物聯網技術在單片機教學改革中的應用

鄭一力，趙燕東，葛桃桃，陳善安

（北京林業大學 工學院，北京 100083）

物聯網通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，與互聯網結合形成一個巨大網絡，被稱為繼計算機、互聯網與移動通信網之后世界信息產業的第三次浪潮，它代表了下一代信息發展的重要方向。我國已將“物聯網”明確列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》和2050年國家信息產業路線圖。物聯網的應用涉及智能交通、文化教育、環境保護、公共安全、平安家居等多個領域，將極大改變我們的生活、工作和學習方式［1－3］。

本文重點探討了以物聯網的相關技術帶動“單片機原理及應用”教學內容和實踐方法的改革，突出培養學生運用所學知識和技能解決實際問題的綜合應用能力。

1 單片機教學和物聯網技術的特點

“單片機原理及應用”是高等院校電類和機械類等專業的基礎課［4－5］，了解單片機的工作原理，掌握單片機技術，特別是具備基本應用操作技能，成為相關專業大學生的重要任務［6］。傳統的單片機教學以典型的80C51系列8位單片機的實際應用為主線，教學中理論與實驗相結合，課堂教學需要給學生提供較為直觀和實用的設計實例，實驗中突出培養學生的實踐動手能力［7－］。采用傳統的單片機教學方式，學生可掌握單片機的基礎編程方法和接口基本使用，而針對實際需求構建單片機系統的綜合設計能力還有一定的欠缺。

物聯網的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯網的基本特征可以概括為全面感知、可靠傳輸與智能處理［10］。物聯網的感知層、網絡層和應用層三層架構中關鍵技術都會涉及到單片機的相關應用，為單片機教學改革提供了豐富的教學題材、內容和實現方法［11－12］。將物聯網的相關技術應用到“單片機原理與應用”這門以實踐為主的教學中，可鍛煉學生構建單片機系統解決實際問題的綜合設計能力，也為學生將來在物聯網相關產業的就業提供技術儲備。

2 教學內容和方法改革

“單片機原理及應用”的傳統教學內容包括80C51單片機硬件結構、指令系統、匯編程序設計、中斷技術、定時器／計數器、、串行通信、存儲器擴展技術、接口系統軟硬件設計等。筆者在本課程改革實踐中，將教學過程分為基礎教學階段和課程設計階段。基礎教學階段的課程采用集中授課的方式完成，安排了38學時的課堂教學和10學時的基礎實驗。同時，針對“單片機原理與應用”以實踐為主的特點，結合物聯網的相關技術和應用，在基礎教學階段結束后，在后半學期增加了單片機課程設計階段，讓學生利用課余時間完成可現場演示的單片機實物作品。教學內容和方法改革的具體內容如下。

2.1 課堂教學內容和課時安排

相對于傳統的單片機教學，38學時的課堂教學計劃見表1。此教學計劃壓縮了單片機指令系統和匯編程序設計的教學時間，只講述最常用的幾個80C51單片機匯編指令以及循環和分支程序設計的方法，增加了實用的單片機C語言程序設計和物聯網基礎知識教學內容，重點突出了單片機常用接口設計的教學內容。

表1 單片機課堂教學學時和內容計劃表

其中，用14學時對時鐘接口、AD／DA接口、GPRS接口、藍牙接口、溫度傳感器、濕度傳感器這一部分主要做接口芯片或傳感器的功能與使用方法的簡介，并提供給學生相關參考文獻和例程，以學生課下自學掌握為主。這一部分的知識需要用到后續的單片機課程設計階段。

2.2 基礎實驗內容和課時安排

基礎實驗一共10學時，與38學時的課堂教學穿插進行，其目的是讓學生動手掌握80C51單片機的基礎編程方法和各個片內接口的使用。在實驗中使用了80C51單片機實驗箱，實驗2個人為一組進行，編程建議采用匯編語言完成，同時也鼓勵學生用C語言和經典的Keil C開發環境完成，實驗的題目和要求見表2。

表2 單片機基礎實驗學時和內容計劃表

這5個基礎實驗涵蓋了80C51單片機基本接口使用和程序設計的課堂教學內容。在教學中，要求學生必須在上機前編寫好程序，在實驗室中集中時間進行調試，使學生完整了解單片機的基本使用方法，為后續單片機課程設計的深入實踐打下基礎。

2.3 課程設計階段安排

在完成單片機基礎教學階段的課堂教學和基礎實驗后，要求學生自主分組和選題，結合物聯網基礎知識，在課余時間完成基于80C51單片機和物聯網技術的可現場演示的課程設計作品。這部分教學不再集中講授，采用了項目責任制的課程設計方案，每個作品由3～4名學生組合完成，每組由一個組長負責整體協調，每個組員在項目中側重完成不同的任務，最后完成實物作品的整合，在課程設計過程中培養學生的團隊精神。

課程設計的作品需要使用80C51單片機最小系統板，同時根據題目需要使用物聯網中的傳感器、GPRS通訊、RFID或無線傳感網絡等相關技術。每個設計題目由教師確認后開始實施，學生通過資料查閱確定設計題目，親自動手完成作品的電路設計、芯片焊接、導線連接、代碼編寫和調試等一系列手工任務。

課程設計考核要求包括方案設計合理性和創新性、報告完整性、作品演示效果、結果數據分析等內容，以分組答辯的形式完成整個課程設計任務，通過綜合表現來給學生評定實驗成績。表3給出了部分課程設計作品名稱和簡介。

表3 部分單片機課程設計的題目與內容

在課程設計最后，教師集中對學生的課程設計進行總結，指出各組設計不合理或制作不規范等問題，培養學生正確的設計思路和操作規范，同時選拔出優秀的作品和隊員參加全國大學生物聯網創新創業大賽等學科競賽。

通過以上課程設計的鍛煉，可使學生理論聯系實際，充分了解一個具體項目從選題、立項、分析到完成的整個過程。對于培養學生創新能力、自學能力、動手能力、組織管理能力和文本書寫能力具有較好的推動作用，為學生日后的工作和科研實踐提供了扎實的技能基礎，獲得較好的課程評價。同時，基于本課程教學改革實踐的成果，北京林業大學參加了2011年至2013年全國大學生物聯網創新創業大賽，共獲得國家特等獎1項，二等獎3項，三等獎1項。

4 結束語

實踐結果表明，將物聯網技術應用在單片機教學中，使“單片機原理及應用”的理論教學與實踐內容進一步緊密結合，豐富了教學內容和手段，培養了學生思維創新、資料查閱、方案論證、軟硬件設計、系統測試與調試、人際交往與協作團隊精神等綜合能力，這與高等院校工科專業的人才培養目標相一致，使學生跟上信息技術和物聯網技術發展需求，將創新思維轉變為實際成果的重要手段，為學生未來的工作和科研深造提供了鍛煉機會。

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［1］中國科學院信息領域戰略研究組.科學技術與中國的未來：中國至2050年信息科技發展路線圖［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］薛燕紅.物聯網技術及應用［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［3］吳功宜.智慧的物聯網［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］丁保華，張有忠，陳軍，等.單片機原理與接口技術實驗教學改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2010，27（1）：117－119.

［5］朱敏杰，羅珩，余亞東.改革單片機教學 培養應用型人才［J］.實驗室研究與探索，2012，31（2）：144－147.

［6］趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機原理及應用課程創新實踐教學改革［J］.實驗技術與管理，2013，30（1）：176－179.

［7］張毅剛.新編MCS－51單片機應用設計［M］.3版.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

［8］張毅剛.單片機原理及接口技術（C51編程）［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［9］張俊謨.單片機中級教程：原理與應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［10］徐小濤.物聯網信息安全［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［11］楊怡.物聯網技術在單片機教學中的應用［J］.科教導刊，2013（9）：99－100.

［12］陳奎，黃為勇，田傳耕.物聯網時代單片機教學的思考與改革［J］.福建電腦，2012（6）：173－175.