基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校單片機教學(xué)改革探討

甘文　陳君霞

【摘 要】闡述當(dāng)前高校單片機教學(xué)中存在的問題，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)的必要性與可行性，并結(jié)合單片機教學(xué)實踐，探討基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機教學(xué)改革的措施。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 高校 單片機教學(xué) 改革

【中圖分類號】 G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）12C-0187-02

一、研究背景

物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of Things，IOT），是指利用傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能感應(yīng)裝置，使物體到達特定的信息處理中心，進而達到人和物體、物體和物體之間的信息交互與處理的新型互聯(lián)網(wǎng)。簡單地說，物聯(lián)網(wǎng)是指物與物相連接的互聯(lián)網(wǎng)。國外專業(yè)咨詢機構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2020年，與人和人通信的業(yè)務(wù)相比較，物與物互聯(lián)的業(yè)務(wù)將達到1∶30，所以物聯(lián)網(wǎng)又常常被稱為是極大型的新一代通信業(yè)務(wù)，將掀起比計算機與互聯(lián)網(wǎng)更大的信息產(chǎn)業(yè)浪潮。

物聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)成新型信息技術(shù)的關(guān)鍵部分。伴隨著當(dāng)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)獲得了許多高校、企事業(yè)單位、科研機構(gòu)的重視。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)與相關(guān)技術(shù)的進步，為改革單片機教學(xué)提供了相當(dāng)豐富的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)題材與實現(xiàn)方式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為嵌入式或單片機教學(xué)改革提供了新的機遇，但技術(shù)發(fā)展所造成的形式變化又讓單片機教學(xué)面臨新的挑戰(zhàn)。單片微型計算機是大部分高校通信類、電子信息類專業(yè)的重要課程。然而現(xiàn)今，51系列單片機依然是許多高校單片機教學(xué)的主角，教學(xué)方式與教學(xué)內(nèi)容不能及時更新，單單圍繞程序與指令展開，無法與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合，不具備實效性，不能適應(yīng)社會新形勢的發(fā)展。為提高高校單片機教學(xué)的實效性，可基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對單片機教學(xué)進行改革。

二、當(dāng)前高校單片機教學(xué)中存在的問題

當(dāng)前，設(shè)置單片機課程的專業(yè)范圍較廣，電子信息工程、電氣工程及其自動化、通信工程、機械及其自動化等眾多專業(yè)都將單片機課程設(shè)置為必修課程?？梢?，單片機教學(xué)的影響面較大。然而，高校的單片機教學(xué)實普遍存在以下方面問題：

第一，教學(xué)模式陳舊。長期以來，單片機教學(xué)往往都是根據(jù)一定的模式來進行的，以C語言或匯編語言為主，首先進行指令的教學(xué)，然后到程序的教學(xué)，最后再進行輔助項目配套教學(xué)。這種教學(xué)模式與單片機課程教學(xué)目標(biāo)有一定的出入。除此之外，教學(xué)體系也缺少創(chuàng)新，實踐教學(xué)很難找到新方向，學(xué)生在進行分析時自然而然會依據(jù)固定的思路，結(jié)果造成此課程教學(xué)停滯不前。

第二，重理論教學(xué)輕實踐教學(xué)。單片機教學(xué)中更多地采用課堂理論教學(xué)的方式，實踐教學(xué)被忽略，不利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性。實踐教學(xué)的方式主要是單一的實驗課程，實驗手段多是脫離實際的。在實驗課程過程中，往往將實驗箱視為唯一條件，參考十幾個匹配程序，課程教學(xué)僅僅停留在表面，學(xué)生難以掌握此門課程的精髓，實踐操作能力自然不能得到有效提高。

第三，考核方式不合理。如上所述，單片機教學(xué)中更多地采用課堂理論教學(xué)的方式，在設(shè)置單片機教學(xué)體系時，也往往會將實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、實踐課程都劃在課堂教學(xué)范疇，使得學(xué)生創(chuàng)新能力、動手能力受到很大影響。然而，期末對學(xué)生綜合能力進行考核時，卻要重點考查實踐情況，往往使得學(xué)生無所適從。這也不不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)改革的必要性與可行性

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)改革的必要性

高校的主要功能是培養(yǎng)社會所需人才，而為用人單位、社會培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型則是許多高校的重要目標(biāo)。這就要求各高校必須結(jié)合社會需求，加強教學(xué)改革，真正為社會培養(yǎng)出復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。從現(xiàn)今各大高校單片機教學(xué)現(xiàn)狀來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)反饋、學(xué)習(xí)態(tài)度等方面都在較大程度上推動單片機教學(xué)改革的步伐。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展必然對高校教學(xué)與所培養(yǎng)人才有更高的要求。所以，無論是就業(yè)市場的消極需求還是主動要求，都是推動高校將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)改革的動力。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)改革的可行性

物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)過程中所涉及的相關(guān)課程分成三個部分：基礎(chǔ)課程、核心課程、實踐教學(xué)中的應(yīng)用開發(fā)。其中許多課程如嵌入式、單片機、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、現(xiàn)代通信等都是已經(jīng)開設(shè)的課程，因此沒有必要對已有課程體系進行大改動，這是改革單片機教學(xué)可行的前提。在核心課程中，以MSC-51以內(nèi)的無線SOC單片機作為教學(xué)的SOC單片機，如此一來就能加強、順延傳統(tǒng)的單片機教學(xué)。而像RTOS操作系統(tǒng)與嵌入式微處理器這種傳統(tǒng)課程，僅需把其作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，在實踐教學(xué)過程中突出它在物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要性。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)改革極具可行性。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機教學(xué)改革

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于單片機教學(xué)的必然形式與特點之一在于無線通信與單片機二者緊密結(jié)合。各類新型模塊與接口的應(yīng)用是新形勢下嵌入式或單片機系統(tǒng)的一般表現(xiàn)形式。對此，必須變革單片機教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)實踐。

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

無線SOC單片機作為教學(xué)目標(biāo)硬件，實踐教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行實際應(yīng)用，重點放在數(shù)據(jù)傳輸、采集與無線通信、網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)之上。而像I2C、SPI、D/A、A/D、RS232/485（串行通信）的設(shè)計與開發(fā)等教學(xué)內(nèi)容則需要在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上進一步加強。同時，ZigBee協(xié)議棧應(yīng)當(dāng)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與軟件系統(tǒng)。在進行協(xié)議棧里面各層實現(xiàn)方法的講解時，注意結(jié)合實際例子。RTOS操作系統(tǒng)在本科階段不需要重點講解。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與軟件系統(tǒng)沒有必要投入過多的精力進行講解，應(yīng)當(dāng)將重點放在學(xué)生實際操作能力培養(yǎng)之上。

（二）教學(xué)方法改革

首先，應(yīng)用案例引導(dǎo)法進行傳統(tǒng)單片機部分的講解，中心放在任務(wù)部分，教學(xué)任務(wù)的實施根據(jù)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、任務(wù)確定、任務(wù)完成三個階段來開展。在構(gòu)思任務(wù)時要注意突出無線通信、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的相關(guān)概念，設(shè)置有實際應(yīng)用意義的開發(fā)背景。比如可以選擇GPRS或GPS模塊進行串行RS232串行接口的講解，數(shù)據(jù)的遠程傳輸可以通過這兩個模塊。而對于SPT接口，則可以選用函數(shù)庫作為軟件藍本，SPI模塊的應(yīng)用、SOI接口函數(shù)的使用、SPI原理等都可以結(jié)合SPI接口通信實例進行講解。例如，方位信息的采集可以通過具有SPI接口Compass指南針模塊來講解，等等。

其次，由于無線通信部分僅僅接觸到理論部分，在已有的教學(xué)課程體系中不包含這部分，所以在實際教學(xué)中應(yīng)當(dāng)盡可能減少理論描述與推導(dǎo)部分，提高實際開發(fā)與應(yīng)用的比例，進而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

最后，ZigBee協(xié)議棧程序作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分的具體對象，重點應(yīng)當(dāng)放在應(yīng)用層開發(fā)流程之上，再加上MAC層與網(wǎng)絡(luò)層中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)不同通拓撲形態(tài)的具體設(shè)置，開始先從容易的點對點通信的實現(xiàn)，慢慢過渡到構(gòu)建星形網(wǎng)絡(luò)。串行通信與普通節(jié)點可以應(yīng)用在網(wǎng)關(guān)部分，進而達到Internet與物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的目標(biāo)。

（三）實踐教學(xué)改革

原本單片機就是一個實踐性較強的課程，如果脫離實踐，很容易導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)高分低能的現(xiàn)象。在實際教學(xué)過程中，要改變以往教師單方面講解、學(xué)生埋頭做的教學(xué)方式，為教學(xué)目標(biāo)構(gòu)成教學(xué)團隊，團隊成員主動學(xué)習(xí)、相互配合、平等參與。教師作為輔導(dǎo)者應(yīng)當(dāng)起到主導(dǎo)作用，可以放手讓學(xué)生寫作學(xué)習(xí)，自主研究。

實驗室建設(shè)方面，可以建設(shè)以SOC單片機特征的教學(xué)新系統(tǒng)，實驗箱選擇像TY-ZIGBEE這種支持ZieBee的無線SOPC單片機試驗箱。為兼容原有實驗，便于移植代碼，可以應(yīng)用Keil/IAR的編譯開發(fā)平臺，進而達到降低整改工作量的目的。實驗項目方面，綜合試驗、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實驗、基礎(chǔ)硬件實驗三個部分是SOC單片機CC2430的重點內(nèi)容。具體地講，射頻點對點通信、UART實驗、ADC實驗、點陣式LCD驅(qū)動等都是包括在基礎(chǔ)硬件方面的實驗，而尋址路由、網(wǎng)絡(luò)層、TI-ZStack等則屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實驗;根據(jù)實際條件進行物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)控制、溫度場傳感選擇則屬于綜合實驗。

綜上，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高校單片機教學(xué)改革中是必要的、可行的，有利于增強高等教育的實效性，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。

【參考文獻】

[1]何利明.從嵌入式系統(tǒng)視角物聯(lián)網(wǎng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（10）

[2]王東.單片機原理及應(yīng)用教學(xué)改革初探[J].安順學(xué)院學(xué)報，2008（3）

（責(zé)編 王 一）endprint