短視頻驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)“單片機(jī)原理”課程教學(xué)改革

連仁包，林智華，林旭云，陳 軍

（福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350018）

0 引言

2017 年2 月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》[1]，強(qiáng)調(diào)了工程教育在我國(guó)高等教育中的重要地位，為配合創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等國(guó)家重大戰(zhàn)略，決定開(kāi)展新工科研究和實(shí)踐，圍繞新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開(kāi)展工程教育改革。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是多學(xué)科交叉專業(yè)，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的底層環(huán)境感知（單片機(jī)與傳感器技術(shù)）、路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理（嵌入式技術(shù)）、數(shù)據(jù)傳輸（通信技術(shù)）、云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、展示（軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)），同時(shí)還需要上位系統(tǒng)的反向控制技術(shù)（控制技術(shù)），專業(yè)涉及的知識(shí)龐雜、門(mén)類繁多，即有硬件方面的知識(shí)，又有軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)（特別是網(wǎng)站、手機(jī)APP和小程序等），造成物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生有一種跨專業(yè)學(xué)習(xí)的錯(cuò)覺(jué)，專業(yè)課學(xué)得多但又不扎實(shí)。單片機(jī)課程是“新工科”建設(shè)的一門(mén)重要課程[2]，對(duì)于硬件專業(yè)學(xué)生而言更是一門(mén)難以掌握的課程。為適應(yīng)新工科的建設(shè)需求，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，降低學(xué)習(xí)門(mén)檻，提出基于短視頻驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)原理教學(xué)改革，通過(guò)提煉每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，撰寫(xiě)知識(shí)點(diǎn)PPT，精心錄制單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的短視頻（一般5 min 以內(nèi)）[3]，結(jié)合課前短視頻預(yù)習(xí)、線下課堂分組討論，課后實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為物聯(lián)網(wǎng)后續(xù)的相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 單片機(jī)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為一門(mén)新興專業(yè)，基本上都是從計(jì)算機(jī)專業(yè)轉(zhuǎn)型而來(lái)，教師在設(shè)計(jì)單片機(jī)原理的教學(xué)時(shí)，多參考了電子信息工程專業(yè)，這必然存在多方面的問(wèn)題。

1.1 課程安排提前

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一門(mén)多學(xué)科交叉的專業(yè)，專業(yè)課程涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、軟件開(kāi)發(fā)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等，使得原本在硬件專業(yè)中安排靠后的單片機(jī)原理被提前到了第三學(xué)期，因?yàn)楹芏嗾n程如嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等都是單片機(jī)原理課程的后續(xù)課程。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本身并非純粹的硬件專業(yè)，硬件知識(shí)的理解能力先天不足，課程安排的提前，進(jìn)一步增加了學(xué)習(xí)難度。因此，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)門(mén)檻、提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，變成了單片機(jī)原理教學(xué)改革的第一要?jiǎng)?wù)。

1.2 學(xué)情不同

首先，自1999 年始，高等教育經(jīng)過(guò)多輪擴(kuò)招，大學(xué)生的整體素質(zhì)下滑嚴(yán)重，很難寄希望于學(xué)生有足夠的耐心和毅力，能夠長(zhǎng)時(shí)間地接受理論知識(shí)的灌輸，情況往往是教師在臺(tái)上揮汗如雨、滔滔不絕，臺(tái)下學(xué)生卻是昏昏欲睡、無(wú)精打采。其次，近年來(lái)短視頻、信息快消費(fèi)已經(jīng)成為了信息傳遞的主流方式，學(xué)生越發(fā)地浮躁，已經(jīng)形成了對(duì)長(zhǎng)視頻的自然抗拒，因此，傳統(tǒng)的教學(xué)手段已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器不足

幾十年來(lái)，單片機(jī)原理教學(xué)多以51 基本型單片機(jī)作為教學(xué)內(nèi)容，有些復(fù)雜的系統(tǒng)可能需要多個(gè)串口、更多定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、更高運(yùn)行速度等，基本型單片機(jī)無(wú)法滿足。另外，市面上的大多數(shù)教學(xué)用的開(kāi)發(fā)板采用模塊化制作，模塊與模塊之間通過(guò)排線或者杜邦線連接，并用一個(gè)盒子將許多零散的部件放在一起，因容易造成部件丟失，無(wú)法將種散裝的套件發(fā)給學(xué)生練習(xí)，學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)儀器的機(jī)會(huì)太少。

1.4 輕視實(shí)操環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)教學(xué)重理論、輕實(shí)踐，64 課時(shí)的單片機(jī)原理，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)只安排了16 課時(shí)，而且要完成8 個(gè)實(shí)驗(yàn)，平均每個(gè)實(shí)驗(yàn)僅僅2 個(gè)學(xué)時(shí)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及項(xiàng)目需求講解與演示、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)介紹、學(xué)生繪制proteus 實(shí)驗(yàn)仿真圖、編寫(xiě)代碼、代碼調(diào)試、仿真測(cè)試、下載開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證等，一整套流程中有任何一個(gè)步驟失誤都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法按時(shí)完成。教師為了完成任務(wù)，往往將仿真圖、代碼展示給學(xué)生看，學(xué)生只是依葫蘆畫(huà)瓢，思路完全被老師牽著走，沒(méi)有自主思考的時(shí)間和空間。因此，單片機(jī)實(shí)踐部分絕不能僅僅依靠實(shí)驗(yàn)課上的教學(xué)，應(yīng)該給學(xué)生充分的時(shí)間，同時(shí)應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)難度分級(jí)，讓不同程度的學(xué)生有不同的擴(kuò)展空間。

2 物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)教學(xué)改革

2.1 理論教學(xué)改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方式以教師為中心，在教師的帶領(lǐng)下學(xué)習(xí)，是一種被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式。該方式下，教師要完整地講解完理論知識(shí)，然后在下次課安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這里存在兩個(gè)致命的問(wèn)題，第一，理論課講解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很多學(xué)生無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中注意力，教學(xué)效果差；第二，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)，無(wú)法立即將理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行印證。受文獻(xiàn)[4]的啟發(fā)，提出轉(zhuǎn)換師生角色，將學(xué)生被動(dòng)接收轉(zhuǎn)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)。教師通過(guò)精煉每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，制作成短小精悍的小視頻，借助開(kāi)放教育平臺(tái)，開(kāi)展線上線下混合教學(xué)，配合課前預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)檢測(cè)，線下課堂分組討論+教師理論梳理，課后練習(xí)鞏固+實(shí)驗(yàn)，完成知識(shí)的課前構(gòu)建、課中內(nèi)化、課后固化和拓展提升，提倡的教學(xué)模式如圖1 所示。該模式下，教師需要精心梳理本課程每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，提前將知識(shí)點(diǎn)的講解錄制成圖文并茂的短視頻，編制好對(duì)應(yīng)章節(jié)的課前練習(xí)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)小項(xiàng)目等，這些資料都托管在開(kāi)放教育平臺(tái)上。課前，教師布置預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生結(jié)合教材觀看短視頻并完成課前練習(xí)，組內(nèi)形成學(xué)習(xí)報(bào)告，自主完成知識(shí)的構(gòu)建；課堂上，教師抽檢學(xué)生的學(xué)習(xí)報(bào)告，抽到的小組指派代表上臺(tái)做報(bào)告，教師在聽(tīng)取報(bào)告的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、收集反饋，對(duì)講解正確的表?yè)P(yáng)，對(duì)講解錯(cuò)誤的內(nèi)容進(jìn)行糾偏，并解答學(xué)生的疑問(wèn)，完成知識(shí)蒸餾和內(nèi)化；課后，教師發(fā)布課后作業(yè)，學(xué)生在平臺(tái)上完成作業(yè)，章節(jié)小實(shí)驗(yàn)可以借助“口袋實(shí)驗(yàn)室”（詳情參看2.2）完成，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的復(fù)習(xí)鞏固。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師收集學(xué)生的課前的學(xué)習(xí)報(bào)告、課后的章節(jié)小實(shí)驗(yàn)，登記課堂的學(xué)習(xí)報(bào)告，并給這些項(xiàng)目打分，結(jié)合平臺(tái)提供的課前練習(xí)和課后作業(yè)分，形成多元化的平時(shí)成績(jī)。

圖1 基于短視頻驅(qū)動(dòng)的理論教學(xué)模式

從圖1 可以看出，教師角色從傳統(tǒng)的主導(dǎo)地位退居到幕后，成為素材的提供者和學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，學(xué)生從原來(lái)的被動(dòng)接收變成了主動(dòng)學(xué)習(xí)，可以根據(jù)自己的時(shí)間、地點(diǎn)和方式觀看短視頻，完成課前和課后任務(wù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自主構(gòu)建和固化。因短視頻按章節(jié)知識(shí)點(diǎn)編排，學(xué)生還可以任意點(diǎn)播存疑的知識(shí)點(diǎn)，溫故知新。該模式強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)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(xué)生自我知識(shí)構(gòu)建的信心。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

傳統(tǒng)的單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)為每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排2 個(gè)課時(shí)，正如上文提到，實(shí)驗(yàn)的工作量大，往往無(wú)法在指定的時(shí)間內(nèi)完成，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必須向課下延伸，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須隨身攜帶練習(xí)板子，學(xué)生在自主構(gòu)建知識(shí)的過(guò)程中，能夠立即用實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)操驗(yàn)證，不僅可以加深理解，更可以提升學(xué)習(xí)興趣和獲得感，進(jìn)而促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，形成正向激勵(lì)。建議開(kāi)設(shè)單片機(jī)原理課程的院校根據(jù)每屆招收的學(xué)生數(shù)，購(gòu)置相應(yīng)數(shù)量的一體化開(kāi)發(fā)板，稱為“口袋實(shí)驗(yàn)室”[5]。該開(kāi)發(fā)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(guò)電路連接，但被鎖存器隔離，要啟用某個(gè)模塊，只需開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的鎖存器即可，省去了各種排線和杜邦線。板子在開(kāi)課前發(fā)給學(xué)生，人手一臺(tái)，結(jié)課后收回，準(zhǔn)備下一屆學(xué)生使用。同時(shí)，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室額外采購(gòu)一套通用開(kāi)發(fā)板套件，包含常見(jiàn)的模塊，該做法的目的有兩個(gè)方面：第一，上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生無(wú)需將“口袋實(shí)驗(yàn)室”帶到實(shí)驗(yàn)室，以防在攜帶過(guò)程中丟失；第二，一體化板子的電路原理圖與通用開(kāi)發(fā)板的不同，學(xué)生在“口袋實(shí)驗(yàn)室”上實(shí)現(xiàn)的程序需要經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)變才能在通用開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，讓學(xué)生學(xué)會(huì)看電路原理圖，掌握不同型號(hào)芯片和板子的應(yīng)用。在以上做法的前提下，提出就短視頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，如圖2 所示。教師提前錄制好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求、關(guān)鍵點(diǎn)講解短視頻，于實(shí)驗(yàn)課的幾天前向?qū)W生推送，讓學(xué)生有充足的時(shí)間在“口袋實(shí)驗(yàn)室”上實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)課當(dāng)天，學(xué)生將做好的程序遷移到實(shí)驗(yàn)室的通用開(kāi)發(fā)板上，由于學(xué)生在課下做了充分的準(zhǔn)備，簡(jiǎn)單的遷移可以快速完成，這樣既不耽誤教學(xué)任務(wù)，也充分鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力；課后教師還可以發(fā)布拓展實(shí)驗(yàn)，有能力的學(xué)生可以進(jìn)一步提升能力，做到差異化教學(xué)?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”可以使用任意滿足方便攜帶要求的板子，但考慮到“以賽促學(xué)、賽教融合”（詳情參看2.5），教學(xué)團(tuán)隊(duì)使用了“藍(lán)橋杯”單片機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)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(nèi)集成獨(dú)立雙串口、內(nèi)置晶振、AD 轉(zhuǎn)換器、EEPROM、6 個(gè)定時(shí)器、SPI 接口等，可使用該板子實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的系統(tǒng)，方便學(xué)生課下自我拓展。

圖2 基于短視頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

圖3 “口袋實(shí)驗(yàn)室”一體化開(kāi)發(fā)板

2.3 項(xiàng)目教學(xué)改革

單片機(jī)原理一般會(huì)配套相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，即單片機(jī)原理的項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)。項(xiàng)目教學(xué)比一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)是功能單一的小項(xiàng)目，而項(xiàng)目是一個(gè)功能較多、邏輯較為復(fù)雜的系統(tǒng)，需要在資源相對(duì)匱乏的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，考驗(yàn)學(xué)生充分利用微控制器和板載資源，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊之間并發(fā)工作而又不能相互干擾。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)電路工藝課程，學(xué)生無(wú)法完成PCB 板制作，因此，物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)一般依托開(kāi)發(fā)板進(jìn)行。以往，我們借助如“普中科技”生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)板，根據(jù)板載資源設(shè)計(jì)相關(guān)的項(xiàng)目，如電子計(jì)算器、電子鬧鐘、萬(wàn)年歷、電子密碼鎖等，項(xiàng)目的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)法充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，也無(wú)法拉開(kāi)學(xué)生的層次。為適應(yīng)“新工科”的辦學(xué)理念，學(xué)校大力提倡學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，為此，教改引入了“藍(lán)橋杯”單片機(jī)設(shè)計(jì)大賽，將項(xiàng)目的依托平臺(tái)更換為藍(lán)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(shè)計(jì)更加復(fù)雜的項(xiàng)目。項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以參考藍(lán)橋杯歷年國(guó)賽真題，并適當(dāng)拔高。項(xiàng)目教學(xué)改革不僅極大地提高了學(xué)生的參賽興趣和信心，也熟悉了競(jìng)賽的環(huán)境和規(guī)則，省去了比賽入門(mén)指導(dǎo)，學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)后可以直接參加比賽。

2.4 考核內(nèi)容改革

新工科背景下，應(yīng)用本科教育更加注重人才的動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)[6]。結(jié)合上文提出的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，最終考核應(yīng)該更加關(guān)注學(xué)生的自主知識(shí)構(gòu)建過(guò)程，以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)考核方式單一、重理論輕實(shí)踐的情況。常見(jiàn)的教改方案是增加過(guò)程評(píng)價(jià)的占比[7-8]。然而，自主知識(shí)構(gòu)建很大程度依賴學(xué)生的自覺(jué)性和主動(dòng)性，過(guò)程評(píng)價(jià)的真實(shí)性把控困難。為了杜絕部分學(xué)生蒙混過(guò)關(guān)，筆者認(rèn)為期末考試成績(jī)?nèi)匀灰季C合成績(jī)70%以上。因?yàn)槠谀┛荚囀潜容^公平公正的，作弊的可能性較小。以期末成績(jī)作為主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以倒逼學(xué)生注重平時(shí)的知識(shí)積累，真正掌握單片機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，期末試卷出題時(shí)，增加案例分析題、程序閱讀、編程題等實(shí)踐類題目的分值，同時(shí)增加過(guò)程評(píng)價(jià)中實(shí)驗(yàn)、小組報(bào)告、課堂互動(dòng)的占比，拉開(kāi)學(xué)生的層次。

2.5 以賽促學(xué)，賽教融合

為適應(yīng)新工科教育背景，辦好應(yīng)用型本科大學(xué)，我校大力支持大學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽?？茖W(xué)競(jìng)賽是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要途徑，我校專門(mén)設(shè)置了一個(gè)獨(dú)立的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，專門(mén)規(guī)劃、制定競(jìng)賽政策，出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策支持和鼓勵(lì)學(xué)生參賽，實(shí)現(xiàn)“以賽促學(xué)，賽教融合”的效果。教學(xué)團(tuán)隊(duì)引入了“藍(lán)橋杯”單片機(jī)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)競(jìng)賽，它是個(gè)人賽，在嚴(yán)格監(jiān)視的考場(chǎng)、指定的時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成競(jìng)賽題目所規(guī)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(jìng)賽考點(diǎn)融入到單片機(jī)原理課程的理論和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，同時(shí)將比賽用板作為“口袋實(shí)驗(yàn)室”，讓學(xué)生提早熟悉競(jìng)賽平臺(tái)，可以激勵(lì)他們積極參賽。另外，在項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)中，直接參考?xì)v屆國(guó)賽真題設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使學(xué)生更好地為競(jìng)賽做準(zhǔn)備。

3 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)原理作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是該專業(yè)第一門(mén)軟硬件相結(jié)合的課程，上承C 語(yǔ)言、電路設(shè)計(jì)，下啟嵌入式開(kāi)發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)工程等課程，既可以作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分，又可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，課程地位非常重要。新工科背景下，社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的實(shí)操能力提出了更高的要求，提出基于短視頻驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)原理教學(xué)改革，從理論、實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目和考核標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)節(jié)展開(kāi)變革，課題組以福建江夏學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2019 屆到2021 屆學(xué)生為研究對(duì)象，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)改革成效進(jìn)行了評(píng)估。自從推行短視頻驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革以來(lái)，學(xué)科競(jìng)賽的參賽比例由5%增加到23%，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。學(xué)科競(jìng)賽更進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生思維拓展、創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)知識(shí)傳授向?qū)W生全面發(fā)展轉(zhuǎn)變。