以物联网产业应用为导向的单片机原理及应用课程教学改革研究

刘华 孟军英 范亚斌

摘 要：物联网产业的迅速发展需要大量的应用型人才，作为引导学生从事物联网行业的入门课程，单片机原理与应用课程必须要以物联网产业应用为导向进行教学改革，本文以石家庄学院计算机科学与工程学院的单片机原理与应用课程为例，讨论通过调整授课内容、改革课堂教学模式、改进课程考核方式等改革措施对课程教学的积极影响以及取得的改革效果。

关键词：单片机原理与应用;物联网产业;教学改革

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 物联网产业的发展对人才的需求十分迫切

物联网是新一代信息网络技术的高度集成和综合运用，是全球经济新动能新引擎，是新一轮产业革命的重要方向和推动力量。在“十四五”规划中，物联网被列为七大数字经济重点产业之一，承担起数字经济核心产业增加值占GDP超过10%的目标重任。从产业应用情况来看，目前，物联网已较为成熟地运用于安防监控、智能交通、智能电网、智能物流等。巨大的市场需求和广阔的发展空间，必然滋生对产业应用型人才的巨大需求。

2 单片机课程以往在教学中的问题

单片机原理与应用课程开设之初，选用了ATC89C51单片机开发板为例，讲解单片机原理的相关内容。课程内容主要偏向8051内核的硬件结构和原理，实验内容也只能是让学生“点亮LED小灯、蜂鸣器鸣叫”等基础原理实验。而受到开发板硬件资源的限制，学生还需要利用GPIO自行开发单片机的串口驱动。由于这些课程内容受限于现有的单片机开发板资源、而且内容过于偏向研究设计，显得枯燥、难懂，无法良好的调动大多数学生学习的积极性，整体教学效果不佳。

3 在产业发展导向下，改革单片机课程的大纲、增加趣味性实用性的实验内容、调整考核机制、改革课程实践环节

考虑到单片机原理与应用课程是引导学生从事物联网行业的入门课程，我们单片机课程教学团队通过与企业专家对接、与同行交流、与学生座谈等多种方式，搜集了大量有利于该课程改革的意见和建议。通过近两年的教学改革与摸索，逐步完善了课程大纲、实验项目设计以及考核环节改革，课程内容涵蓋物联网技术层面的“芯片、接口、传感器”等方面的专业理论知识，实验项目“实用性和趣味性”兼顾，提升课程的整体教学效果。

3.1 调整课程大纲

将原有大纲中的“ATC89C51”单片机开发板，替换为封装性好、接口资源丰富的、以“CC2530”为核心的“物联网应用”实训平台，授课内容围绕该实训平台可以开展的实验项目来设置，要求在了解物联网产业发展现状的基础上，理解单片机系统在物联网应用领域的重要地位和作用，掌握单片机的GPIO、外部中断系统、定时器/计数器、串行通信、AD转换的应用配置能力，并着重加强学生“阅读硬件电路图”和“使用C语言编写单片机工程源码”的能力。

3.2 调整课堂教学顺序

最初的课堂教学顺序是：授课教师先使用PPT讲授一大堆单片机课程中的理论知识，然后教师通过投影演示实验操作，最后才是学生亲自动手实践。这样的顺序导致学生在听前面的理论时，由于抽象和枯燥，很难集中注意力听讲;当教师演示时也无法将演示步骤一一记清楚;最后自己操作时面对实验设备无从下手。

改革后的课堂教学顺序是：由授课教师带领学生一起阅读实验操作步骤，一边读一边操作，直到学生操作完成后得到和教师一样的实验现象;接着，由教师引导学生修改实验工程项目中的C语言源码内容，并再次观看实验现象，通过两次不同的实验结果，引起学生的兴趣;然后，由教师根据不同的实验结果，带领学生阅读实验工程项目的所有源码，并对照实验电路原理图来讲解源码的内容;最后，由授课教师提出项目改进意见，让学生以小组的形式进行讨论并最终在实验平台上完成。

通过调整课堂教学顺序，真正体现了“以学生为主体”的教学理念，通过让学生多动手，引导学生主动思考，鼓励学生相互交流的方式进行授课，实现了90%以上的学生可以独立完成课堂实验项目的操作，工程源码的阅读及改进，达到了良好的教学效果。

3.3 改进课堂实验项目

课堂实验项目设计的优劣直接影响整个课程改革的成败。为了保证课堂实验内容实用性与趣味性兼具，还可以在此基础上引申出拓展思考的内容。我们单片机课程教学团队曾多次与从事物联网技术开发公司的有关专家进行交流，向其他高校从事物联网专业人才培养的专家请教，在物联网技术论坛上搜索有用的信息，最终设计了5个实验，分别是：以音乐喷泉灯光秀为原型的“LED流水灯控实验”;以家用智能三色台灯变换色温为原型的“键控三色灯实验”;以腕带电子表为应用原型的“基于oLED的简易电子表设计实验”;以远程控制智能门锁开关为应用原型的“基于串行通信的多指令控制系统设计实验”和以启动风扇为硬件设备降温为应用原型的“芯片温度监控系统设计实验”。

这些实验的应用原型都来自日常的生产生活，学生有可以参考的实物来帮助他们更好地理解实验设计的原理，并且这些实验都易于在原有基本功能的基础上拓展新的应用点来丰富整体功能。

通过对2017级计算机科学与技术专业183名学生在2020年春季学期以及2018级计算机科学与技术专业178名学生在2021年春季学期的两届教学改革实践，我们记录了以上5个实验项目的实际教学效果，每个项目都有近90%的学生达到了学习目标，有近25%的学生达到了优秀，教学效果显著提高。

3.4 以阶段性考核代替最后的一次期末考核

考核不仅是学生学习效果的检验，也是对教师教学环节实施情况的检验。以往的考核都是采用平时成绩占30%，期末考试成绩占70%的比例构成来评定一个学生最后的学习效果。这种考核方式相对于单片机原理与应用这门实践性强的课程来说不是很适用。为此，我们教学团队商讨了针对本课程采用“分阶段考核”代替最后一次期末考核的检验方式，依据课堂教学的5个实验项目内容，划分为三个考核阶段：

第一阶段是在完成“LED流水灯控实验”“键控三色灯实验”后，针对“基于oLED的简易电子表设计实验”教学内容设计的“拓展项目考核”。这个阶段考核的重点在于学生是否可以通过前两个实验的学习，掌握了CC2530的功能开发方法，IAR工程的创建、配置以及调试方法;是否理解GPIO、外部中断的工作原理和应用开发。只有在已经掌握了的基础之上，才能够通过掌握定时器的工作原理、结合GPIO的应用和外部中断的应用，以及oLED的使用实现一个“简易电子表”。这个阶段考核的知识点虽然偏基础，但是这个阶段的考核的结果是直接影响了后面两个阶段学生是否能够达标的一个标志性阶段。这个阶段的考核标准和总分见表1。

第二阶段是针对“基于串行通信的多指令控制系统设计实验”教学内容设计的“拓展项目考核”，这个阶段考核的重点在于学生是否理解串行通信的原理和开发方法。串行通信一直都是单片机系统开发最常见的需求，通过掌握基于CC2530的串行通信功能應用开发，学生能够理解硬件设备之间的通信模式，能够举一反三，掌握在其他芯片上进行串行通信功能的开发，这对与学生未来在该领域就业时必须要掌握的能力。这个阶段考核的知识点重点在学生对串行通信的工作原理、串行通信控制器的配置、串行通信数据的分析和处理等方面的掌握情况。这个阶段的考核标准和总分见表2。

第三阶段是针对“芯片温度监控系统设计实验”教学内容设计的“综合性拓展项目考核”，这个阶段的考核内容属于整个课程的综合性考核，这里考核的是学生是否能够将这个学期所学的知识点融会贯通，将GPIO、外部中断、定时器、串行通信以及ADC综合应用在一起来完成项目的分析与设计以及最后的功能开发。前两个阶段的考核重点各有偏向，而最后这个阶段的考核则是对前两个阶段考核情况的复盘，也是对学生是否具有工程项目分析、设计、实施能力的考核。这个阶段的考核标准和总分见表3。

三个阶段考核的成绩相加为学生最后的期末总评成绩，这种考核方式就学生而言：可以让那些打算平时不听课，最后考试前临时突击考试内容的学生没有了可乘之机，也让那些一遇到大考就发挥失常的学生不再有后顾之忧。就授课教师而言：通过各个阶段的考核可以实时监控自己在教学过程中的问题，并能够根据教学内容和学生掌握的情况实时调整教学进度和难度，真正实现“教学相长”。

结论

教学组通过对单片机原理与应用课程实行一系列修订课程大纲、调整课堂内容教学顺序、改革教学内容、改进课程考核方式等改革措施，提升了课堂教学质量，增强了学生的学习兴趣，最终达到了提升学生综合能力的效果。

物联网产业的发展是持续的，对人才的需求也会随之发生变化，只有将课程教学目标与服务产业发展需求相结合，才能为社会培养合格的人才，教学组将持续不断地推进单片机原理与应用课程的教学改革工作，与时俱进。

参考文献：

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[2]常国权，赵凯.应用型本科高校单片机课程教学改革与探索[J].科技视界，2020（1）：78-79.

[3]汪爱明，刘纪伟，李永兴，张仔航，贺宇航，李峥峥.面向工程应用的单片机实验案例设计[J].2020，37（6）：179-184.

基金项目：2020年度石家庄市高等教育科学研究项目（20201012）

作者简介：刘华（1980— ），女，汉族，河北邯郸人，工学硕士，讲师，主要从事嵌入式系统设计与应用研究。