物聯(lián)網(wǎng)時代單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革研究

余旺新，潘小莉，覃孟揚(yáng)，劉永富

(玉林師范學(xué)院，廣西 玉林 537000)

物聯(lián)網(wǎng)是把所有帶傳感器或者控制器的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，按照規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行信息交換，完成實時監(jiān)測、定位追蹤、報警聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制等功能的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用涉及工業(yè)控制、智慧城市、智慧環(huán)境、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等多個領(lǐng)域，給人們的生產(chǎn)生活提供了極大便利。重點探討在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動下的高校單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程理論和實踐教學(xué)、課程設(shè)計、考核方法、教學(xué)手段等方面的改革及如何提高學(xué)生的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和解決實際工程問題的能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)時代單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革策略

1.1 理論教學(xué)改革

目前，高校單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程理論教學(xué)通常以80C51系列單片機(jī)為核心，課程內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)原理、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口、存儲器擴(kuò)展技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)接口設(shè)計等[2]。80C51系列單片機(jī)構(gòu)架比較老舊、性能弱、功能單一，因此本次教學(xué)改革將單片機(jī)核心更換為ESP32模組。ESP32擁有主頻高達(dá)240 MHz的32位雙核處理器，集成以太網(wǎng)、藍(lán)牙、觸摸傳感器、霍爾傳感器、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM等功能模塊[3]。教學(xué)過程中縮減了單片機(jī)基本原理課程內(nèi)容，增加了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的以太網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、傳感器技術(shù)等內(nèi)容。理論教學(xué)48課時，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容Tab.1 Teaching content of single chip principle and application technology theory

互聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的擴(kuò)展實踐應(yīng)用項目(包括一鍵配網(wǎng)、OTA升級、熱點廣告機(jī)、云平臺接入、微信接入、超聲波傳感器、顏色傳感器、霍爾傳感器、加速度傳感器等)為學(xué)生提供工程源碼及相關(guān)參考資料，進(jìn)行課外學(xué)習(xí)和掌握。

1.2 實踐教學(xué)改革

實踐教學(xué)是一個重要的實踐環(huán)節(jié)，通過實踐教學(xué)，使學(xué)生掌握基本的硬件設(shè)計及調(diào)試、軟件設(shè)計、系統(tǒng)綜合調(diào)試等過程。實踐教學(xué)總共安排18學(xué)時，從理論教學(xué)第10學(xué)時以后開始穿插進(jìn)行，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用，提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。在實踐教學(xué)過程中，采用ESP-WROVER-KIT開發(fā)板和多種實驗傳感器模組，單人單桌進(jìn)行實踐操作，統(tǒng)一使用C/C++語言和樂鑫官方IDF V4.0開發(fā)環(huán)境完成。實踐教學(xué)具體內(nèi)容如表2所示。

表2 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)實踐教學(xué)內(nèi)容Tab.2 Teaching content of single chip principle and application technology practice

1.3 課程設(shè)計改革

單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計是鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和解決實際工程問題能力的重要過程。課程設(shè)計安排在理論課結(jié)束后的第1周或者下一學(xué)期前的1周完成，由學(xué)生自由分組和選題。學(xué)生也可以自擬題目，擬題必須是有實際應(yīng)用價值的單片機(jī)跟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合方向的課題。教師在課程設(shè)計過程中負(fù)責(zé)集中授課以及設(shè)計指導(dǎo)。項目組由2～3名學(xué)生構(gòu)成，各成員分工完成不同的任務(wù)，小組項目負(fù)責(zé)人協(xié)調(diào)完成最后作品的綜合調(diào)試和設(shè)計報告撰寫。

課程設(shè)計的課題項目需要使用ESP32單片機(jī)模組、各種實用傳感器、以太網(wǎng)通信、藍(lán)牙通信、RFID或NFC無線傳感網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)模塊和技術(shù)。設(shè)計課題必須由負(fù)責(zé)指導(dǎo)教師審核通過才能實施，學(xué)生自行查閱設(shè)計相關(guān)的技術(shù)文檔和資料確定最終設(shè)計方案，完成設(shè)計電路原理圖、制作焊接電路板、編寫系統(tǒng)軟件、調(diào)試硬件和撰寫設(shè)計報告等任務(wù)[4]。

課程設(shè)計考核采用分組現(xiàn)場答辯的形式進(jìn)行，評分要點包括方案合理性、作品創(chuàng)新和實用性、設(shè)計報告完整性、實踐表現(xiàn)、答辯表現(xiàn)等內(nèi)容，最終通過綜合表現(xiàn)來評定學(xué)生的課程設(shè)計成績。課程總成績=導(dǎo)師評價成績×70%+學(xué)生評價成績×30%。

1.4 教學(xué)手段改革

在單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程理論教學(xué)部分，打破了抑制學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的“教師講、學(xué)生聽”的填鴨式教學(xué)模式，采用任務(wù)驅(qū)動等理論教學(xué)手段[5]，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，通過實用小項目培養(yǎng)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和實際工程問題解決能力。

在實踐教學(xué)部分，除了要保證基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計實踐有效實施以外，還應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生積極參加校內(nèi)外各種科技比賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、教師科研以及企業(yè)應(yīng)用型項目。鼓勵學(xué)生在開放實驗室或宿舍進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)作品的設(shè)計活動，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，使學(xué)生受到更為實際、更加全面的科學(xué)研究訓(xùn)練[6-10]。

1.5 考核方法改革

單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程的考核應(yīng)從理論、實踐、平時三方面進(jìn)行，重點考核和評價學(xué)生的實際應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

理論考核：期末理論考核試題涵蓋課程基本概念、理論、原理、方法的理解與運(yùn)用，要突出重點、難點知識。保證考核題型多樣化，弱化文字描述類題，強(qiáng)化應(yīng)用電路設(shè)計和程序編寫題，綜合應(yīng)用題側(cè)重物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景。

實踐考核：實踐教學(xué)考核貫穿整個課程教學(xué)過程，著重突出實際應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，輔助提高基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)質(zhì)量。從平時驗證實驗和綜合實驗過程的理論分析、電路設(shè)計、軟件編寫、綜合調(diào)試等方面進(jìn)行考核。

平時考核：平時成績由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、小組討論等構(gòu)成。在課堂教學(xué)過程中鼓勵學(xué)生積極參與課堂互動，增強(qiáng)教學(xué)效果。課后作業(yè)從作業(yè)的完成度、正確率、規(guī)范程度等方面考核。小組討論從參與積極性、主導(dǎo)作用、語言表達(dá)、理解思路、獨立見解等方面考核。

2 結(jié)語

單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)課程改革中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動理論教學(xué)、實踐教學(xué)、課程設(shè)計、教學(xué)手段、考核方法等方面的改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到教學(xué)相長的目的。實踐結(jié)果表明，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與單片機(jī)結(jié)合符合高等院校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，對于課程的教學(xué)革新和學(xué)生思維創(chuàng)新、團(tuán)隊協(xié)作、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和解決實際工程問題等綜合能力的培養(yǎng)具有重要作用。