一種基于嵌入式系統(tǒng)的多維協(xié)同與對比教學(xué)模式探討

劉 波，周浩宇，張歷卓

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

0 引 言

當(dāng)前社會高科技創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，社會發(fā)展步伐不斷加速，人們對美好生活的向往也在不斷提高，因此需要不斷提高相應(yīng)生產(chǎn)力水平，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)就是時代需求的產(chǎn)物。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在信息交換過程中需要借助一定的感應(yīng)裝置完成信息的收集，同時借助網(wǎng)絡(luò)功能完成信息傳送和處理，因此其技術(shù)隨著旺盛的社會需求已滲透到社會每個角落，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的綜合課程—嵌入式系統(tǒng)更需要將理論知識與實踐緊密結(jié)合，然而當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)依舊面臨許多困境：

（1）理論過多，實踐不足。在當(dāng)前飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，如何在有限的時間內(nèi)將理論與實踐結(jié)合，讓學(xué)生深刻體驗嵌入式系統(tǒng)課程的精髓很重要，由于相應(yīng)師資缺乏，常導(dǎo)致理論講不透、實踐接不上。

（2）實驗環(huán)節(jié)簡單。由于信息技術(shù)發(fā)展迅速，而實驗內(nèi)容更新緩慢，開發(fā)板不僅老舊，實驗內(nèi)容也很陳舊，與當(dāng)前快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)。

（3）知識點分散，串聯(lián)困難。要將物聯(lián)網(wǎng)知識點串連起來，需要有足夠的時間參與多輪項目訓(xùn)練，而當(dāng)前有限的課程實驗時間難以滿足這一要求。

針對以上問題，國內(nèi)高校也進(jìn)行了一系列探索，如萬洪丹老師針對光電類課程在教學(xué)方式、主體、評價體系等方面的實際問題，提出了以“多維協(xié)同”教學(xué)模式改進(jìn)光電類課程教學(xué)方法、構(gòu)建高效課堂；孔英會老師針對不同課程教學(xué)獨(dú)立授課的知識體系不完整、與后續(xù)環(huán)節(jié)研究實踐能力培養(yǎng)缺少銜接、個體差異顯著、教學(xué)方法手段單一、考核評價方式單一等問題，提出多維協(xié)同的“現(xiàn)代通信理論”課程教學(xué)模式；惠斌老師在分析把握成果導(dǎo)向教育思想的基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建了多維協(xié)同教學(xué)模式；劉威老師在分析當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，緊貼系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，提出從知識體系、教學(xué)方法、創(chuàng)新實踐3個方面進(jìn)行改革，設(shè)計全覆蓋的知識體系和模塊化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合協(xié)同式教學(xué)方法和多平臺融合的實踐驅(qū)動策略，共同形成閉環(huán)教學(xué)模式；鄢秋榮老師針對軟硬件協(xié)同設(shè)計已成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀這一現(xiàn)象，提出面向軟硬件協(xié)同設(shè)計的嵌入式課程教學(xué)改革措施，構(gòu)建了基于創(chuàng)新實踐的遞進(jìn)式嵌入式課程體系，改進(jìn)了面向軟硬件協(xié)同設(shè)計的課堂教學(xué)內(nèi)容。

為提高本專業(yè)學(xué)生的綜合能力、加深軟硬件協(xié)同開發(fā)經(jīng)驗，特將嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)置為大四最后一門綜合性課程，本課題組在“嵌入式系統(tǒng)”課程多年教學(xué)基礎(chǔ)上，針對本專業(yè)教學(xué)特點，提出了一種多智能體協(xié)同控制與對比教學(xué)模型，可有效融合本專業(yè)各知識點。

1 教學(xué)模型

為串聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)各知識點，本課題組在綜合多年物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室工作與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)等經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以STM32F407與Cortex-A53兩類開發(fā)板為依托，利用市面上可采購的多種傳感器，結(jié)合STM32cubeMX6+Keil5、Ubuntu16+Qt5以及Spring Boot 2 的 Web 網(wǎng)絡(luò)與Android Studio移動開發(fā)等功能，組織了一個多智能體協(xié)同控制與對比教學(xué)模型，如圖1與圖2所示。

圖1 多智能體STM32協(xié)同控制模型

圖2 多智能體A53協(xié)同控制模型

STM32模型主要通過485、CAN協(xié)議實現(xiàn)開發(fā)板之間的信息傳遞，也能通過ZigBee協(xié)議完成各開發(fā)板無線組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備與精簡功能設(shè)備的組網(wǎng)功能。同時，中心結(jié)點通過WiFi或藍(lán)牙與Web服務(wù)器通過Netty協(xié)議完成高并發(fā)信息處理，再通過接口調(diào)用，完成移動終端數(shù)據(jù)動態(tài)顯示與圖形顯示功能。

為加強(qiáng)功能對比，實現(xiàn)了基于A53開發(fā)板的多智能體協(xié)同控制模型，模型主要基于Ubuntu16系統(tǒng)，利用Qt等編程工具實現(xiàn)傳感器驅(qū)動的編寫、編譯與調(diào)用，通過ZigBee協(xié)議完成各開發(fā)板的無線組網(wǎng)功能，并通過WiFi或藍(lán)牙與Web服務(wù)器通過Netty協(xié)議完成信息傳遞；通過相應(yīng)按鈕實現(xiàn)與Web服務(wù)器控制相應(yīng)傳感器的功能。此舉有助于學(xué)生理解信號與系統(tǒng)、通信原理、無線傳感器原理、嵌入式系統(tǒng)等課程的知識結(jié)點。

2 模型框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)模型設(shè)計要求開發(fā)對應(yīng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由硬件模塊與軟件模塊組成。

2.1 硬件模塊

開發(fā)板由多塊意法半導(dǎo)體或Cortex-A53開發(fā)板組成，通過匯聚結(jié)點連接其他結(jié)點，通信協(xié)議可以選擇485、CAN、Web等，實現(xiàn)靈活組網(wǎng)功能。

通信模塊主要由ESP8266或藍(lán)牙匯聚結(jié)點與Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為解決信息高并發(fā)處理問題，特引進(jìn)Netty功能包。

傳感器模塊主要利用市場上的主流傳感器進(jìn)行實驗，包括常見的溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、超聲波傳感器、土壤傳感器等，它們之間通過CAN、485或Web進(jìn)行內(nèi)部結(jié)點間數(shù)據(jù)傳遞。

2.2 軟件模塊

主要利用C、C++、Java語言分別實現(xiàn)系統(tǒng)啟動、TCP連接、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展示與可視化、信息交互等功能。系統(tǒng)操作交互流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)操作交互流程

3 三維協(xié)同操作

（1）知識點關(guān)聯(lián)迭代

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點，可以從課程間橫向維度，即嵌入式協(xié)同課程、相關(guān)知識單元，以及相應(yīng)教學(xué)案例進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)課程多維協(xié)同的教學(xué)模式探索與實踐，知識點如圖4所示。在“嵌入式系統(tǒng)”課程中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)軟硬件協(xié)同設(shè)計思想，將原本相對獨(dú)立的各項軟硬件基礎(chǔ)能力和專業(yè)課程知識單元進(jìn)行綜合，提升物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新意識能力的培養(yǎng)。

圖4 多維知識點關(guān)聯(lián)框架方案圖

（2）教學(xué)協(xié)同信息互動

目前課程考察學(xué)生學(xué)習(xí)效果的主要方式是期未閉卷考試，這種教學(xué)考核方式無法測試學(xué)生的綜合素質(zhì)，學(xué)生往往臨時抱佛腳、熬夜死記硬背、考完就忘，而現(xiàn)在的考核分為兩種：一是課堂教學(xué)，借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、提問、練習(xí)，成績劃分為平時分、機(jī)試分、筆試分，并以機(jī)試分為主，更能測試學(xué)生的應(yīng)變能力；二是創(chuàng)新教學(xué)，通過大學(xué)生創(chuàng)新實驗室培養(yǎng)動手能力強(qiáng)的學(xué)生，主要體現(xiàn)在創(chuàng)新比賽、申報項目、撰寫研究論文、申請創(chuàng)新專利及軟件著作權(quán)等方面，從學(xué)習(xí)與創(chuàng)新維度促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)。多維協(xié)同教學(xué)模式教學(xué)信息流傳遞圖如圖5所示。

圖5 多維協(xié)同教學(xué)模式教學(xué)信息流傳遞圖

（3）教學(xué)效果對比

設(shè)計教學(xué)效果對比方法，通過錄制教學(xué)視頻進(jìn)行線上學(xué)習(xí)、改變考試評價方法、學(xué)生制作學(xué)習(xí)模型等形式，進(jìn)一步對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革成果進(jìn)行定量、定性分析，讓學(xué)生將創(chuàng)新意識帶入工作崗位。課程教學(xué)效果對比方法如圖6所示。

圖6 課程教學(xué)效果對比方法

主要教學(xué)效果對比方法如下：

（1）研究軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，主要包括學(xué)習(xí)一種能夠描述軟件和硬件的單一語言；基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化授課實現(xiàn)過程；研究模塊功能劃分策略，包括不同功能在不同類型硬件上的實現(xiàn)方法；利用自動控制原理分析自動化實現(xiàn)方法。

（2）研究思維訓(xùn)練模式，將本系統(tǒng)按設(shè)計模式思想進(jìn)行模塊化學(xué)習(xí)，優(yōu)化設(shè)計方案與代碼。

（3）研究對比教學(xué)法，由于本課程大部分內(nèi)容與研究生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程相同，因此將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)成果與研究生教育有機(jī)結(jié)合，部分代碼可以先在本科生中實現(xiàn)，通過測試學(xué)生的實踐能力，再將另一部分在研究生教學(xué)中實現(xiàn)。對比兩個專業(yè)不同層次學(xué)生的實現(xiàn)情況，根據(jù)學(xué)生反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)方案。

4 模型實現(xiàn)關(guān)鍵點

針對模型3個維度研究內(nèi)容進(jìn)行分析，相應(yīng)實現(xiàn)關(guān)鍵點如下：

（1）嵌入式課程關(guān)聯(lián)框課程間維度協(xié)同

按照物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案，從知識體系的完整性與內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性考慮，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)知識框架，以新工科、新基建為背景，從發(fā)送、通信、展示的基本構(gòu)成出發(fā)，按照基本功能模塊介紹嵌入式系統(tǒng)的基本理論和技術(shù)，注重理論和工程實際結(jié)合，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展熱點5G通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探索實際理論知識的運(yùn)用和具體問題的解決。

關(guān)聯(lián)框課程間教學(xué)過程中各部分內(nèi)容根據(jù)重要程度分配不同學(xué)時，強(qiáng)調(diào)各模塊在整個嵌入式系統(tǒng)中的作用、性能要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場景、需要解決的問題，教學(xué)過程需要與協(xié)同課程銜接，結(jié)合應(yīng)用案例強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果?？上驳氖?，這些課程基本上由本課程組成員擔(dān)任，因此協(xié)調(diào)相對容易，也易于連貫，形成整體。

（2）嵌入式課程與其他個性化需求維度的協(xié)同

這部分主要體現(xiàn)在利用ICEDA軟件繪制對應(yīng)電路圖，并對其進(jìn)行分析，掌握系統(tǒng)開發(fā)、測試、運(yùn)行原理等方面知識點。要理解硬件模型，就必須先利用工具軟件繪制對應(yīng)電路，在后續(xù)開發(fā)中，才能很好地理解信號輸出、如何讀取其信號、利用相應(yīng)算法實現(xiàn)讀取值的修正等。

（3）基于Netty框架實現(xiàn)數(shù)據(jù)高并發(fā)處理

Netty作為當(dāng)前最流行的NIO框架，具有健壯性、可定制性和擴(kuò)展性，雖然其內(nèi)部實現(xiàn)復(fù)雜，但對外提供了簡單易用的API。為解決多個開發(fā)板、多個傳感器數(shù)據(jù)傳輸問題，特在Spring Boot與Android開發(fā)方法中，各自引入Netty框架，解決數(shù)據(jù)高并發(fā)處理問題。

（4）考核評價方式的優(yōu)化

為更好地評價教學(xué)成果，在綜合訓(xùn)練前提下，更好地激勵學(xué)生學(xué)習(xí)，平時成績以提交實驗代碼為主。要求學(xué)生不僅能演示實驗代碼，更要簡單解釋代碼內(nèi)容，期未考試以機(jī)試為主，要求至少完成3個不同傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳輸及動態(tài)展示。

5 主要效果

嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性很強(qiáng)的課程，而作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)最后一門綜合課程，承擔(dān)著串聯(lián)各知識點的重任。當(dāng)前，本模型不僅在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科生中反復(fù)實施，也在研究生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程中實施。各年級本課程成績見表1所列，說明優(yōu)秀比例不斷提升。

表1 各年級成績分布表

6 結(jié) 語

如何講授好嵌入式系統(tǒng)？如何串聯(lián)好本專業(yè)課程知識點？經(jīng)過本課題組多年的探索和實踐，提出了多智能體協(xié)同控制與對比模型，它具有以需求為導(dǎo)向、軟硬件結(jié)合、分階段與分模塊實施、智能計算與可視化展示等特征，較好地串聯(lián)起物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)各課程知識點，有助于培養(yǎng)學(xué)生建立專業(yè)思維大局觀與全局觀。