬件接口的詳細文檔等資料，還包括設(shè)計PCB板、采購預(yù)研硬件、焊接檢錯、測試驗證、原理修正和樣品制作等工作。教師在教學(xué)中，可以結(jié)合實例融入這些元素，更好地鍛煉學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。其次，介紹知名企業(yè)在招聘時的筆試、面試等相關(guān)題目，讓學(xué)生更好地了解自己的專業(yè)知識與企業(yè)實際需求之間的關(guān)系。最后，鼓勵指導(dǎo)學(xué)生參加各類電子設(shè)計大賽、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新設(shè)計大賽等。通過比賽訓(xùn)練，學(xué)生可以提高自己的動手實踐能力，為今后找工作增加加分點。

（四）提出“以點帶面”，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識體系的教學(xué)方法。

STM32單片機課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，在整個專業(yè)課程體系起到承前啟后、以點帶面的作用。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的各個知識點之間存在著密切的、有機的聯(lián)系，任課老師要以多層次、多維度的授課方式對這些知識點進行橫縱向關(guān)聯(lián)，深入分析各知識點的內(nèi)在關(guān)系，提取知識點之間的共性方法，對知識點進行擴展、深化和完善，并以此為切入點，應(yīng)用到具體的開發(fā)案例，“以點帶面”，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)。因此，任課老師在上課時，不僅要介紹STM32單片機課程的相關(guān)知識點，還要介紹這些知識點與其他課程的關(guān)聯(lián)度，尤其要強調(diào)與后續(xù)課程如《LINUX應(yīng)用開發(fā)》等的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。同時，在每個章節(jié)開始授課時，要以概貌的形式簡單地介紹各知識點以及它們所構(gòu)建的知識體系結(jié)構(gòu)。這樣，學(xué)生就能先了解森林的輪廓，然后再研究細微的樹葉，最后做到鳥瞰整個森林的全貌。

四、評估學(xué)生構(gòu)建知識體系結(jié)構(gòu)的效果

為了分析專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)對學(xué)生未來發(fā)展的影響，我們對同一年級同一個專業(yè)的兩組學(xué)生采用了不同的培養(yǎng)方法，并進行兩年的跟蹤調(diào)查。A組學(xué)生采用本文提出的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)方法，人數(shù)為80人；B組學(xué)生采用傳統(tǒng)的教學(xué)培養(yǎng)方法，人數(shù)為78人。由于這兩組學(xué)生都是大三物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，先修課程都一樣，因此在采用本文提出的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)方法之前，兩組學(xué)生對于構(gòu)建自己專業(yè)的知識體系能力沒有較大的區(qū)別。在A組的授課過程中，我們有意識從以下四個方面對該組同學(xué)進行引導(dǎo)培養(yǎng)，具體實施情況如表1所示。

B組的授課方法采用的是傳統(tǒng)的授課方法。該方法按照課程大綱羅列的知識點按部就班授課。每上完一節(jié)理論課，就會進行相對應(yīng)的實驗課程，這些實驗課程主要是用來鞏固理論課所教授的知識點。具體情況如表2所示。根據(jù)表1和表2學(xué)生的反饋情況來說，這種傳統(tǒng)的授課方式明顯不如本文提出的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)方法。

最后，我們對A組學(xué)生和B組學(xué)生的期末成績以及就業(yè)的情況做了一些跟蹤調(diào)查，具體情況如表3所示。根據(jù)表3可知，對于同一套期末試卷，A組學(xué)生的平均成績比B組多了2.99分；A組學(xué)生畢業(yè)之后從事本專業(yè)相關(guān)工作的比例比B組高了9.5%；A組學(xué)生的初次就業(yè)率比B組高了3.4%。從這些數(shù)據(jù)可以看出，通過對學(xué)生的知識體系構(gòu)建能力的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)，能夠提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，促進學(xué)生更多的從事與本專業(yè)相關(guān)的工作，提高學(xué)生的就業(yè)率。這也從某種程度上反映了我們所提出的構(gòu)建學(xué)生知識體系的培養(yǎng)方法具有正面的積極效果。

五、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)工程是一門實踐型、知識更新速度快、綜合性強的專業(yè)，該專業(yè)對學(xué)生構(gòu)建知識體系具有較高的要求。本文通過分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點，以STM32單片機課程作為切入點，提出了由易到難、項目引領(lǐng)、就業(yè)驅(qū)動、以點帶面的系統(tǒng)性思維培養(yǎng)模式。這種培養(yǎng)模式可以幫助學(xué)生提高構(gòu)建專業(yè)知識體系能力，成為符合企業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

作者單位：陳浩廣? ? 楊亮? ? 呂燚? ? 電子科技大學(xué)中山學(xué)院 計算機學(xué)院

參? 考? 文? 獻

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