物聯網“微控制器原理及應用”課程教學改革與實踐

潘勇 侯梓葉 高子林 熊江

摘 要：面向深化新工科建設目標，以一款自主研制開發的以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯網控制板對物聯網工程專業“微控制器原理及應用”核心課程進行教學改革，有機地結合了物聯網控制系統理論和控制技術實踐。通過精心組織理論知識框架，設計工程實踐項目，提高了學生的積極性和動手能力，效果良好。

關鍵詞：物聯網;微控制器;教學改革

2019年12月，教育部在深化新工科建設座談會上指出在總結前期新工科實踐的基礎上，研討第二批新工科研究與實踐項目指南，以項目牽引研究與實踐，實現新工科建設扎扎實實由1.0向2.0跨越。可見新工科建設已經進入深水區、攻堅區，需從“轟轟烈烈”的理念倡導和頂層設計走向“扎扎實實”的推進落實和質量提升。[1-3]物聯網工程是一個具有極強應用背景的新工科專業，其綜合了電子信息工程、計算機科學與技術、通信工程、網絡工程專業知識體系，具備多專業融合的特點。當前物聯網領域的創新既有理論和技術標準的演進，也有重大應用的發展。如何體現應用型本科特點，切實推動新工科建設從頂層設計到執行落實，是高校教師的重大課題。需要教師創造性的將教育部新工科建設思想結合各自學校實際，在一門門課程中去落實，去做出成效。

感知技術、嵌入式計算機技術和通信技術是物聯網的三大核心支撐技術。物聯網產業經過十余年的發展，作為核心支撐技術之一的嵌入式計算機技術在微控制器領域分別形成了各自固定的芯片內核和技術標準，這些芯片得到了市場的檢驗，已經被廣泛接受和應用。芯片生產商、設備制造商的產品均采用相應內核架構和生產制造相應芯片產品。[4]為了凸顯“微控制器原理及應用”課程的實用性、交叉性與綜合性，改善教學效果，提高學生工程應用能力。結合多年教學和實際工程經驗，自主研制開發了一款以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯網控制平臺，圍繞控制平臺精心組織理論知識框架，設計工程實踐項目，達到綜合學科知識，激發學生積極性，提高學生動手能力的目的。

一、課程教學內容體系改革

“微控制器原理及應用”課程作為物聯網核心技術課，必須包含當前物聯網智能控制系統開發、設計過程中得到廣泛應用和市場承認的主流智能控制技術。當前物聯網主流微控制器8位為51系列，32位為STM32系列。根據以上分類，在授課中突出理論和實踐結合，整合課程教學內容安排，以一款自主研制開發的以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯網控制平臺為基礎組織理論知識和實踐項目。該平臺基本涵蓋了當前工程應用中主流機型51和相應外設技術標準。在教學中，我們將該平臺命名為物聯網控制板。[5]控制板結構如圖所示。

二、實踐教學內容體系改革

以自主研制開發的51核嵌入式計算機為控制核心的物聯網控制板為基礎，重新設計工程實踐項目，強調綜合性設計性實驗。學生從自行焊接控制板開始，掌握焊接技能，掌握芯片封裝和芯片選型，打造一個自己的實驗平臺。其后按照信息感知、控制執行和信息傳輸的順序完成傳感識別、控制執行、星型監控網絡、短信遠程控制系統。實驗教學內容與要求如下表所示。

目的要求

1控制板制作實驗

熟悉控制板硬件電路;掌握控制板焊接技能;掌握控制板芯片選型及功能;掌握控制板硬件調試技能;項目：焊接完成物聯網控制板并調試運行正常

2信息感知實驗

掌握傳感器和射頻識別系統工作原理;掌握微控制器與傳感器和射頻識別模塊的接口電路與應用編程;項目：完成一個感知系統

3控制執行實驗

掌握直流電機和步進電機的工作原理;掌握微控制器與直流電機和步進電機驅動模塊的接口電路與應用編程;項目：完成一個直流電機和步進電機控制系統

4信息傳輸實驗

掌握短距離無線通信和長距離無線通信的工作原理;掌握微控制器與Nordic模塊和GPRS模塊的接口電路與應用編程;項目：1.完成一個基于控制板的無線通信系統，實現點對點通信和一對三星型監控網絡;2.完成一個基于控制板的移動通信系統，實現短信控制功能

三、教學方式和考核方式改革

“微控制器原理及應用”教學方式強調理論緊密聯合實際，不再采用大多數高校理論課和實驗課分離，實驗室專用電腦和實驗箱組合做實驗的形式。學生課上自帶筆記本電腦和控制板，教師在理論知識和技術應用講授結束后立刻指導學生進行實驗。學生先完成控制板焊接并熟悉控制板電路原理圖，編程和下載工具軟件均指導學生安裝在自己的筆記本電腦上，學生經此熟悉了工具軟件的安裝和使用。理論講授結束立即實踐，避免了遺忘和脫節，老師可以對編程和調試實時進行指導，馬上就實驗中出現的共性問題進行講解，提高了教學效率。對動手能力逐漸提高的學生實時引導，肯定優點，指出不足，讓學生體會成就感，激發學習興趣。控制板平臺只有手掌大小但功能齊全，方便攜帶，下課后可繼續帶走開發。學生開發過程從課上延伸到課下，不再限定在實驗室才能進行實驗。可以隨時驗證自己的設計思想和進行系統調試。

“微控制器原理及應用”考核方式采用課程設計的形式。課程設計提出一個更加綜合的設計題目。即實現一個控制方面以微控制器為核心，信息感知選用傳感器或者RFID，信息傳輸使用融合多種通信方式的拓撲自選的通信網絡。該網絡要融合物聯網短距離和長距離通信技術，實現自組織，自適應短距離無線數據通信網絡對移動通信網絡的無縫接入。共同完成面向某個實際應用的功能解決方案。但具體應用背景由學生自行調研提出，學生根據自己的創意，在前期實驗基礎上設計具備一定工程價值的物聯網智能系統。比如家居安全遠程追蹤系統、室內有害氣體監控凈化系統、物聯網農業冷庫儲存管理系統等。課程設計分組完成，一組4人，學生自行分配硬件調試，軟件調試，系統綜合調試和系統演示任務。考核時需現場演示系統運行結果，并確定以下評分標準：系統硬件電路合理，焊點美觀，硬件運行穩定;控制系統軟件設計合理，結果顯示直觀，通信數據收發準確，網絡運行正常;達到以上標準即可評為良好及以上，創意應用方案可作加分處理。

四、教學改革效果

教學改革實施了三屆，通過課后反饋來看，學生普遍表達了對本門課教學方式的喜歡，產生了對專業的興趣。理論知識跟當前生活中的技術密切相關不枯燥，能夠馬上得到應用并實現相應控制功能，學生的成就感得到很大滿足。其中的杰出學生，以此課程為依托，開發設計的相關作品獲得中國大學生計算機設計大賽全國一等獎、三等獎及省級獎項多項。多數學生反映在此門課程上獲得了物聯網智能微控制系統專業知識和工程基本訓練。對物聯網控制領域求職打下了工程技術基礎。其面對企業招聘所做的本科項目描述即為本課程的綜合課程設計。總之，通過改革，學生在學習過程中大大提高了積極性和主觀能動性，提高了物聯網控制系統硬件調試能力和軟件編程能力。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，3：1-6.

[2]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017，6：1-13.

[3]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，2：26-35.

[4]董榮勝.“新工科”背景下“計算機科學導論”課程建設初探[J].工業和信息化教育，2018，4：6-11.

[5]劉克江.基于個人實驗板的微控制器教學改革探究[J].教育現代化，2018，31：75-78.

[6]潘勇.新工科背景下物聯網“射頻識別”與“無線傳感網絡”課程教學改革與實踐[J].教育現代化，2018，52：58-60.

基金項目：2017年重慶市教委科技項目——兼容物聯網多通信標準小型多頻可重構天線技術研究（編號KJ1710241）;2017年重慶三峽學院校級教改項目——基于自主研發智能機器人的物聯網核心應用課程群教學改革與實踐（編號JG170908）

作者簡介：潘勇（1981-），男，漢族，重慶人，博士研究生，副教授，研究方向：物聯網通信、智能機器人、無線傳感網絡。