物聯網時代單片機原理及應用技術課程教學改革研究

余旺新，潘小莉，覃孟揚，劉永富

(玉林師范學院，廣西 玉林 537000)

物聯網是把所有帶傳感器或者控制器的設備連接到互聯網，按照規定的協議進行信息交換，完成實時監測、定位追蹤、報警聯動、遠程控制等功能的一種網絡技術[1]。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網技術的應用涉及工業控制、智慧城市、智慧環境、智慧農業、智能家居等多個領域，給人們的生產生活提供了極大便利。重點探討在物聯網技術驅動下的高校單片機原理及應用技術課程理論和實踐教學、課程設計、考核方法、教學手段等方面的改革及如何提高學生的應用系統開發和解決實際工程問題的能力。

1 物聯網時代單片機原理及應用技術課程教學改革策略

1.1 理論教學改革

目前，高校單片機原理及應用技術課程理論教學通常以80C51系列單片機為核心，課程內容包括結構原理、指令系統、程序設計、中斷系統、定時器/計數器、串行口、存儲器擴展技術、應用系統接口設計等[2]。80C51系列單片機構架比較老舊、性能弱、功能單一，因此本次教學改革將單片機核心更換為ESP32模組。ESP32擁有主頻高達240 MHz的32位雙核處理器，集成以太網、藍牙、觸摸傳感器、霍爾傳感器、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM等功能模塊[3]。教學過程中縮減了單片機基本原理課程內容，增加了物聯網相關的以太網技術、藍牙技術、傳感器技術等內容。理論教學48課時，具體內容如表1所示。

表1 單片機原理及應用技術理論教學內容Tab.1 Teaching content of single chip principle and application technology theory

互聯網和傳感器技術的擴展實踐應用項目(包括一鍵配網、OTA升級、熱點廣告機、云平臺接入、微信接入、超聲波傳感器、顏色傳感器、霍爾傳感器、加速度傳感器等)為學生提供工程源碼及相關參考資料，進行課外學習和掌握。

1.2 實踐教學改革

實踐教學是一個重要的實踐環節，通過實踐教學，使學生掌握基本的硬件設計及調試、軟件設計、系統綜合調試等過程。實踐教學總共安排18學時，從理論教學第10學時以后開始穿插進行，讓學生能夠學以致用，提高學習興趣，增強學習效果。在實踐教學過程中，采用ESP-WROVER-KIT開發板和多種實驗傳感器模組，單人單桌進行實踐操作，統一使用C/C++語言和樂鑫官方IDF V4.0開發環境完成。實踐教學具體內容如表2所示。

表2 單片機原理及應用技術實踐教學內容Tab.2 Teaching content of single chip principle and application technology practice

1.3 課程設計改革

單片機原理及應用技術課程設計是鍛煉提高學生應用系統開發和解決實際工程問題能力的重要過程。課程設計安排在理論課結束后的第1周或者下一學期前的1周完成，由學生自由分組和選題。學生也可以自擬題目，擬題必須是有實際應用價值的單片機跟物聯網技術相結合方向的課題。教師在課程設計過程中負責集中授課以及設計指導。項目組由2～3名學生構成，各成員分工完成不同的任務，小組項目負責人協調完成最后作品的綜合調試和設計報告撰寫。

課程設計的課題項目需要使用ESP32單片機模組、各種實用傳感器、以太網通信、藍牙通信、RFID或NFC無線傳感網絡等相關模塊和技術。設計課題必須由負責指導教師審核通過才能實施，學生自行查閱設計相關的技術文檔和資料確定最終設計方案，完成設計電路原理圖、制作焊接電路板、編寫系統軟件、調試硬件和撰寫設計報告等任務[4]。

課程設計考核采用分組現場答辯的形式進行，評分要點包括方案合理性、作品創新和實用性、設計報告完整性、實踐表現、答辯表現等內容，最終通過綜合表現來評定學生的課程設計成績。課程總成績=導師評價成績×70%+學生評價成績×30%。

1.4 教學手段改革

在單片機原理及應用技術課程理論教學部分，打破了抑制學生學習積極性的“教師講、學生聽”的填鴨式教學模式，采用任務驅動等理論教學手段[5]，結合理論教學內容充分發揮學生的自主性，通過實用小項目培養學生的物聯網應用系統開發和實際工程問題解決能力。

在實踐教學部分，除了要保證基礎實驗和課程設計實踐有效實施以外，還應帶領學生積極參加校內外各種科技比賽、創新創業、教師科研以及企業應用型項目。鼓勵學生在開放實驗室或宿舍進行物聯網相關作品的設計活動，培養學生綜合運用所學知識的能力，使學生受到更為實際、更加全面的科學研究訓練[6-10]。

1.5 考核方法改革

單片機原理及應用技術課程的考核應從理論、實踐、平時三方面進行，重點考核和評價學生的實際應用和創新能力。

理論考核：期末理論考核試題涵蓋課程基本概念、理論、原理、方法的理解與運用，要突出重點、難點知識。保證考核題型多樣化，弱化文字描述類題，強化應用電路設計和程序編寫題，綜合應用題側重物聯網技術背景。

實踐考核：實踐教學考核貫穿整個課程教學過程，著重突出實際應用創新能力的培養，輔助提高基礎理論知識學習質量。從平時驗證實驗和綜合實驗過程的理論分析、電路設計、軟件編寫、綜合調試等方面進行考核。

平時考核：平時成績由課堂表現、課后作業、小組討論等構成。在課堂教學過程中鼓勵學生積極參與課堂互動，增強教學效果。課后作業從作業的完成度、正確率、規范程度等方面考核。小組討論從參與積極性、主導作用、語言表達、理解思路、獨立見解等方面考核。

2 結語

單片機原理及應用技術課程改革中引入物聯網技術推動理論教學、實踐教學、課程設計、教學手段、考核方法等方面的改革，提高學生學習興趣，達到教學相長的目的。實踐結果表明，物聯網技術與單片機結合符合高等院校工科專業的人才培養目標，對于課程的教學革新和學生思維創新、團隊協作、應用系統開發和解決實際工程問題等綜合能力的培養具有重要作用。