高職物聯網專業單片機課程教學改革探索

曾寶國 曾妍

摘要：單片機課程是高職物聯網專業的一門專業基礎課，對學習后續專業課及從事物聯網相關工作起著重要支撐作用。文章分析了高職物聯網專業單片機課程的主要特點，并針對課程教學內容的“聯網”特性、教學模式的“混合”特性，從教學內容、教學模式、教學評價方式的重構三個方面闡述了教學改革的具體思路。

關鍵詞：高職院校；物聯網專業；單片機；教學改革；混合式教學

中圖分類號：G718 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2018）09-0073-04

我國高職物聯網專業的發展起源大約有三類，即分別以電子類、網絡類、軟件類專業為主，通過增設感知、傳輸、軟件類相關課程，逐步形成以感知、傳輸、應用中的某一類為支撐，其他類為輔助的物聯網專業。作為感知層的核心課程，單片機課程在三類物聯網專業中普遍開設，既是重要的專業基礎課，也是相關職業技能大賽的重要賽點，更是學生畢業后從事物聯網相關工作的重要支撐。如何強化單片機對物聯網專業后續專業課的支撐作用，如何利用信息化手段提高課程的教學效率，是物聯網專業單片機課程教學改革需要研究和解決的重要問題[1]。

一、高職物聯網專業單片機課程的主要特點

高職物聯網專業一般定位于培養物聯網工程一線技術技能人才，在單片機領域的基本要求是能從事單片機產品特別是M2M（機器到機器）產品、智能硬件的軟硬件測試與工程部署、輔助或直接從事單片機產品的軟硬件開發。與傳統單片機課程相比，高職物聯網專業的單片機課程主要有以下兩個特點[2-3]。

（一）教學內容突出“聯網”特性

傳統單片機課程的教學普遍以MCS-51系列單片機為主，內容選取主要涉及單片機的結構、指令系統及C或匯編語言程序設計、定時/計數器、存儲器及接口（通用I/O、A/D、D/A）、串口通訊等，教學重點放在熟悉單片機的寄存器及操作接口上[4]。而在物聯網技術體系中，低功耗、高性能、具備網絡通信、支持OS等功能的單片機及其他高端嵌入式處理器成為應用主流。因此，物聯網專業不宜再選擇MCS-51單片機作為學習平臺，可選擇TI公司的CC2530、CC2650，或者意法半導體的STM32L、STM32F等系列處理器，其性能遠超MCS-51系列處理器，并支持TinyOS、Z-STACK、uCos-II等嵌入式操作系統，具備直接支持或擴展支持ZigBee、藍牙、TCP/IP等網絡通信能力，更能體現物聯網所需求的“聯網”特性。

（二）教學模式突出“混合”特性

傳統MCS-51系列單片機的板載資源有限，學習入門難度較低，采用“理論講授+課內實驗+綜合實訓”或者“網絡學習+實驗驗證”等方法，均能達到較好的學習效果。但是，當選擇CC2530、STM32系列單片機后，由于板載資源的增加及網絡通信、OS等的植入，學習內容大幅度增多、入門難度大幅度提高、對創新能力的培養需求也大幅度提高，使得在有限的課堂教學時間難以保障學生實現預期學習目標，教學中必須積極創造條件和創設情境，引導學生綜合利用課前學習和課后鞏固。因此，物聯網專業單片機課程的教學應盡可能引入混合式教學，借助MOOC、SPOC、微課、翻轉課堂、創新工作室等平臺，采用不同的資源、教學活動、評價方法開展教與學活動，實現在開放學習環境中的自主學習、交流討論中知識技能的內化，以及實踐探索中創新能力的培養[5]。

二、高職物聯網專業單片機課程教學改革的主要思路

根據前述物聯網專業單片機課程的特點，將課程教學改革的著力點定位在重構教學內容、改革教學模式及教學評價方式等三個方面。

（一）重構教學內容

綜合考量高職物聯網專業的定位、物聯網技術體系的發展需求，以及全國高職院校物聯網技術應用賽項的賽點，可選擇CC2530無線SOC作為教學平臺（具體可選全國高職院校物聯網技術應用賽項競賽平臺的CC2530模塊）。

在物聯網工程項目中，對CC2530的使用一般分為表1所示的單片機基礎應用、BasicRF無線通信、Z-STACK組網通信三個層面，它們從簡單到復雜、由單一到綜合，表現了CC2530單片機的主流應用領域和技術發展歷程，是選取和序化教學內容的主要參考點。

根據高職學生“喜實操、厭理論”的學習特點，采用“項目導向，任務驅動”開發理念[6]，將課程的教學內容劃分為3個項目14個教學任務，詳見表2。其中，“CC2530基礎開發”項目的重點是引導學生搭建單片機開發環境，學習CC2530的I/O口配置、中斷、定時/計數器及PWM控制、A/D轉換、串口通信；“BasicRF無線通信”項目的重點是學習BasicRF協議棧的運行機制，熟悉射頻收發、串口收發、傳感器驅動等相關函數的使用方法，熟練開發傳感器與執行器綜合應用項目；“Z-STACK組網通信”項目的重點是學習Z-STACK協議棧的工作流程，熟悉事件驅動機制及處理函數，完成傳感器與執行器的綜合應用項目的開發，熟練優化網絡路由、監控網絡拓撲。

（二）重構教學模式

重構教學模式的目的是引導學生課前自主學習、課中內化知識培養技能、課后鞏固提升培養創新能力。為了實現上述目標，課題組以表2所示項目中的每個具體任務為載體，建立“SPOC+微課”、翻轉課堂、創新工作室等三個學習平臺，構建下頁圖1所示教學運行關系圖，實現課程的混合式教學[7]。

1.借助“SPOC+微課”平臺實現自主學習

通過“SPOC+微課”平臺的師生互動，建構由情境體驗、交互反思共融的深度學習場景，引導和學生自學、互學，具體分兩個階段。第一階段是確定目標、優化方案、建設資源。在課堂教學開展之前，首先根據學生特點及教學內容來制定具體的教學目標。其中，對學生的關注點是已經具備的知識、能力、素質基礎及學習價值取向，一般通過調查問卷、互動交流方式獲取；對教學內容的關注點是學習內容與學生基礎之間是否無縫銜接，主要通過大數據分析功能實現。其次，通過綜合考量學生基礎及學習價值取向、教學內容，優化設計教學方案。為強化學生自主學習積極性、引導學生弘揚契約精神并因材施教，課題組采用工程化理念將每個學習任務轉換為模擬招投標項目，進行工程化改造，并利用信息化手段建設在線教學視頻、微課、課件、技術文檔等引導文材料。第二階段是學生線上自主學習。教師借助SPOC在線學習平臺及“藍墨云班課”移動輔助教學軟件，發布工程項目引導文材料（含學習視頻、微課、課件、技術文檔等）并開展指導；學生通過線上學習知識、記錄學習日志、通過自測開展自我診斷與改進。

2.借助“翻轉課堂”平臺實現知識內化和技能培養

學生借助“SPOC+微課”平臺開展自主學習對關鍵知識點有了一定掌握后，課堂教學環節的主要任務演變為知識的內化和技能的培養。為充分發揮教師的主導性和學生的主體性，課題組通過“翻轉課堂”實踐了互動混合式教學。其中，教師運用頭腦風暴、設問引疑、仿真演示等方法開展教學，學生通過合作探究、仿真實踐、角色扮演等方式參與學習。通過教師與學生的角色翻轉、課前課中的知識技能培養翻轉，讓學生在自主、合作、探究的互動中內化知識、培養技能。

3.借助“創新工作室”鞏固提升，培養創新能力

如前所述，由于學時限制，課中很難完成單片機課程各任務的精講精練，必須引導學生充分利用課后時間完成有關實操、總結工作。為此，建立專門的單片機創新工作室，配備示波器、萬用表等必要的實驗儀器設備及單片機模塊、電子元器件等專用耗材，為學生完成作品、項目交付、匯報答辯，以及開發單片機創意產品、創新作品、參加物聯網相關競賽等創造條件，實現知識技能的鞏固、融合，提升創新能力。

（三）重構教學評價方式

在混合式教學模式下，圖1所示各教學平臺的教學組織及學習行為、學習成果都可被記錄、保存、追溯，有利于過程性、個性化評價。課題組充分考慮傳統評價方式的優點及SPOC在線開放課程平臺與藍墨云班課平臺的管理及數據分析優勢，根據過程性考核與終結性考核相結合、定性評價與定量評價相結合原則，創設了下頁表3所示多元化、動態化、層次化教學評價體系[8]，既關注學習者的成長過程及學習價值取向，注重培養學生的學習成就感，又關注學生的工程實踐能力，以便為學生學習后續課程及就業做好支撐。

三、結語

根據西方教育教學有效性理論，課題組以成都工業職業技術學院物聯網專業2016—2017屆學生為對象，對單片機課程教學改革的成效進行了評估。實踐表明，推行課程改革的直接成效有三點：一是單片機課程的學習內容適應了物聯網技術體系的發展需求，對后續“典型無線通信技術”“RFID技術及應用”“物聯網綜合實訓”等課程的支撐力度更大。二是通過落實“SPOC+微課”、翻轉課堂、創新工作室等三個平臺的學習任務，教師能對學生學習過程進行動態跟蹤和多元評價；學生在課前預習、課中互動交流、課后鞏固提升的參與度大幅度提升，自主學習、內化知識、培養創新能力的課程目標達成度也大幅度提升。學生在四川省高職院校技能大賽“物聯網技術應用”賽項中連奪兩年省賽冠軍，在全國比賽中也屢獲殊榮。單片機課程教學從傳統知識傳授向關注學生全面發展轉變成效明顯。

參考文獻：

[1]郭昕.“互聯網+”時代的混合式教學模式研究[J].中國職業技術教育，2017（26）：18-22.

[2][4]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）：173-186.

[3]張杰.具有新型接口的MCS-51單片機實驗系統設計[D].呼和浩特：內蒙古大學，2015.

[5][7][8]湯勃，孔建益，曾良才，等.“互聯網+”混合式教學研究[J].高教發展與評估，2018（5）：90-99.

[6]林雪燕，潘菊素.基于翻轉課堂的混合式教學模式設計與實現[J].中國職業技術教育，2016（2）：15-20.

（責任編輯：張維佳）