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(jì)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(guò)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(duì)課程教學(xué)的積極影響以及取得的改革效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(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(duì)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(dòng)能新引擎，是新一輪產(chǎn)業(yè)革命的重要方向和推動(dòng)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(guò)10%的目標(biāo)重任。從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況來(lái)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(chǎng)需求和廣闊的發(fā)展空間，必然滋生對(duì)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(wèn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(dòng)。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(guò)于偏向研究設(shè)計(jì)，顯得枯燥、難懂，無(wú)法良好的調(diào)動(dòng)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(shí)用性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、調(diào)整考核機(jī)制、改革課程實(shí)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(duì)通過(guò)與企業(yè)專家對(duì)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(jiàn)和建議。通過(guò)近兩年的教學(xué)改革與摸索，逐步完善了課程大綱、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“實(shí)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(shí)訓(xùn)平臺(tái)，授課內(nèi)容圍繞該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)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(shí)器/計(jì)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(yǔ)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(shí)，然后教師通過(guò)投影演示實(shí)驗(yàn)操作，最后才是學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐。這樣的順序?qū)е聦W(xué)生在聽前面的理論時(shí)，由于抽象和枯燥，很難集中注意力聽講;當(dāng)教師演示時(shí)也無(wú)法將演示步驟一一記清楚;最后自己操作時(shí)面對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;接著，由教師引導(dǎo)學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)工程項(xiàng)目中的C語(yǔ)言源碼內(nèi)容，并再次觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)兩次不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引起學(xué)生的興趣;然后，由教師根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，帶領(lǐng)學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)工程項(xiàng)目的所有源碼，并對(duì)照實(shí)驗(yàn)電路原理圖來(lái)講解源碼的內(nèi)容;最后，由授課教師提出項(xiàng)目改進(jìn)意見(jiàn)，讓學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論并最終在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。

通過(guò)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(guò)讓學(xué)生多動(dòng)手，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，鼓勵(lì)學(xué)生相互交流的方式進(jìn)行授課，實(shí)現(xiàn)了90%以上的學(xué)生可以獨(dú)立完成課堂實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

課堂實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)課程改革的成敗。為了保證課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)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(duì)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(qǐng)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(jì)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是：以音樂(lè)噴泉燈光秀為原型的“LED流水燈控實(shí)驗(yàn)”;以家用智能三色臺(tái)燈變換色溫為原型的“鍵控三色燈實(shí)驗(yàn)”;以腕帶電子表為應(yīng)用原型的“基于oLED的簡(jiǎn)易電子表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”;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(jì)實(shí)驗(yàn)”和以啟動(dòng)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(jì)實(shí)驗(yàn)”。

這些實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用原型都來(lái)自日常的生產(chǎn)生活，學(xué)生有可以參考的實(shí)物來(lái)幫助他們更好地理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，并且這些實(shí)驗(yàn)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(lái)豐富整體功能。

通過(guò)對(duì)2017級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)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(shí)踐，我們記錄了以上5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際教學(xué)效果，每個(gè)項(xiàng)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(yàn)，也是對(duì)教師教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施情況的檢驗(yàn)。以往的考核都是采用平時(shí)成績(jī)占30%，期末考試成績(jī)占70%的比例構(gòu)成來(lái)評(píng)定一個(gè)學(xué)生最后的學(xué)習(xí)效果。這種考核方式相對(duì)于單片機(jī)原理與應(yīng)用這門實(shí)踐性強(qiáng)的課程來(lái)說(shuō)不是很適用。為此，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)商討了針對(duì)本課程采用“分階段考核”代替最后一次期末考核的檢驗(yàn)方式，依據(jù)課堂教學(xué)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，劃分為三個(gè)考核階段：

第一階段是在完成“LED流水燈控實(shí)驗(yàn)”“鍵控三色燈實(shí)驗(yàn)”后，針對(duì)“基于oLED的簡(jiǎn)易電子表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的“拓展項(xiàng)目考核”。這個(gè)階段考核的重點(diǎn)在于學(xué)生是否可以通過(guò)前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(guò)掌握定時(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)“簡(jiǎn)易電子表”。這個(gè)階段考核的知識(shí)點(diǎn)雖然偏基礎(chǔ)，但是這個(gè)階段的考核的結(jié)果是直接影響了后面兩個(gè)階段學(xué)生是否能夠達(dá)標(biāo)的一個(gè)標(biāo)志性階段。這個(gè)階段的考核標(biāo)準(zhǔn)和總分見(jiàn)表1。

第二階段是針對(duì)“基于串行通信的多指令控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的“拓展項(xiàng)目考核”，這個(gè)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(jiàn)的需求，通過(guò)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(duì)與學(xué)生未來(lái)在該領(lǐng)域就業(yè)時(shí)必須要掌握的能力。這個(gè)階段考核的知識(shí)點(diǎn)重點(diǎn)在學(xué)生對(duì)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(gè)階段的考核標(biāo)準(zhǔn)和總分見(jiàn)表2。

第三階段是針對(duì)“芯片溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的“綜合性拓展項(xiàng)目考核”，這個(gè)階段的考核內(nèi)容屬于整個(gè)課程的綜合性考核，這里考核的是學(xué)生是否能夠?qū)⑦@個(gè)學(xué)期所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，將GPIO、外部中斷、定時(shí)器、串行通信以及ADC綜合應(yīng)用在一起來(lái)完成項(xiàng)目的分析與設(shè)計(jì)以及最后的功能開發(fā)。前兩個(gè)階段的考核重點(diǎn)各有偏向，而最后這個(gè)階段的考核則是對(duì)前兩個(gè)階段考核情況的復(fù)盤，也是對(duì)學(xué)生是否具有工程項(xiàng)目分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施能力的考核。這個(gè)階段的考核標(biāo)準(zhǔn)和總分見(jiàn)表3。

三個(gè)階段考核的成績(jī)相加為學(xué)生最后的期末總評(píng)成績(jī)，這種考核方式就學(xué)生而言：可以讓那些打算平時(shí)不聽課，最后考試前臨時(shí)突擊考試內(nèi)容的學(xué)生沒(méi)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(guò)各個(gè)階段的考核可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自己在教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，并能夠根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生掌握的情況實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和難度，真正實(shí)現(xiàn)“教學(xué)相長(zhǎng)”。

結(jié)論

教學(xué)組通過(guò)對(duì)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程實(shí)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(duì)人才的需求也會(huì)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(huì)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(shí)俱進(jìn)。

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

作者簡(jiǎn)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(jì)與應(yīng)用研究。