物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

張秋云，郭秋梅

（西南科技大學(xué) 信息學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是一門新型應(yīng)用型學(xué)科，由計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程等多學(xué)科相互交叉、滲透、融合發(fā)展而來，人才培養(yǎng)的過程中重點(diǎn)突出實(shí)踐能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為國家倡導(dǎo)的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和2050年國家信息產(chǎn)業(yè)路線圖，已成為就業(yè)前景廣闊的熱門領(lǐng)域[3]。隨著5G時代的到來，萬物互聯(lián)將成為現(xiàn)實(shí)，行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求將越來越大，同時對人才的要求也將不斷提高。物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層，涉及傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)以及RFID、嵌入式系統(tǒng)等多種技術(shù)[4]。由于本科階段的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生難以深入全面掌握這類知識，因此對該階段學(xué)生的培養(yǎng)應(yīng)找準(zhǔn)專業(yè)方向，以夯實(shí)基礎(chǔ)、增加實(shí)踐與應(yīng)用能力為主。

當(dāng)前我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，各種物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品不斷投入市場，而作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵底層技術(shù)—單片機(jī)，更是迎來了又一次發(fā)展的機(jī)遇[5-6]。單片機(jī)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程之一，是多門課程的綜合應(yīng)用，若課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置脫離專業(yè)背景以及行業(yè)需求，學(xué)生的培養(yǎng)將難以達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，滿足行業(yè)對學(xué)生能力的需求[7]。當(dāng)前各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)還屬于初期探索階段，專業(yè)性的教師比較欠缺，專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃、課程體系、知識架構(gòu)還不夠完善[8]。就單片機(jī)課程而言，我校物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程與其他專業(yè)統(tǒng)一開展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尚未考慮物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用特色，不利于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)。

本文基于我校單片機(jī)課程現(xiàn)狀，通過對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)，使得學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)會思考，學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，鍛煉動手實(shí)踐能力，增強(qiáng)自信心，提高學(xué)習(xí)積極性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合教師項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改變實(shí)驗(yàn)形式分層次進(jìn)行實(shí)踐操作。通過引入教師科研項(xiàng)目提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能、綜合應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)精神，為學(xué)生就業(yè)奠定一定專業(yè)基礎(chǔ)。

1 實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛運(yùn)用到各類感知層設(shè)備的開發(fā)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)物理世界信號的采集與匯聚，其地位在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不言而喻。單片機(jī)作為我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)一門專業(yè)核心課程，應(yīng)緊緊圍繞行業(yè)發(fā)展及需求展開教學(xué)。該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，通過學(xué)習(xí)該課程學(xué)生可以熟悉單片機(jī)基礎(chǔ)資源，掌握單片機(jī)控制程序編寫方法，為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用課程學(xué)習(xí)以及未來工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)進(jìn)行單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)研究設(shè)計(jì)，重點(diǎn)突出培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和技能解決實(shí)際問題的綜合應(yīng)用能力，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在就業(yè)過程中的競爭力。緊跟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，結(jié)合社會企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)人才的需求進(jìn)行單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.1 研究思路

面向我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用層次化設(shè)計(jì)，主要由以下三個層次組成。

（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

該層次實(shí)驗(yàn)是三個層次的關(guān)鍵部分，不僅是后續(xù)實(shí)驗(yàn)，更是其他相關(guān)課程的重要基礎(chǔ)。在該部分實(shí)驗(yàn)中主要以熟悉單片機(jī)資源應(yīng)用的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，按單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生對單片機(jī)基礎(chǔ)知識和基本資源的理解與運(yùn)用。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)重在鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題以及綜合運(yùn)用能力，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，在該層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中主要基于單片機(jī)資源進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與運(yùn)用。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)則注重學(xué)生運(yùn)用知識進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)開發(fā)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)意能力，該部分實(shí)驗(yàn)以開放式項(xiàng)目為驅(qū)動，以小組為單位進(jìn)行。在開發(fā)項(xiàng)目的過程中以學(xué)生為中心，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)提高。該層次實(shí)驗(yàn)緊跟企業(yè)項(xiàng)目和老師科研，適時進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展與變化。

1.2 研究內(nèi)容

本項(xiàng)目進(jìn)行相關(guān)研究設(shè)計(jì)時，注重物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與課程特點(diǎn)及實(shí)踐教學(xué)自身的規(guī)律，按照層次化、差異化設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，使之符合我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，滿足行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的基本需求。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中緊密結(jié)合行業(yè)需求，培養(yǎng)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。主要的研究內(nèi)容如下。

（1）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，一方面需要覆蓋課程基礎(chǔ)知識，強(qiáng)化學(xué)生對基本理論的認(rèn)識與理解；另一方面更要體現(xiàn)層次化、多樣化，培養(yǎng)學(xué)生工程思維，提升學(xué)生分析解決問題、應(yīng)用創(chuàng)新等多維度能力。基于我?，F(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室與硬件資源，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺優(yōu)勢，為學(xué)生提供更多的訓(xùn)練機(jī)會，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識。

（2）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)形式

課程實(shí)驗(yàn)是鍛煉學(xué)生實(shí)踐動手能力、分析解決問題能力、提高綜合能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何提高學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生真正從實(shí)驗(yàn)中提升能力。物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力的提升，在實(shí)驗(yàn)中更應(yīng)注重對學(xué)生的吸引，不能讓實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生的負(fù)擔(dān)，應(yīng)讓學(xué)生積極主動參與實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

專業(yè)的不同在教學(xué)內(nèi)容上的側(cè)重點(diǎn)也應(yīng)有所劃分和區(qū)別，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)對學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)是使學(xué)生成為掌握傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具備寬廣的專業(yè)知識的高級工程技術(shù)應(yīng)用人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生掌握與運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論、方法和技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展適時變化。單片機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)關(guān)鍵課程，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)以上述目標(biāo)為指導(dǎo)，通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力，掌握相關(guān)理論知識的目的。

1.3 研究方法

本項(xiàng)目從單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)、形式、內(nèi)容等方面入手，充分結(jié)合教師科研項(xiàng)目資源，緊跟物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展，完成對具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)研究與設(shè)計(jì)，以達(dá)到培養(yǎng)具備扎實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)采取循序漸進(jìn)原則，結(jié)合科研項(xiàng)目豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造性，改變實(shí)驗(yàn)形式，從感性到理性、從基礎(chǔ)到提升，逐層遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)學(xué)生對理論知識的理解與運(yùn)用的融會貫通。項(xiàng)目所設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)主要由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等三個層次構(gòu)成。

（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

該層次主要加深學(xué)生對單片機(jī)原理及應(yīng)用課程基礎(chǔ)知識的認(rèn)識和理解。按照單片機(jī)資源進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)掌握單片機(jī)資源的使用，熟悉開發(fā)環(huán)境，學(xué)習(xí)簡單的設(shè)計(jì)方法，同時建立學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的自信心。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)

該層次實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)能力，將典型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行綜合并適當(dāng)?shù)丶右宰兓?。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求在任務(wù)書的指導(dǎo)下獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使其獲得自豪感與成就感，進(jìn)一步培養(yǎng)、提升學(xué)生對單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

該層次實(shí)驗(yàn)將以教師相關(guān)科研項(xiàng)目為依托，以實(shí)際工程項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識，讓學(xué)生以單片機(jī)為平臺，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式進(jìn)行相應(yīng)方案的設(shè)計(jì)并解決項(xiàng)目問題，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此過程中，以學(xué)生為主體，教師為輔助，充分發(fā)揮實(shí)際項(xiàng)目可參與性和真實(shí)感的優(yōu)勢，鍛煉學(xué)生項(xiàng)目管理能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

1.4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）分層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循由易到難、由淺入深的原則，逐步建立學(xué)生學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)課程知識、運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的持續(xù)自信心。通過三個層次實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓學(xué)生完成從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)再到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等三個不同深度的訓(xùn)練，加強(qiáng)知識理解與運(yùn)用，鍛煉學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)學(xué)生全方位能力的提升。

（2）突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)形式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做了嚴(yán)格的規(guī)定，目前我校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)并未按專業(yè)劃分，不具有專業(yè)特色，且所有實(shí)驗(yàn)都拘泥于實(shí)驗(yàn)室。本項(xiàng)目突破上述實(shí)驗(yàn)形式，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，同時實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成在不同階段要求也不完全相同，相比我校現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)形式更加靈活多變，可以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識，發(fā)展創(chuàng)新應(yīng)用能力。

（3）豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

伴隨著社會與技術(shù)不斷變革與發(fā)展，對人才的需求也隨之改變。目前我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)正處于探索階段，根據(jù)社會對物聯(lián)網(wǎng)人才的要求，在人才培養(yǎng)過程中同樣需要進(jìn)行變革。項(xiàng)目成員均具有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，與部分從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)保持合作關(guān)系。本項(xiàng)目依托這些資源不斷豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更貼近實(shí)際需求，調(diào)動學(xué)生積極性，提高學(xué)習(xí)興趣。

2 結(jié) 語

本項(xiàng)目以我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)為研究設(shè)計(jì)對象，結(jié)合社會對物聯(lián)網(wǎng)人才的要求進(jìn)行層次化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，擬解決以下關(guān)鍵問題。

（1）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)并提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生對單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣。興趣是學(xué)習(xí)最好的動力，本項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上結(jié)合企業(yè)和教師的項(xiàng)目，提出一些新的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)熱情。在條件允許的情況下放開實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由學(xué)生結(jié)合自身情況自主設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)。

（2）豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生專業(yè)技能。傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)主要集中對單片機(jī)資源使用部分，物聯(lián)網(wǎng)更多需要解決理論聯(lián)系實(shí)際的問題。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中順應(yīng)時代發(fā)展，跟蹤新的設(shè)計(jì)方法、新的開發(fā)手段，注重學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)。本項(xiàng)目根據(jù)社會發(fā)展、企業(yè)需求，豐富具有物聯(lián)網(wǎng)特色的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)在工程應(yīng)用能力上得到訓(xùn)練和培養(yǎng)，進(jìn)而提高學(xué)生專業(yè)技能。

（3）改變實(shí)驗(yàn)形式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。項(xiàng)目成員通過承擔(dān)科研項(xiàng)目，積累豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并注重將科研成果和經(jīng)驗(yàn)融于教學(xué)，部分成果已轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，促進(jìn)了教學(xué)水平的提高。充分發(fā)揮教師科研項(xiàng)目資源，使學(xué)生深入了解社會需求、體驗(yàn)工程項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)過程，樹立一定工程意識，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力。