項目式教學體系改革“單片機原理及應用”課程教學的研究與實踐＊

蘇渤力，于瑞紅，王新剛，馬洪蕊

（防災科技學院電子科學與控制工程學院，河北 廊坊065201）

“單片機原理及應用”課程講授8位、16位和32位微控制器的設計及應用，是電子信息大類一門綜合性和實踐性較強的課程[1-2]。隨著半導體技術的進步，微控制器作為核心控制器件在汽車電子、航天與國防、工業自動化與控制系統、無線基礎設施以及個人消費類電子器件等領域有著廣泛的應用。該課程講授先進的微控制器架構和外設、實時處理、數據分析和安全功能，使學生掌握如何提高微控制系統的自動化程度和能效[3-4]。為了提升學生進行高性能低功耗微控制系統設計的能力，使學生通過本課程的學習達到企業和行業要求的綜合設計能力，課題組根據“單片機原理及應用”課程的綜合性和實踐性，對課程的教學進行了創新嘗試和改進研究[5-6]，探索了項目式教學體系模式，提高教學內容的深度、廣度和趣味性。實踐教學改革取得了較好的教學效果。

1 教學模式探索

1.1 課堂講授與演示

各種型號的微控制器在具體的應用領域均有獨特的優勢，集成開發環境較多，微控制器是設計基礎，程序設計是核心。在教學中選擇uVision5 IDE集成開發環境介紹微控制器的架構和外設應用。根據課程的特點，學時安排為理論教學與上機實驗教學有機結合模式。理論教學中進行知識點的講授和演示，讓學生熟悉微控制器的架構。例如寄存器的概念，學生經常會覺得比較抽象，不易理解，此時就需要根據芯片數據手冊介紹什么是存儲器映射？存儲器本身不具有地址信息，由芯片廠商或者用戶給存儲器分配地址的過程就稱為存儲器映射。那什么是寄存器？給有特定功能的內存單元分配名字，這個名字就是寄存器，給已經分配好地址的有特定功能的內存單元分配名字的過程就稱為寄存器映射。上機教學中以案例為目標，讓學生自由編程，用不同的方式達到案例設計要求。以學生的自主性和創新性為中心，教師輔助提示完成教學目標，既讓學生掌握知識點，又激發了學生的創新能力和學習熱情。課后布置不同難度的練習題和上機題，進一步強化教學內容，學生在程序設計的過程中不斷發現問題并解決問題，從而進一步提高微控制系統設計能力。

1.2 IDE和開發板綜合實驗

IDE集成開發環境使學生可以為開發板編寫程序設計代碼，同時可以使操作系統、外設驅動程序、硬件抽象、協議和庫之間的無縫協同工作。IDE上機實驗中，學生自行創新編寫設計程序，調試和改進，能夠較好地掌握微控制器架構，增強程序設計能力。開發板綜合實驗結合了具體的硬件，在教學中為學生組織了基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗以及開放性實驗，根據實驗室現有的微控制器實驗模塊，學生自主完成硬件電路搭建，程序設計和調試，下載到硬件以及改進編程整個過程，完成微控制系統設計的同時，提升了學生的綜合能力和創新能力。

1.3 開放實驗室

一個具體功能的實現可以通過不同的結構和不同的思維方式，程序設計代碼效率也不同，往往有多種答案。因此在為學生開設的開放實驗室課程中，鼓勵學生多思考多討論，對比多組的程序設計效率來優化代碼，鼓勵學生積極競爭，主動創新，在促進競爭的過程中調動學生的學習熱情，強化學習效果。開放實驗室課程不同于一般的理論或者實踐課程，不僅有教師的監督和指導，同時有全天候的實驗室可以輔助學生創新，為學生營造了一個課下創新空間。

2 項目式教學體系建設

項目式教學體系建設旨在通過全過程的構建和思考，提高應用型本科的工程實踐能力，依托學科和行業背景，突出專業特色，構建具有應用型本科特色的工程項目式教學體系，主要從以下五個方面進行。

工程化實驗室環境：結合防災科技學院電子科學與控制工程學院三個工科專業特色，圍繞項目式教學實踐過程，依托多個創新創業實驗室，搭建完整的項目架構，開發流程管理、算法組和硬件組有機結合，同時兼顧團隊文化建設。

大精英團隊：由精英教師、高層次人才組成工程化指導團隊，明確指導時間。指導團隊人員構成合理，團隊帶頭人起到關鍵核心作用，具備且不斷增強學科優勢和特點。

項目內容創新：項目主要來源是典型案例、教師研究項目和大學生創新創業項目，結合行業工程實踐實際情況設計多層次、多項目課程體系，以綜合性、創新性、探究性、開放性評估學習效果。

學生團隊建設：根據工程化項目教學需要和學生個人優勢分組，具體任務到個人，合作共同完成項目任務。學生團隊合作有如下幾點優勢：①可以加快項目學習進度；②思想碰撞增進創新；③加強團隊默契；④學習成果個性化。

一流課程建設：按照“高階性、創新性、挑戰度”的金課標準，將知識和能力素質有機結合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。整合已有的課程創新，進行“單片機原理及應用”一流課程建設，項目式教學內容要具有前沿性，教學形式呈現互動性，學習成果具有探究性和個性化特征。

3 應用開發提升高級系統設計能力

“單片機原理及應用”是一門綜合性、實踐性很強的課程，學生要真正掌握微控制器高級系統設計，還需要融合其他課程的知識，例如嵌入式實時操作系統（RTOS）、Linux、AI等。在5G新基建的時代背景下，物聯網產業持續蓬勃發展，多省市均在積極建設智慧城市。在物聯網應用系統設計方面，采用中國移動OneNet平臺進行了智能家居系統的設計，采用溫濕度傳感器、光強傳感器、加速度傳感器、三軸磁阻傳感器、Wi-Fi通信模塊以及NB-IOT通信模組來實現。以最新NB-IOT芯片為核心的NB-IOT通信模組，在典型應用（PSM/RX）上功耗降低近50%，可以有效延長終端系統電池的壽命。

以智能水表系統的設計為例，搭載5 600 mAh鋰錳電池的NB水表，每天通信一次為200字節，模組集成了BLE5.0，解決了系統維護測試難點。傳統的電表采用紅外傳輸方案，在進行維護測試時，需要將支持紅外讀寫的定制終端與帶紅外讀寫器件的系統對準，連接效率較低。而支持BLE5.0的NB-IOT通信模組，僅需使用PC或手機對水表系統進行通信，大大提高了連接效率。板載GNSS模塊，可為NB-IOT模組增加定位功能。智能水表方案不僅解決了人工抄表難題，同時實現了檢測管網水壓、同步流量對比、支撐分時計費等功能，而且能提前規避問題、定位或發現管網漏水問題、提高水資源利用率。

早期的智能燃氣表，多是以“裸機開發”模式為主，智能設計的核心訴求是“遠程抄表”，隨著全面的信息化與智能化技術創新，智能燃氣表需要承擔的功能越來越多。例如，燃氣使用過程中非常重要的漏氣監測、精確計量、遠程控制、信息安全管理等，“裸機開發”模式會極大增加研發和硬件系統成本。同時，在智慧城市領域，基于地區的集中調配、定價和管控等工作，都極大地依賴海量燃氣表的實時和多維信息互通，這就需要物聯網操作系統，開源的物聯網操作系統有OneOS、LiteOS、AliOS等。物聯網操作系統結合NB-IOT芯片，將數據處理與傳輸（傳感+互聯）結合在一起，不僅減少了體積，還實現了低功耗，支持智能燃氣表超長時間待機使用。

4 項目驅動式教學管理

“單片機原理及應用”是專業性、可拓展性較強的課程，因此還為學生開設了開放實驗室課程和暑期實習等實踐活動，進一步提高學生的系統設計能力。為了有效促進學生的學習，采用項目驅動式教學，形成以項目進度為主線、以學生為主體、教師引導輔助、以綜合能力培養為基本特征的管理思路。教學管理主要采用5W2H項目管理法，即用5個W開頭的單詞和兩個H開頭的單詞進行設問，實現對項目的有效規劃和管理。具體到本課程則設計到以下幾個問題：①項目內容（What）和預期目標（Why）；②項目適用場景（Where）；③項目主體（Who）；④采用什么方法得到項目的預期效果（How）；⑤項目階段規劃（When）；⑥項目預算（How much）以及如何執行預算。在項目實施階段，教師以學術交流的形式與學生定期研討，促進學生項目發展，及時引導學生解決關鍵技術問題，鼓勵學生積極創新，同時對創新可能增加的成本予以支持，學術研討結果由學生整理記錄歸檔，并及時進行歸納總結。項目以學生匯報形式驗收，組織多名教師為學生進行項目評審，按照項目介紹、解決的主要問題、創新性和探究性等給出相應的分數。

5 結束語

根據“單片機原理及應用”課程的特點，通過項目式教學體系建設和行業應用實踐對課程的教學內容、教學方法和教學模式進行了探索，在物聯網應用系統設計和AI項目系統設計方面與時俱進，設計案例具有實踐性、探究性和前沿性。在今后的教學中，課題組在新工科形式下，不斷探索拓展課程的深度和廣度，在實踐中總結經驗，不斷完善項目式教學體系，構建以學生發展為中心的項目式教學體系，進一步提升教學質量。