以物聯網產業應用為導向的單片機原理及應用課程教學改革研究

劉華 孟軍英 范亞斌

摘?要：物聯網產業的迅速發展需要大量的應用型人才，作為引導學生從事物聯網行業的入門課程，單片機原理與應用課程必須要以物聯網產業應用為導向進行教學改革，本文以石家莊學院計算機科學與工程學院的單片機原理與應用課程為例，討論通過調整授課內容、改革課堂教學模式、改進課程考核方式等改革措施對課程教學的積極影響以及取得的改革效果。

關鍵詞：單片機原理與應用;物聯網產業;教學改革

Abstract：The rapid development of the Internet of Things industry requires a large number of application-oriented talents.As an introductory course to guide students in the Internet of Things industry，the principle and application of single-chip microcomputer must be oriented to the application of the Internet of Things industry for teaching reforms.This article is based on Shijiazhuang University’s Computer Science and Engineering The college’s principle and application course of single-chip microcomputer is taken as an example to discuss the positive impact of reform measures such as adjusting the teaching content，reforming the classroom teaching mode，and improving the course assessment method on the course teaching and the reform results achieved.

Keywords：Principle and application of single chip microcomputer;Internet of things industry;teaching reform

1 物聯網產業的發展對人才的需求十分迫切

物聯網是新一代信息網絡技術的高度集成和綜合運用，是全球經濟新動能新引擎，是新一輪產業革命的重要方向和推動力量。在“十四五”規劃中，物聯網被列為七大數字經濟重點產業之一，承擔起數字經濟核心產業增加值占GDP超過10%的目標重任。從產業應用情況來看，目前，物聯網已較為成熟地運用于安防監控、智能交通、智能電網、智能物流等。巨大的市場需求和廣闊的發展空間，必然滋生對產業應用型人才的巨大需求。

2 單片機課程以往在教學中的問題

單片機原理與應用課程開設之初，選用了ATC89C51單片機開發板為例，講解單片機原理的相關內容。課程內容主要偏向8051內核的硬件結構和原理，實驗內容也只能是讓學生“點亮LED小燈、蜂鳴器鳴叫”等基礎原理實驗。而受到開發板硬件資源的限制，學生還需要利用GPIO自行開發單片機的串口驅動。由于這些課程內容受限于現有的單片機開發板資源、而且內容過于偏向研究設計，顯得枯燥、難懂，無法良好的調動大多數學生學習的積極性，整體教學效果不佳。

3 在產業發展導向下，改革單片機課程的大綱、增加趣味性實用性的實驗內容、調整考核機制、改革課程實踐環節

考慮到單片機原理與應用課程是引導學生從事物聯網行業的入門課程，我們單片機課程教學團隊通過與企業專家對接、與同行交流、與學生座談等多種方式，搜集了大量有利于該課程改革的意見和建議。通過近兩年的教學改革與摸索，逐步完善了課程大綱、實驗項目設計以及考核環節改革，課程內容涵蓋物聯網技術層面的“芯片、接口、傳感器”等方面的專業理論知識，實驗項目“實用性和趣味性”兼顧，提升課程的整體教學效果。

3.1 調整課程大綱

將原有大綱中的“ATC89C51”單片機開發板，替換為封裝性好、接口資源豐富的、以“CC2530”為核心的“物聯網應用”實訓平臺，授課內容圍繞該實訓平臺可以開展的實驗項目來設置，要求在了解物聯網產業發展現狀的基礎上，理解單片機系統在物聯網應用領域的重要地位和作用，掌握單片機的GPIO、外部中斷系統、定時器/計數器、串行通信、AD轉換的應用配置能力，并著重加強學生“閱讀硬件電路圖”和“使用C語言編寫單片機工程源碼”的能力。

3.2 調整課堂教學順序

最初的課堂教學順序是：授課教師先使用PPT講授一大堆單片機課程中的理論知識，然后教師通過投影演示實驗操作，最后才是學生親自動手實踐。這樣的順序導致學生在聽前面的理論時，由于抽象和枯燥，很難集中注意力聽講;當教師演示時也無法將演示步驟一一記清楚;最后自己操作時面對實驗設備無從下手。

改革后的課堂教學順序是：由授課教師帶領學生一起閱讀實驗操作步驟，一邊讀一邊操作，直到學生操作完成后得到和教師一樣的實驗現象;接著，由教師引導學生修改實驗工程項目中的C語言源碼內容，并再次觀看實驗現象，通過兩次不同的實驗結果，引起學生的興趣;然后，由教師根據不同的實驗結果，帶領學生閱讀實驗工程項目的所有源碼，并對照實驗電路原理圖來講解源碼的內容;最后，由授課教師提出項目改進意見，讓學生以小組的形式進行討論并最終在實驗平臺上完成。

通過調整課堂教學順序，真正體現了“以學生為主體”的教學理念，通過讓學生多動手，引導學生主動思考，鼓勵學生相互交流的方式進行授課，實現了90%以上的學生可以獨立完成課堂實驗項目的操作，工程源碼的閱讀及改進，達到了良好的教學效果。

3.3 改進課堂實驗項目

課堂實驗項目設計的優劣直接影響整個課程改革的成敗。為了保證課堂實驗內容實用性與趣味性兼具，還可以在此基礎上引申出拓展思考的內容。我們單片機課程教學團隊曾多次與從事物聯網技術開發公司的有關專家進行交流，向其他高校從事物聯網專業人才培養的專家請教，在物聯網技術論壇上搜索有用的信息，最終設計了5個實驗，分別是：以音樂噴泉燈光秀為原型的“LED流水燈控實驗”;以家用智能三色臺燈變換色溫為原型的“鍵控三色燈實驗”;以腕帶電子表為應用原型的“基于oLED的簡易電子表設計實驗”;以遠程控制智能門鎖開關為應用原型的“基于串行通信的多指令控制系統設計實驗”和以啟動風扇為硬件設備降溫為應用原型的“芯片溫度監控系統設計實驗”。

這些實驗的應用原型都來自日常的生產生活，學生有可以參考的實物來幫助他們更好地理解實驗設計的原理，并且這些實驗都易于在原有基本功能的基礎上拓展新的應用點來豐富整體功能。

通過對2017級計算機科學與技術專業183名學生在2020年春季學期以及2018級計算機科學與技術專業178名學生在2021年春季學期的兩屆教學改革實踐，我們記錄了以上5個實驗項目的實際教學效果，每個項目都有近90%的學生達到了學習目標，有近25%的學生達到了優秀，教學效果顯著提高。

3.4 以階段性考核代替最后的一次期末考核

考核不僅是學生學習效果的檢驗，也是對教師教學環節實施情況的檢驗。以往的考核都是采用平時成績占30%，期末考試成績占70%的比例構成來評定一個學生最后的學習效果。這種考核方式相對于單片機原理與應用這門實踐性強的課程來說不是很適用。為此，我們教學團隊商討了針對本課程采用“分階段考核”代替最后一次期末考核的檢驗方式，依據課堂教學的5個實驗項目內容，劃分為三個考核階段：

第一階段是在完成“LED流水燈控實驗”“鍵控三色燈實驗”后，針對“基于oLED的簡易電子表設計實驗”教學內容設計的“拓展項目考核”。這個階段考核的重點在于學生是否可以通過前兩個實驗的學習，掌握了CC2530的功能開發方法，IAR工程的創建、配置以及調試方法;是否理解GPIO、外部中斷的工作原理和應用開發。只有在已經掌握了的基礎之上，才能夠通過掌握定時器的工作原理、結合GPIO的應用和外部中斷的應用，以及oLED的使用實現一個“簡易電子表”。這個階段考核的知識點雖然偏基礎，但是這個階段的考核的結果是直接影響了后面兩個階段學生是否能夠達標的一個標志性階段。這個階段的考核標準和總分見表1。

第二階段是針對“基于串行通信的多指令控制系統設計實驗”教學內容設計的“拓展項目考核”，這個階段考核的重點在于學生是否理解串行通信的原理和開發方法。串行通信一直都是單片機系統開發最常見的需求，通過掌握基于CC2530的串行通信功能應用開發，學生能夠理解硬件設備之間的通信模式，能夠舉一反三，掌握在其他芯片上進行串行通信功能的開發，這對與學生未來在該領域就業時必須要掌握的能力。這個階段考核的知識點重點在學生對串行通信的工作原理、串行通信控制器的配置、串行通信數據的分析和處理等方面的掌握情況。這個階段的考核標準和總分見表2。

第三階段是針對“芯片溫度監控系統設計實驗”教學內容設計的“綜合性拓展項目考核”，這個階段的考核內容屬于整個課程的綜合性考核，這里考核的是學生是否能夠將這個學期所學的知識點融會貫通，將GPIO、外部中斷、定時器、串行通信以及ADC綜合應用在一起來完成項目的分析與設計以及最后的功能開發。前兩個階段的考核重點各有偏向，而最后這個階段的考核則是對前兩個階段考核情況的復盤，也是對學生是否具有工程項目分析、設計、實施能力的考核。這個階段的考核標準和總分見表3。

三個階段考核的成績相加為學生最后的期末總評成績，這種考核方式就學生而言：可以讓那些打算平時不聽課，最后考試前臨時突擊考試內容的學生沒有了可乘之機，也讓那些一遇到大考就發揮失常的學生不再有后顧之憂。就授課教師而言：通過各個階段的考核可以實時監控自己在教學過程中的問題，并能夠根據教學內容和學生掌握的情況實時調整教學進度和難度，真正實現“教學相長”。

結論

教學組通過對單片機原理與應用課程實行一系列修訂課程大綱、調整課堂內容教學順序、改革教學內容、改進課程考核方式等改革措施，提升了課堂教學質量，增強了學生的學習興趣，最終達到了提升學生綜合能力的效果。

物聯網產業的發展是持續的，對人才的需求也會隨之發生變化，只有將課程教學目標與服務產業發展需求相結合，才能為社會培養合格的人才，教學組將持續不斷地推進單片機原理與應用課程的教學改革工作，與時俱進。

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基金項目：2020年度石家莊市高等教育科學研究項目（20201012）

作者簡介：劉華（1980—?），女，漢族，河北邯鄲人，工學碩士，講師，主要從事嵌入式系統設計與應用研究。