摘　要：针对目前高校嵌入式人才培养难度大的问题，将开源创客平台Arduino引入嵌入式实验教学中，研制了嵌入式及物联网基础实验系统，3年的实验教学表明：实验系统降低了嵌入式学习的门槛和难度，在嵌入式人才培养教学过程中发挥了重要作用。

关键词：实验系统；嵌入式；物联网；Arduino

嵌入式系统是计算机、自动化和电子通信等众多学科发展交汇的产物，属于当前最热门、最有发展前途的IT应用领域，嵌入式人才市场需求大，但其门槛高、人才培养难度大。为了满足社会对嵌入式人才的需求，嵌入式系统系列课程已经成为计算机、自动化、电气工程、测控技术、通信工程等多个相关专业的专业主干课程。但由于嵌入式系统设计的复杂性，教学效果不理想，毕业时往往只有极少数学生才能掌握其相关技术。

一

实验系统研制的背景和意义

学校2010年设立了嵌入式专业方向，该方向选课人数逐年下降，学生学习嵌入式技术的兴趣越来越小。2015年进行了教学大纲修订，开始尝试将开源创客平台Arduino引入嵌入式教学，在大一开设嵌入式培训课程，在大一上学期学生学习C语言和C++语言后，开设嵌入式系统入门基础课程，大一的下学期开设嵌入式系统设计与实践课程。基于Arduino的嵌入式及物联网基础实验系统即是配合课程改革而研制的。实验系统2015年年初立项，2016年实现量产。

二

实验系统的研制

1.实验系统的设计理念

嵌入式及物联网实验系统的设计理念，源于嵌入式系统硬件设计越来越趋向于模块化，即在核心板或最小系统的基础上，外扩包括各种传感器、人机交互、输入输出设备和通信等多种模块。另外，嵌入式系统作为物联网的感知层，其与物联网应用系统密不可分，同时也加剧了市场对嵌入式人才的需求。除此之外，实验系统支撑的另外两门课程—嵌入式技术基础和物联网工程导论课程，均为嵌入式方向专业基础课程，教学内容以讲授基础理论为主，并不涉及具体技术，故其实验重点应该放在与实际应用结合紧密的系统设计与实现上。选择Arduino板作为核心控制器，就是由于开源创客平台Arduino屏蔽了硬件的复杂性，具有平台资源丰富、成本低、支持的模块众多、开发简单、上手快等优势。

2.实验系统的组成及功能

实验系统由嵌入式技术基础实验箱和配套的物联网实验盒两部分组成。其实物图如图1所示，实验系统组成的嵌入式实验室如图2所示。

图1　嵌入式及物联网基础实验系统

图2　嵌入式基础实验室

三

实验系统解决的教学问题

目前嵌入式实验箱配套物联网实验盒，已开发了三十多个实验，支撑了4门课程的实验教学，多种类型的实验设计满足了实验教学的要求，通过阅读实验指导书，学生可独立完成实验的硬件设计和软件设计。嵌入式技术是实践性很强的技术，实验箱的研制使得课程教学方法的改革成为可能。实验系统可促进学生嵌入式相关科学知识和技术的学习，树立科学意识，熟练掌握嵌入式系统设计流程和方法，在实践中不断积累经验，掌握实验操作技能。

四

实验系统的创新性和特色

实验系统的创新性

(1)目前国内市场上未见到同类产品的出现。

(2)本产品大大简化了硬件设计过程，同时降低了硬件维护成本和工作量。

(3)并转串模块化设计，有效减少了引脚数，节省了Arduino板大量输入/输出接口资源。

(4)面包板的设计目的是提高实验系统的扩展性。

(5)实验盒一盒多用的创新性设计，仅通过一根USB线即可完成编程功能。同时替代了USB-TTL转换器和XBee扩展板的使用。

(6)软件开发流程简单，使得编程上手容易，短时间内能完成多种应用系统设计，可激发嵌入式技术初学者的兴趣。

实验系统的特色

(1)性能稳定。

(2)易于操作和安全性好。

(3)通用性强。

(4)实用性高。

(5) 实验系统成本很低且便于推广。

五

结语

由于Arduino实验系统的简单易用性，大大降低了学习的门槛和难度，使学生克服了学习嵌入式技术的畏难情绪，短时间内激发学习兴趣，并能切身体会到实际应用系统设计与实现后的乐趣和成就感。为今后进一步深入学习51或ARM系列单片机打下了良好的基础。近三年的实验教学结果表明：嵌入式及物联网基础实验系统促进了学生嵌入式相关科学知识和技术的学习，在嵌入式人才培养教学过程中发挥了重要作用，并在第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛中荣获三等奖。

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