短視頻驅動的物聯網“單片機原理”課程教學改革

連仁包，林智華，林旭云，陳 軍

（福建江夏學院電子信息科學學院，福建 福州 350018）

0 引言

2017 年2 月，教育部發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]，強調了工程教育在我國高等教育中的重要地位，為配合創新驅動發展、“中國制造2025”等國家重大戰略，決定開展新工科研究和實踐，圍繞新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展工程教育改革。物聯網工程專業是多學科交叉專業，涵蓋了物聯網系統的底層環境感知（單片機與傳感器技術）、路由節點的數據處理（嵌入式技術）、數據傳輸（通信技術）、云端數據存儲、分析、展示（軟件開發技術），同時還需要上位系統的反向控制技術（控制技術），專業涉及的知識龐雜、門類繁多，即有硬件方面的知識，又有軟件開發技術（特別是網站、手機APP和小程序等），造成物聯網工程專業的學生有一種跨專業學習的錯覺，專業課學得多但又不扎實。單片機課程是“新工科”建設的一門重要課程[2]，對于硬件專業學生而言更是一門難以掌握的課程。為適應新工科的建設需求，提高學生學習積極性和主動性，降低學習門檻，提出基于短視頻驅動的單片機原理教學改革，通過提煉每個章節的知識點，撰寫知識點PPT，精心錄制單個知識點的短視頻（一般5 min 以內）[3]，結合課前短視頻預習、線下課堂分組討論，課后實踐，培養學生的學習興趣，為物聯網后續的相關課程打下堅實的基礎。

1 單片機課程教學存在的問題

物聯網工程專業作為一門新興專業，基本上都是從計算機專業轉型而來，教師在設計單片機原理的教學時，多參考了電子信息工程專業，這必然存在多方面的問題。

1.1 課程安排提前

物聯網工程專業是一門多學科交叉的專業，專業課程涉及多個學科領域，如計算機技術、傳感器技術、嵌入式技術、軟件開發、通信技術、控制技術等，使得原本在硬件專業中安排靠后的單片機原理被提前到了第三學期，因為很多課程如嵌入式系統開發、傳感器技術、通信技術等都是單片機原理課程的后續課程。物聯網專業本身并非純粹的硬件專業，硬件知識的理解能力先天不足，課程安排的提前，進一步增加了學習難度。因此，降低學生的學習門檻、提高學生主動學習的興趣，變成了單片機原理教學改革的第一要務。

1.2 學情不同

首先，自1999 年始，高等教育經過多輪擴招，大學生的整體素質下滑嚴重，很難寄希望于學生有足夠的耐心和毅力，能夠長時間地接受理論知識的灌輸，情況往往是教師在臺上揮汗如雨、滔滔不絕，臺下學生卻是昏昏欲睡、無精打采。其次，近年來短視頻、信息快消費已經成為了信息傳遞的主流方式，學生越發地浮躁，已經形成了對長視頻的自然抗拒，因此，傳統的教學手段已經無法滿足當前的學生學習情況。

1.3 實驗儀器不足

幾十年來，單片機原理教學多以51 基本型單片機作為教學內容，有些復雜的系統可能需要多個串口、更多定時器/計數器、更高運行速度等，基本型單片機無法滿足。另外，市面上的大多數教學用的開發板采用模塊化制作，模塊與模塊之間通過排線或者杜邦線連接，并用一個盒子將許多零散的部件放在一起，因容易造成部件丟失，無法將種散裝的套件發給學生練習，學生接觸實驗儀器的機會太少。

1.4 輕視實操環節

傳統教學重理論、輕實踐，64 課時的單片機原理，實驗環節只安排了16 課時，而且要完成8 個實驗，平均每個實驗僅僅2 個學時。每個實驗涉及項目需求講解與演示、實驗注意事項介紹、學生繪制proteus 實驗仿真圖、編寫代碼、代碼調試、仿真測試、下載開發板驗證等，一整套流程中有任何一個步驟失誤都會導致實驗無法按時完成。教師為了完成任務，往往將仿真圖、代碼展示給學生看，學生只是依葫蘆畫瓢，思路完全被老師牽著走，沒有自主思考的時間和空間。因此，單片機實踐部分絕不能僅僅依靠實驗課上的教學，應該給學生充分的時間，同時應該將實驗難度分級，讓不同程度的學生有不同的擴展空間。

2 物聯網單片機教學改革

2.1 理論教學改革

傳統的教學方式以教師為中心，在教師的帶領下學習，是一種被動的學習方式。該方式下，教師要完整地講解完理論知識，然后在下次課安排實驗教學，這里存在兩個致命的問題，第一，理論課講解時間過長，很多學生無法長時間集中注意力，教學效果差；第二，理論教學與實驗教學脫節，無法立即將理論知識與實踐結果進行印證。受文獻[4]的啟發，提出轉換師生角色，將學生被動接收轉變成主動學習。教師通過精煉每個章節的知識點，制作成短小精悍的小視頻，借助開放教育平臺，開展線上線下混合教學，配合課前預習，預習檢測，線下課堂分組討論+教師理論梳理，課后練習鞏固+實驗，完成知識的課前構建、課中內化、課后固化和拓展提升，提倡的教學模式如圖1 所示。該模式下，教師需要精心梳理本課程每個章節的知識點，提前將知識點的講解錄制成圖文并茂的短視頻，編制好對應章節的課前練習、課后作業、實驗小項目等，這些資料都托管在開放教育平臺上。課前，教師布置預習任務，學生結合教材觀看短視頻并完成課前練習，組內形成學習報告，自主完成知識的構建；課堂上，教師抽檢學生的學習報告，抽到的小組指派代表上臺做報告，教師在聽取報告的過程中發現問題、收集反饋，對講解正確的表揚，對講解錯誤的內容進行糾偏，并解答學生的疑問，完成知識蒸餾和內化；課后，教師發布課后作業，學生在平臺上完成作業，章節小實驗可以借助“口袋實驗室”（詳情參看2.2）完成，實現知識的復習鞏固。在整個教學過程中，教師收集學生的課前的學習報告、課后的章節小實驗，登記課堂的學習報告，并給這些項目打分，結合平臺提供的課前練習和課后作業分，形成多元化的平時成績。

圖1 基于短視頻驅動的理論教學模式

從圖1 可以看出，教師角色從傳統的主導地位退居到幕后，成為素材的提供者和學習的引導者，學生從原來的被動接收變成了主動學習，可以根據自己的時間、地點和方式觀看短視頻，完成課前和課后任務，實現知識的自主構建和固化。因短視頻按章節知識點編排，學生還可以任意點播存疑的知識點，溫故知新。該模式強調預習視頻以基本概念、基本原理的理解為主，視頻宜短小精悍，以提升學生自我知識構建的信心。

2.2 實驗教學改革

傳統的單片機原理實驗環節為每個實驗項目安排2 個課時，正如上文提到，實驗的工作量大，往往無法在指定的時間內完成，因此實驗環節必須向課下延伸，學生在學習過程中必須隨身攜帶練習板子，學生在自主構建知識的過程中，能夠立即用實驗板進行實操驗證，不僅可以加深理解，更可以提升學習興趣和獲得感，進而促進自主學習，形成正向激勵。建議開設單片機原理課程的院校根據每屆招收的學生數，購置相應數量的一體化開發板，稱為“口袋實驗室”[5]。該開發板需方便攜帶且不易丟失元件，一般只有一塊電路板外加一根下載USB 線，板載模塊之間通過電路連接，但被鎖存器隔離，要啟用某個模塊，只需開啟對應的鎖存器即可，省去了各種排線和杜邦線。板子在開課前發給學生，人手一臺，結課后收回，準備下一屆學生使用。同時，學校實驗室額外采購一套通用開發板套件，包含常見的模塊，該做法的目的有兩個方面：第一，上實驗課時，學生無需將“口袋實驗室”帶到實驗室，以防在攜帶過程中丟失；第二，一體化板子的電路原理圖與通用開發板的不同，學生在“口袋實驗室”上實現的程序需要經過一定的轉變才能在通用開發板上運行，讓學生學會看電路原理圖，掌握不同型號芯片和板子的應用。在以上做法的前提下，提出就短視頻驅動的實驗教學改革，如圖2 所示。教師提前錄制好實驗項目的需求、關鍵點講解短視頻，于實驗課的幾天前向學生推送，讓學生有充足的時間在“口袋實驗室”上實現；實驗課當天，學生將做好的程序遷移到實驗室的通用開發板上，由于學生在課下做了充分的準備，簡單的遷移可以快速完成，這樣既不耽誤教學任務，也充分鍛煉了學生的動手能力；課后教師還可以發布拓展實驗，有能力的學生可以進一步提升能力，做到差異化教學?！翱诖鼘嶒炇摇笨梢允褂萌我鉂M足方便攜帶要求的板子，但考慮到“以賽促學、賽教融合”（詳情參看2.5），教學團隊使用了“藍橋杯”單片機設計競賽的比賽用板，如圖3 所示，該板子以宏晶公司的高端芯片STC15F2K60S2 為主控芯片，可選擇1T 和12T 兩種速度模式，片內集成獨立雙串口、內置晶振、AD 轉換器、EEPROM、6 個定時器、SPI 接口等，可使用該板子實現各種復雜的系統，方便學生課下自我拓展。

圖2 基于短視頻驅動的實驗教學模式

圖3 “口袋實驗室”一體化開發板

2.3 項目教學改革

單片機原理一般會配套相應的課程設計，即單片機原理的項目教學環節。項目教學比一般的實驗教學更復雜，實驗是功能單一的小項目，而項目是一個功能較多、邏輯較為復雜的系統，需要在資源相對匱乏的單片機上實現復雜的閉環系統，考驗學生充分利用微控制器和板載資源，實現多個模塊之間并發工作而又不能相互干擾。由于物聯網專業沒有開設電路工藝課程，學生無法完成PCB 板制作，因此，物聯網單片機課程設計一般依托開發板進行。以往，我們借助如“普中科技”生產的開發板，根據板載資源設計相關的項目，如電子計算器、電子鬧鐘、萬年歷、電子密碼鎖等，項目的功能相對簡單，無法充分鍛煉學生的動手能力，也無法拉開學生的層次。為適應“新工科”的辦學理念，學校大力提倡學生參加學科競賽，為此，教改引入了“藍橋杯”單片機設計大賽，將項目的依托平臺更換為藍橋杯比賽用板，如圖3 所示。板載的主控芯片集成了更加豐富的資源，可以設計更加復雜的項目。項目設計可以參考藍橋杯歷年國賽真題，并適當拔高。項目教學改革不僅極大地提高了學生的參賽興趣和信心，也熟悉了競賽的環境和規則，省去了比賽入門指導，學生完成課程設計后可以直接參加比賽。

2.4 考核內容改革

新工科背景下，應用本科教育更加注重人才的動手實踐能力的培養[6]。結合上文提出的理論和實驗教學改革，最終考核應該更加關注學生的自主知識構建過程，以應對傳統考核方式單一、重理論輕實踐的情況。常見的教改方案是增加過程評價的占比[7-8]。然而，自主知識構建很大程度依賴學生的自覺性和主動性，過程評價的真實性把控困難。為了杜絕部分學生蒙混過關，筆者認為期末考試成績仍然要占綜合成績70%以上。因為期末考試是比較公平公正的，作弊的可能性較小。以期末成績作為主要評判標準，可以倒逼學生注重平時的知識積累，真正掌握單片機的應用。同時，期末試卷出題時，增加案例分析題、程序閱讀、編程題等實踐類題目的分值，同時增加過程評價中實驗、小組報告、課堂互動的占比，拉開學生的層次。

2.5 以賽促學，賽教融合

為適應新工科教育背景，辦好應用型本科大學，我校大力支持大學生參加學科競賽?？茖W競賽是培養應用型人才的重要途徑，我校專門設置了一個獨立的創新創業學院，專門規劃、制定競賽政策，出臺了一系列激勵政策支持和鼓勵學生參賽，實現“以賽促學，賽教融合”的效果。教學團隊引入了“藍橋杯”單片機設計與開發競賽，它是個人賽，在嚴格監視的考場、指定的時間內獨立完成競賽題目所規定的所有功能，比賽公平、含金量較高。引入該賽事后，課程組將競賽考點融入到單片機原理課程的理論和實驗環節中，同時將比賽用板作為“口袋實驗室”，讓學生提早熟悉競賽平臺，可以激勵他們積極參賽。另外，在項目教學環節中，直接參考歷屆國賽真題設計實訓項目，使學生更好地為競賽做準備。

3 結語

單片機原理作為物聯網工程專業的專業基礎課，是該專業第一門軟硬件相結合的課程，上承C 語言、電路設計，下啟嵌入式開發、物聯網工程等課程，既可以作為物聯網系統的組成部分，又可以獨立開發應用系統，課程地位非常重要。新工科背景下，社會對應用型人才的實操能力提出了更高的要求，提出基于短視頻驅動的單片機原理教學改革，從理論、實驗、項目和考核標準等環節展開變革，課題組以福建江夏學院物聯網工程專業2019 屆到2021 屆學生為研究對象，對單片機課程教學改革成效進行了評估。自從推行短視頻驅動的教學改革以來，學科競賽的參賽比例由5%增加到23%，大大提高學生的學習積極性和主動性。學科競賽更進一步推動學生思維拓展、創新，實現從傳統知識傳授向學生全面發展轉變。