新工科背景下物联网工程专业嵌入式系统课程教学探索

殷婷婷，杨 忠，徐 楠，吴有龙，王莹莹，许 蓓

（1.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169 2.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169）

为了应对全球新一轮科技革命和产业变革，高质量的应用型工程技术人才培养质量成为了影响国家工程技术水平和竞争力的关键因素，深化高等工程教育改革是提升我国工程技术人才培养质量和工程技术水平的必要途径[1-2]。作为我国高等工程教育主动响应时代要求的战略行动，新工科建设是提高人才培养能力，推动高等工程教育内涵质量发展的重要举措[3-4]。

作为未来信息产业发展和各国战略发展布局的重要方向，以互联网和人工智能为主导的物联网工程专业面临人才培养的新挑战和新要求[5]。多学科交叉融合的物联网工程专业涉及了大量嵌入式系统技术的应用场景，通过开设嵌入式系统作为专业必修基础课程，可以培养学生掌握良好的嵌入式系统开发和应用能力，为后续开展大规模、工程化物联网应用系统打下良好基础，对于提高物联网专业人才培养质量以满足行业需求具有积极意义[6-7]。

本文将从应用型大学物联网工程专业人才培养角度出发，积极探索新工科背景下嵌入式系统课程教学方法，对嵌入式系统课程的内容体系、实践环节等展开探索与研究。

在互联网时代，以高速度、高可靠、低功耗等为特征的嵌入式系统应用日益广泛和深入，智能终端、传感设备、工控设备、消费电子等嵌入式终端早已渗透到工业、社会以及生活中。物联网涉及传感器数据采集、导航定位、设备控制等大量嵌入式应用场景，包含嵌入式网络设备（服务器/网关/路由器）和嵌入式设备（移动设备/信息家电/工业设备）的嵌入式系统是物联网的唯一物联源头。嵌入式系统需求分析，软硬件设计、开发和测试等，已经成为物联网工程专业的学生要熟练掌握的重要技能。

因此，嵌入式系统课程是物联网专业的必修课程，在人才培养方案中处于重要位置。通过开设“嵌入式系统”这一课程，培养学生掌握良好的嵌入式系统开发和应用能力，为后续进一步开展大规模、工程化物联网应用系统的研究、设计、开发和集成等打下良好基础。

OBE（Outcome based Education, OBE）教育理念又称为成果导向教育，是一种以成果为目标导向，以学生为本，采用逆向思维方式进行的课程体系建设理念。在OBE工程教育理念中，认可教师必须对人才培养目标有清晰的认识和准确的定位，寻求设计合适的课程教学目标、教学内容和课堂生态，并通过考核评价持续改进教学，从而有效促进学生的学习，保证预期目标的达成。

2.1 以学生为中心确定教学目标

根据物联网专业人才培养方案指导制定的教学大纲要求，结合金陵科技学院应用型本科院校定位，考虑学生思维活跃求知重实践的年龄特征，明确以下教学目标：

（1）通过理论学习，掌握嵌入式系统的组成、需求分析、软硬件设计布局方法等知识，熟悉常见嵌入式核心处理器的结构、指令系统和编程逻辑等。

（2）通过实验实践环节，具备一定的嵌入式系统设计、分析和综合应用能力，能够掌握基于嵌入式集成开发环境实现嵌入式系统资源开发调配、软硬件协调和应用实践的能力。

2.2 优化课程教学体系

2.2.1 理论与实验穿插交融

课程体系包含了2.5学分的课程教学和1学分的课程设计，其中课程教学涵盖了32学时的理论学习和8学时的实验操作。在课程教学过程中将理论课程与实验操作有机结合，通过课内实验及时巩固理论知识内容，加深理解，提升课程目标完成度。嵌入式课程体系如图1所示。

图1 嵌入式课程体系

2.2.2 通过应用案例概览全貌

立足于应用型大学人才培养需求，在课程教材和教学内容选取过程中，应注意突出物联网应用需求，弱化深层次原理；
突出实验实践，避免过多过深的技术细节；
突出知识体系的通用性和连贯性。根据以上要求，课程可以从物联网专业实际应用案例出发，概览嵌入式系统全貌。图2展示了基于智能家居系统案例的嵌入式系统全貌。

图2 基于智能家居系统案例的嵌入式系统全貌

2.2.3 围绕问题构建知识体系

为了提高学生对课程知识的理解以及综合运用水平，本课程引入围绕问题构建知识体系的做法，包括：构建概念和原理的知识问题化，构建设计方法知识体系时的知识问题化，构建外设应用专题体系时的知识问题化，帮助学生学会根据需要构建的知识体系，从而加深记忆和理解，提高综合应用和创新等能力，如图3所示。

图3 围绕问题构建嵌入式系统课程体系

2.2.4 课程思政元素有机融入

高校思想政治教育应始终坚持把立德树人作为教育的根本任务，应充分挖掘专业理论课程的育人元素，将思政教育深入到每一个环节[8]。嵌入式系统课程在多个教学环节有机融入思政元素。

（1）引导学生坚定理想信念，增强综合素养

紧抓物联网行业快速发展战略机遇，立足应用型高校定位，引导学生知识与应用结合，增强综合素养，引导学生坚定理想信念，积极实现个人价值。

（2）引导学生厚植爱国主义情怀

嵌入式处理器（芯片）是嵌入式系统的核心，结合中美贸易战、美国芯片封锁背景、国内外现状，引导学生厚植爱国主义情怀，为国奉献。

在新工科背景下，借助多层次实践教学循序渐进的实践教学体系，构建基于树莓派的口袋实验室，实现物联网专业学生的实践创新能力培养。

3.1 口袋实验室建设

为满足学生全天候开放实验的学习需求，突破实验室场地、设备数量、实验室管理等多种因素的制约，根据现有的嵌入式系统设备，建设基于树莓派开发板的口袋实验室。根据物联网专业特点，购置了多达一百套的ARM嵌入式系统开发板以及配套的常规传感器与控制器模块，如温湿度传感器、红外传感器、压力传感器、4G/WiFi模块、北斗/GPS定位模块等。套件的功能涵盖了模拟/数字电路、嵌入式系统、物联网通信技术、物联网识别技术等多个课程的教学。口袋实验室的建设，体现了一种创新的教学理念，平衡了学生学习主观能动性与管理制度之间的矛盾，有助于学生创新实践能力和个性化的长远发展，是一个真正的全开放、全共享、一体化的自主学习实践平台[9-10]。

3.2 多层次实践教学内容设计

嵌入式系统课程实践教学环节是完成物联网硬件系统设计的核心课程。为了满足这一应用需求，根据课程体系安排，融合基础型、综合型、进阶型等多层次实践教学内容，构建满足个性化需求的实践内容体系，见表1所列。

表1 多层次个性化实践课程内容设计

该实践体系以基础型和综合型为抓手，瞄准人才培养方案和课程目标，培养学生的嵌入式系统开发本领；
同时以进阶型为契机，课题融合学生的个性化兴趣爱好，以分组方式协同完成，旨在探索学生对嵌入式系统开发乃至物联网系统构建的潜力。

3.3 多元化实践教学方法改革

3.3.1 以学生为主体

以学生为主体，以教师为主导，激发学生的学习内驱力，提高学生的学习积极性；
调整传统授课方式，以实验引入法激发学生兴趣和好奇心；
创设合理问题情境，精心设计启发性问题进行教学，释放学生潜能；
理解、尊重、信任学生，以良好师生关系巩固学习效果。

3.3.2 融“教学做”为一体，提升实践教学效果

课前布置项目任务，学生提前查找相关接口、代码资料等，提出解决方案；
课堂理论实践相结合，教师示范与点评引导交叉，初步完成任务；
课后反馈回顾，总结提升，提出更优的项目解决方案。

3.3.3 合理使用现代教育技术，提升广度和质量

课堂内适当引入Kahoot趣味测验、Padlet分组讨论等，依托MOOC/超星/QQ群等平台进行作业、测验、教学反馈，及时调整教学策略。

3.3.4 紧密应用需求，广泛涉猎

立足应用型本科，着眼于物联网专业时代新兴专业的机遇，充分利用产学研、学科竞赛、大学生创新创业平台，鼓励学有余力的学生广泛涉猎，培养具有自主学习、创新、团队合作能力的专业人才。

本文从新工科战略时代背景出发，在OBE工程教育理念的指导下，优化构建嵌入式系统课程体系，落实完整的“教学做”一体化模式；
选用典型ARM-Cortex-A7作为硬件核心的树莓派开发板打造“口袋实验室”。在充分考虑课题与行业热点需求紧密度和个性化选择余量的前提下，设计个性化多层次进阶型实践课程内容，充分激发了学生的主观能动性和掌握知识技能的潜力，培养了学生的综合素质和合作创新能力，为物联网应用型人才培养目标提供了强有力的支撑。