以物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革研究

劉華 孟軍英 范亞斌

摘?要：物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展需要大量的應(yīng)用型人才，作為引導(dǎo)學(xué)生從事物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的入門課程，單片機(jī)原理與應(yīng)用課程必須要以物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)改革，本文以石家莊學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的單片機(jī)原理與應(yīng)用課程為例，討論通過調(diào)整授課內(nèi)容、改革課堂教學(xué)模式、改進(jìn)課程考核方式等改革措施對課程教學(xué)的積極影響以及取得的改革效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)原理與應(yīng)用;物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè);教學(xué)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對人才的需求十分迫切

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度集成和綜合運(yùn)用，是全球經(jīng)濟(jì)新動能新引擎，是新一輪產(chǎn)業(yè)革命的重要方向和推動力量。在“十四五”規(guī)劃中，物聯(lián)網(wǎng)被列為七大數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，承擔(dān)起數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)業(yè)增加值占GDP超過10%的目標(biāo)重任。從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況來看，目前，物聯(lián)網(wǎng)已較為成熟地運(yùn)用于安防監(jiān)控、智能交通、智能電網(wǎng)、智能物流等。巨大的市場需求和廣闊的發(fā)展空間，必然滋生對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用型人才的巨大需求。

2 單片機(jī)課程以往在教學(xué)中的問題

單片機(jī)原理與應(yīng)用課程開設(shè)之初，選用了ATC89C51單片機(jī)開發(fā)板為例，講解單片機(jī)原理的相關(guān)內(nèi)容。課程內(nèi)容主要偏向8051內(nèi)核的硬件結(jié)構(gòu)和原理，實驗內(nèi)容也只能是讓學(xué)生“點(diǎn)亮LED小燈、蜂鳴器鳴叫”等基礎(chǔ)原理實驗。而受到開發(fā)板硬件資源的限制，學(xué)生還需要利用GPIO自行開發(fā)單片機(jī)的串口驅(qū)動。由于這些課程內(nèi)容受限于現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)板資源、而且內(nèi)容過于偏向研究設(shè)計，顯得枯燥、難懂，無法良好的調(diào)動大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，整體教學(xué)效果不佳。

3 在產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向下，改革單片機(jī)課程的大綱、增加趣味性實用性的實驗內(nèi)容、調(diào)整考核機(jī)制、改革課程實踐環(huán)節(jié)

考慮到單片機(jī)原理與應(yīng)用課程是引導(dǎo)學(xué)生從事物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的入門課程，我們單片機(jī)課程教學(xué)團(tuán)隊通過與企業(yè)專家對接、與同行交流、與學(xué)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(xué)改革與摸索，逐步完善了課程大綱、實驗項目設(shè)計以及考核環(huán)節(jié)改革，課程內(nèi)容涵蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面的“芯片、接口、傳感器”等方面的專業(yè)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(xué)效果。

3.1 調(diào)整課程大綱

將原有大綱中的“ATC89C51”單片機(jī)開發(fā)板，替換為封裝性好、接口資源豐富的、以“CC2530”為核心的“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”實訓(xùn)平臺，授課內(nèi)容圍繞該實訓(xùn)平臺可以開展的實驗項目來設(shè)置，要求在了解物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，理解單片機(jī)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的重要地位和作用，掌握單片機(jī)的GPIO、外部中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行通信、AD轉(zhuǎn)換的應(yīng)用配置能力，并著重加強(qiáng)學(xué)生“閱讀硬件電路圖”和“使用C語言編寫單片機(jī)工程源碼”的能力。

3.2 調(diào)整課堂教學(xué)順序

最初的課堂教學(xué)順序是：授課教師先使用PPT講授一大堆單片機(jī)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(xué)生親自動手實踐。這樣的順序?qū)е聦W(xué)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(dāng)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(shè)備無從下手。

改革后的課堂教學(xué)順序是：由授課教師帶領(lǐng)學(xué)生一起閱讀實驗操作步驟，一邊讀一邊操作，直到學(xué)生操作完成后得到和教師一樣的實驗現(xiàn)象;接著，由教師引導(dǎo)學(xué)生修改實驗工程項目中的C語言源碼內(nèi)容，并再次觀看實驗現(xiàn)象，通過兩次不同的實驗結(jié)果，引起學(xué)生的興趣;然后，由教師根據(jù)不同的實驗結(jié)果，帶領(lǐng)學(xué)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(nèi)容;最后，由授課教師提出項目改進(jìn)意見，讓學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論并最終在實驗平臺上完成。

通過調(diào)整課堂教學(xué)順序，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，通過讓學(xué)生多動手，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，鼓勵學(xué)生相互交流的方式進(jìn)行授課，實現(xiàn)了90%以上的學(xué)生可以獨(dú)立完成課堂實驗項目的操作，工程源碼的閱讀及改進(jìn)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

3.3 改進(jìn)課堂實驗項目

課堂實驗項目設(shè)計的優(yōu)劣直接影響整個課程改革的成敗。為了保證課堂實驗內(nèi)容實用性與趣味性兼具，還可以在此基礎(chǔ)上引申出拓展思考的內(nèi)容。我們單片機(jī)課程教學(xué)團(tuán)隊曾多次與從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)公司的有關(guān)專家進(jìn)行交流，向其他高校從事物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的專家請教，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)論壇上搜索有用的信息，最終設(shè)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(yīng)用原型的“基于oLED的簡易電子表設(shè)計實驗”;以遠(yuǎn)程控制智能門鎖開關(guān)為應(yīng)用原型的“基于串行通信的多指令控制系統(tǒng)設(shè)計實驗”和以啟動風(fēng)扇為硬件設(shè)備降溫為應(yīng)用原型的“芯片溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實驗”。

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

通過對2017級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)183名學(xué)生在2020年春季學(xué)期以及2018級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)178名學(xué)生在2021年春季學(xué)期的兩屆教學(xué)改革實踐，我們記錄了以上5個實驗項目的實際教學(xué)效果，每個項目都有近90%的學(xué)生達(dá)到了學(xué)習(xí)目標(biāo)，有近25%的學(xué)生達(dá)到了優(yōu)秀，教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗，也是對教師教學(xué)環(huán)節(jié)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(gòu)成來評定一個學(xué)生最后的學(xué)習(xí)效果。這種考核方式相對于單片機(jī)原理與應(yīng)用這門實踐性強(qiáng)的課程來說不是很適用。為此，我們教學(xué)團(tuán)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(jù)課堂教學(xué)的5個實驗項目內(nèi)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(shè)計實驗”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的“拓展項目考核”。這個階段考核的重點(diǎn)在于學(xué)生是否可以通過前兩個實驗的學(xué)習(xí)，掌握了CC2530的功能開發(fā)方法，IAR工程的創(chuàng)建、配置以及調(diào)試方法;是否理解GPIO、外部中斷的工作原理和應(yīng)用開發(fā)。只有在已經(jīng)掌握了的基礎(chǔ)之上，才能夠通過掌握定時器的工作原理、結(jié)合GPIO的應(yīng)用和外部中斷的應(yīng)用，以及oLED的使用實現(xiàn)一個“簡易電子表”。這個階段考核的知識點(diǎn)雖然偏基礎(chǔ)，但是這個階段的考核的結(jié)果是直接影響了后面兩個階段學(xué)生是否能夠達(dá)標(biāo)的一個標(biāo)志性階段。這個階段的考核標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計實驗”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的“拓展項目考核”，這個階段考核的重點(diǎn)在于學(xué)生是否理解串行通信的原理和開發(fā)方法。串行通信一直都是單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)最常見的需求，通過掌握基于CC2530的串行通信功能應(yīng)用開發(fā)，學(xué)生能夠理解硬件設(shè)備之間的通信模式，能夠舉一反三，掌握在其他芯片上進(jìn)行串行通信功能的開發(fā)，這對與學(xué)生未來在該領(lǐng)域就業(yè)時必須要掌握的能力。這個階段考核的知識點(diǎn)重點(diǎn)在學(xué)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(shù)據(jù)的分析和處理等方面的掌握情況。這個階段的考核標(biāo)準(zhǔn)和總分見表2。

第三階段是針對“芯片溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實驗”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的“綜合性拓展項目考核”，這個階段的考核內(nèi)容屬于整個課程的綜合性考核，這里考核的是學(xué)生是否能夠?qū)⑦@個學(xué)期所學(xué)的知識點(diǎn)融會貫通，將GPIO、外部中斷、定時器、串行通信以及ADC綜合應(yīng)用在一起來完成項目的分析與設(shè)計以及最后的功能開發(fā)。前兩個階段的考核重點(diǎn)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(fù)盤，也是對學(xué)生是否具有工程項目分析、設(shè)計、實施能力的考核。這個階段的考核標(biāo)準(zhǔn)和總分見表3。

三個階段考核的成績相加為學(xué)生最后的期末總評成績，這種考核方式就學(xué)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(nèi)容的學(xué)生沒有了可乘之機(jī)，也讓那些一遇到大考就發(fā)揮失常的學(xué)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(jiān)控自己在教學(xué)過程中的問題，并能夠根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生掌握的情況實時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和難度，真正實現(xiàn)“教學(xué)相長”。

結(jié)論

教學(xué)組通過對單片機(jī)原理與應(yīng)用課程實行一系列修訂課程大綱、調(diào)整課堂內(nèi)容教學(xué)順序、改革教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)課程考核方式等改革措施，提升了課堂教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終達(dá)到了提升學(xué)生綜合能力的效果。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是持續(xù)的，對人才的需求也會隨之發(fā)生變化，只有將課程教學(xué)目標(biāo)與服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求相結(jié)合，才能為社會培養(yǎng)合格的人才，教學(xué)組將持續(xù)不斷地推進(jìn)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的教學(xué)改革工作，與時俱進(jìn)。

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基金項目：2020年度石家莊市高等教育科學(xué)研究項目（20201012）

作者簡介：劉華（1980—?），女，漢族，河北邯鄲人，工學(xué)碩士，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究。