單片機原理及應用課程思政建設探索與實踐

張全長 仇與同 陳征

摘? 要：單片機原理及應用是能源與動力工程專業課程體系中的重要課程，是聯系理論與實踐的橋梁。通過分析課程專業特點和具體內容，結合OBE理念，對專業課程單片機原理及應用進行探討。通過將發展歷史注入課程教學、將思政元素融入教學設計、將課程思政結合教學模式三方面內容，講述單片機技術發展歷史引發學生思考。將知識點與思政元素融合并對授課形式進行創新，對單片機原理及應用課程提出有關思政教育與授課教學有機融合的具體改革措施，積極探索提高學生思想覺悟與能力才干的實現方法，為能源與動力工程專業思政建設與課程教學提供參考。

關鍵詞：課程思政；單片機；教學模式；思政元素；課程教學

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0193-04

Abstract： The Principle and Application of Single Chip Microcomputer is an important course in the curriculum system of energy and power engineering， and it is a bridge between theory and practice. By analyzing the characteristics and concrete content of the Principle and Application of Single Chip Microcomputer， the article explored the course combining with the concept of OBE. By incorporating the historical development of microcontroller technology into curriculum instruction， integrating ideological and political elements into instructional design， and combining curriculum ideology with teaching methods， the history of microcontroller technology development is used to provoke student reflection. This involves merging key concepts with ideological and political elements， innovating teaching styles， and proposing specific reform measures for the integration of ideological and educational principles in the teaching of the course Principles and Applications of Microcontrollers. This proactive exploration aims to enhance ideological awareness and capabilities of the students， providing a reference for the integration of ideological education with teaching practices in the establishment of ideological and political principles within the field of energy and power engineering and curriculum instruction.

Keywords： curriculum ideology and politics; single-chip microcomputer; teaching models; ideological and political elements; curriculum teaching

“國有賢良之士眾，則國家之治厚；賢良之士寡，則國家之治薄。”早在兩千多年前墨子就認識到了人才對于國家發展的意義，而大學正是當今培養人才的前沿陣地之一。《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，“所有高校、所有教師、所有課程都承擔好育人責任”“各類課程與思政課程同向同行”[1]。因此，要將本專業的人才培養目標和課程特點相結合，在保證教育教學工作質量的基礎之上，從課程涉及的專業、行業、國家、國際和文化等角度深入挖掘精神內涵和思想價值，將思政教育融入教學實踐。通過有深度、有溫度、有態度的課程思政建設培育愛國情懷深厚、專業知識扎實的有用人才， 為社會主義現代化建設和中華民族偉大復興添磚加瓦。

一? 單片機原理及應用課程思政建設的意義

單片機原理及應用是一門為能源與動力工程專業高年級學生開設的專業選修課程，目的在于通過對51單片機的學習，使學生掌握單片機內部運行原理、單片機的硬件結構及原理、單片機內部資源的應用及片外擴展等知識[2-3]，培養應用與動手實踐的能力。通過對專業基礎課程及核心課程的學習，學生有了一定的知識儲備和較為完善的理論框架。單片機原理及應用課程的開設能夠培養學生的動手能力和實操能力[4]。

習近平總書記在《堅決破除制約教育事業發展的體制機制障礙》一文中提到：“推進產學研協同創新，積極投身實施創新驅動發展戰略，著重培養創新型、復合型、應用型人才。[5]”五四運動中對“賽先生”的呼喚和尋找從未遠去，經過一百多年的發展，“賽先生”的內涵之一就是勇攀高峰、敢為人先的創新精神，當今許多科研工作者和企業都是創新精神的踐行者。中國“天眼之父”南仁東為射電望遠鏡的建造做出卓越貢獻；屠呦呦成功提取青蒿素使瘧疾防治取得重大進步；華為面對嚴峻的國內外形勢仍然堅持自主創新，取得了一系列成果。

單片機原理與應用課程兼具理論學習和實驗操作兩方面內容，能源與動力工程作為工科專業，重要的是將理論知識結合到應用中，進一步培育創新思維，提升學生的創新意識和創新能力。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規模技術把具有數據處理能力（如算術運算、邏輯運算、數據傳送和中斷處理）的微處理器、隨機存取數據存儲器、只讀程序存儲器、輸入輸出電路，可能還包括的定時計數器、串行通信口、顯示驅動電路、脈寬調制電路及A/D轉換器等電路集成到一塊芯片上，構成一個最小的完善計算機系統。單片機作為一種用于控制的芯片，配合一些外設芯片及執行器便可在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先設定的任務。通過這門課程的學習，學生可將學習到的理論知識應用到實踐中[6]。當今社會已進入電氣時代，對設備的控制已無處不在，如能源方面的空調、鍋爐，動力方面的發動機、電機，都需要精準的控制才能使其安全穩定的運行。在生產中，控制系統是產品中關鍵的一部分；在科學研究中，控制是實現想法的關鍵工具。不論未來學生選擇繼續深造，還是走上工作崗位，這門課程都充當著聯系理論與實踐的橋梁[7-8]。

為黨育人、為國育才明確了人才培養的政治要求和價值導向，因此在教學的知識目標和能力目標之外，價值目標也同樣重要。以為國家培養有用人才為導向，深入挖掘課程的思想價值確立了價值目標：胸懷祖國，文化自信，辯證唯物主義，敢于實踐、嚴謹求實，團結協作、互相協同。在一些歐美國家領先的領域，如發動機，發動機控制正是其中的重要一環；在我國領先且大力發展的領域，如電動汽車，電控正是其核心之一，我國需要大量控制方面的人才來打破傳統行業的西方壟斷，鞏固新興領域的領先位置。學生時期是世界觀逐漸成熟的階段，也更容易受到虛假信息的影響，課堂上通過講述老師自身的科研項目及項目經歷與課程知識相結合，不僅能夠讓同學更快地吸收理解知識，也能引導學生追求科學真理、勇于探索，培養精益求精的大國工匠精神。將課程知識與國家戰略發展結合，引導學生關心國家大事，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[9]。

二? 單片機原理及應用思政建設的途徑

（一）? 發展歷史注入課程教學

1971年，英特爾公司首次將單片機概念實現并推出了第一款商用微處理器4004，盡管4004還不是具有完整功能的現代概念的單片機，但它開創了將計算能力集成到一塊芯片上的先河。1974年，德州儀器推出的TMS 1000集成了CPU、ROM、RAM及I/O口等，這被認為是第一款真正意義上的單片機，標志著單片機時代的開啟。1980年代，伴隨著技術進步，如Atmel、Microchip等多家公司也開始加入設計制造單片機，隨著制造工藝的提高，單片機的性能、產量也都有了大幅提升，隨之價格也更加親民，更多的普通民眾也享受到了單片機帶來的便利，在家用電器、汽車電子等領域，單片機均得到了廣泛應用。20世紀90年代，單片機的功能更加強大，集成度更高，面對不同的應用場景，單片機的種類也更加豐富，如高性能單片機等，而ARM架構的誕生也使ARM架構的單片機成為了嵌入式系統的首選[10-11]。在2000年以前，中國大陸自己的單片機設計生產是一片空白，而國家注意到了單片機在未來工業控制、移動設備等諸多領域中將起到的重要作用，在1998年正式把“微控制器（MCU）系列產品開發及應用”作為國家重點科技攻關項目。在中國工程院院士許居衍帶領下，我國快速攻克單片機的一系列問題并實現了量產化，在單片機市場中占有了自己的一席之地[12]。單片機是20世紀70年代的產物，雖然歐美國家在這一領域具有先發優勢，但我國科學家憑借取長補短及艱苦卓絕的奮斗精神攻克了單片機的設計制造，在課程教學過程中將單片機的發展歷史注入其中，提醒同學不要妄自菲薄，而要具有國際視野和創新精神，從社會主義先進文化中汲取養分，在文化的滋養中堅定自信，做理想遠大、信念堅定的模范，通過科學方法論使自己成為創新型、復合型、應用型人才。

（二）? 課程思政融入教學設計

教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》中指出，工學類專業課程，要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[1]。新中國成立以來，一代代科研人員都秉持自力更生的理念，決心改變過去近百年來中國科學技術落后的面貌。在七十余年的新中國史上，從第一顆原子彈、第一顆人造衛星、第一輛自主生產的汽車到第一艘國產航母、第一艘載人深潛器……這無數個從0到1、從追趕到超越的進步，都離不開科研工作者和工程人員的辛勞與汗水。單片機是連接理論和應用的橋梁，其在尖端武器、航空航天、汽車電子設備和國防軍事等領域均起著重要作用。

在本課程教學中將思政元素融入其中，見表1。通過將知識點與經典案例相結合的方式，使學生在學習知識的同時培養其文化自信、社會責任感及家國情懷[13-14]。

（三）? 課程思政結合教學模式

目前單片機教材上使用的案例代碼都是用匯編語言進行編程的，而匯編語言是二十年前的通用編程語言，由于匯編語言學習難度大、可移植性差等原因，因此在授課過程中，采用C語言進行教學，同時使用開發板進行現場演示。開發板上具有單片機最小系統及入門級的一些外設如LED燈、按鍵等。通過將案例代碼燒寫入開發板的單片機中，開發板上的外設便可按照程序進行執行。如在教授第二章89C51/S51單片機的硬件結構和原理中關于I/O口控制的內容時，便可通過C語言在編譯軟件中進行編程，并燒寫入單片機中，單片機就會控制LED燈進行亮滅，這樣學生可以直觀地感受到每一行代碼的作用，從而提高學生的學習興趣。再讓學生對代碼進行更改，如改變LED燈亮滅頻率、控制其他的LED燈亮滅燈，讓同學上臺演示，強化學生對I/O口定義及應用的理解，使學生鍛煉自主思考的能力。

課后組織學生以每八人為一組分批次進行小班討論課，給同學一定的時間思考，自己編寫一個程序，并燒寫入開發板中觀察現象。例如在講授第三章中斷系統后，讓同學自己編程通過配置中斷寄存器控制LED燈亮滅，如果編程或者燒寫過程中遇到問題可以隨時向老師提問并解決問題，這不僅有利于學生消化課程上所學的理論知識、激發學習興趣及學習動力，也有利于鍛煉思維能力。

在課程中，將老師的項目經歷融入到知識點中，使學生清楚地理解理論知識如何在實踐中應用[15-17]，例如，講授第八章系統實用程序時，通過PT100溫度傳感器進行舉例，在實驗過程中需要測量溫度數據時，PT100傳感器經常被使用。首先講解PT100的測量原理，以及如何通過元器件搭配實現將溫度轉換為電壓值，再講授軟件代碼編寫，這樣學生可以更全面地理解單片機內部各種寄存器的配置，引導學生建立科學世界觀及方法論及嚴謹求實的科學態度。

嵌入式系統是實現某些特定功能的專用設備，單片機是其中的核心，除此之外單片機還需要配備一些外設芯片才能實現控制某些目標的特定功能。只懂得單片機編程而不懂得硬件設計就會受制于人，就如同我國被西方在某些關鍵領域“卡脖子”一樣。通過單片機最小系統PCB設計的演示，講授關于電路板設計的基本操作方法，這有利于學生將整個嵌入式系統的工作方式形成體系，引導學生追求精益求精的探索精神，關注國家戰略，培養學生具有使命擔當。

通過噴油器噴油、火花塞點火、直流無刷電機驅動實驗配合課程教學，讓學生自己動手焊接實現特定功能的電路板，并講解其中的電路原理及電路結構，在實現基礎功能后通過改寫基礎代碼實現其他功能，使學生更充分吸收課程知識，將理論與實踐相結合，培養創新型、復合型、應用型人才。噴油器噴油、火花塞點火、直流無刷電機驅動分別是傳統燃油汽車和新能源汽車中的關鍵組成部分，借助實驗使學生充分了解被“卡脖子”行業所面臨的困境與機遇，以及新型產業發展與挑戰，激發學生的社會責任感、家國情懷，增強對黨的戰略的政治認同、思想認同、情感認同，培養艱苦奮斗的大國工匠精神。

傳統期末考試主要是考察學生關于概念的掌握情況，單片機技術是理論實踐的工具，是一門注重應用的課程，單片機代碼編寫過程中需要思維敏捷活躍。期末考試應注重對單片機使用方法的考察，單純對概念的掌握不能代表會熟練使用單片機。將期末考試內容分為概念題與編程題兩部分，概念題占比較小。編程題中，根據國家近期發生的重大科技進步事件，提取其中單片機參與的部分，將其工作過程進行簡化，編寫出適合學生作答的題目，并將思政元素融入題目中，在答題過程中引導學生對自身思想政治方面的思考，在潛移默化中將自身提高與國家科技進步相結合，將個人價值實現與國家戰略相聯系，增強學生的社會責任感，培養大國工匠精神。同時在對開放性題目的思考過程中，鍛煉學生以科學方法論為基礎的思維方式，培養嚴謹求實、勇攀高峰、敢為人先的創新精神。

三? 結束語

單片機原理及應用課程將理論知識、實驗操作、思政教育三者有機結合，將價值觀培養融入課堂教學，深入挖掘課程內容中的思政內涵，逐漸形成具有專業特點和工科特色的課程思政教學。課程思政建設是長期性、系統性的任務，教師在教學過程中應該牢記人才培養的使命職責，不斷提升教學質量，將價值觀培養放在和知識能力培養同等重要的位置上。

參考文獻：

[1] 教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知教高〔2020〕3號[EB/OL].（2020-06-05）[2024-03-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[2] 李朝青，盧晉，王志勇，等.單片機原理及接口技術[M].5版.北京：北京航空航天大學出版社，2017：1-2，25.

[3] 張蘭紅，鄒華.單片機原理及應用[M].2版.北京：機械工業出版社，2017：6.

[4] 楊瀟.“新工科”背景下應用型大學《微機原理與接口技術》課程教學探索[J].教育教學論壇，2019（22）：210-211.

[5] 習近平新時代中國特色社會主義思想專題摘編[M].北京：黨建讀物出版社，2023：179.

[6] 姜忠愛，蔡衛國，牛春亮.單片機原理與應用教學模式與課程思政改革研究[J].高教學刊，2020（9）：129-131.

[7] 鄭慶華.新工科建設內涵解析及實踐探索[J].高等工程教育研究，2020（2）：25-30.

[8] 薛飛.基于應用型人才培養的單片機原理教學改革[J].農業與技術，2015，35（12）：251.

[9] 任國臣，郭棟，藍和慧.基于OBE的單片機原理及接口技術課程教學[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2022，24（6）：122-124，131.

[10] 方文鵬.關于單片機的發展研究[J].現代工業經濟和信息化，2015，5（6）：79-80.

[11] 蔡立娜.單片機的發展與應用[J].科技展望，2016，26（13）：99.

[12] 陳章龍.中國單片機20年[J].單片機與嵌入式系統應用，2007（12）：89-91，94.

[13] 張天社.高校課程思政的目標設計和思政元素的選擇映射分析[J].教育教學論壇，2022（37）：145-148.

[14] 王青.思政元素融入單片機原理與接口技術課程的教學探索[J].南方農機，2021，52（4）：153-154.

[15] 磨少青，王少華，張蕊，等.以專業工程項目貫穿的單片機教學改革[J].信息系統工程，2016（12）：159-160.

[16] 吳海青，張小強.項目教學法在單片機原理與接口技術課程教學中的應用[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（21）：174-177.

[17] 金琦淳，倪月，劉清翔，等.案例式教學在《單片機原理及接口技術》課程中的應用[J].裝備制造技術，2015（1）：216-218.

基金項目：2021年度湖南省學位與研究生教學改革研究項目“強化能源動力類研究生實踐創新能力培養的實踐與探索”（2021JGYB044）

第一作者簡介：張全長（1981-），男，漢族，山東菏澤人，博士，副教授。研究方向為能源與動力工程專業的教學與科研。