基于华为物联网平台的单片机开发信息化教学设计与应用

【摘要】本文基于中职学校物联网专业实训课程传统教学方法存在的问题，论述在中职物联网专业单片机开发课程中使用华为物联网平台提供的全场景模块化组合方案和信息化资源结合进行教学的应用策略，提出教师应从教学策略、教学目标、教学过程等四个方面着手，落实具体的课程教学实施方案，以提高教学效率。

【关键词】信息化资源 华为物联网平台 物联网专业

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）02-0090-04

物联网作为近年来快速发展的技术，要求相关从业人员具备从芯片开发到场景搭建等综合应用能力。这就需要相关专业学生在学习过程中多动手、多实践、多思考，以解决实际问题为终极目标。但当前中职学校现有的物联网专业实训课程仍存在许多问题，难以达到理想的教学效果。华为物联网平台内容涵盖单片机基础、Huawei LiteOS操作系统基础、通信外设开发、上云案例开发等内容。因此，在中职物联网专业单片机开发课程中使用华为物联网平台，并结合信息化资源进行教学的设计与应用，可满足课程教学要求。本课程使用的华为物联网平台的小熊派开发板具有易操作、上手快的特点，充分考虑了物联网感知层设备的多样性，具有强大的可扩展性，让学生有兴趣动手开发和调试，在实践中掌握单片机系统硬件的结构与原理以及编程技能。同时，在课程中结合信息化资源的运用，大大提高了实训课程的效率以及学生的学习积极性，培养了学生的动手能力、自觉性、团队合作能力，有效地提高了课程“教”与“学”的效率。

一、中职院校物联网专业实训课程传统教学方法存在的问题

物联网专业是一个动手性和实践性都较强的专业，而单片机开发是该专业中专业性较强、难度较大的一門课程，如何上好这门课，就成了教师要认真思考的问题。许多职业院校的物联网专业实训课程存在许多问题，难以达到理想的教学效果。在传统教学中，常用的授课方法有任务驱动法、讲授法、项目教学法等，这些方法在授课过程中能起到一定的作用，但也有很多局限性，主要表现在以下方面。

一是学生的主体作用不能完全体现。传统的教学方式还是以教师讲授为主，教师是课堂的中心，学生只是听讲和思考教师提出的问题，学生的创造性和主动性受到了极大的限制。二是教学方式过于单一。由于以前的信息化设备不够完善，教学方法也受到了一定的限制，即使教师使用了案例教学法或任务驱动法，也多半是以教师讲授知识点为主，教师做好案例或任务让学生模仿，学生的创新能力没有得到很好的培养。三是实训条件不足，难以达到理想的教学效果。如计算机和网络设备价格昂贵、更新换代快、容易损坏、维护成本高等问题，导致学生动手机会少、学习偏理论化等问题。

二、华为物联网平台结合信息化资源在单片机开发教学中的作用

（一）多方面满足教学需求

华为物联网平台涵盖了配置平台OceanConnet、操作系统Huawei LiteOS、物联网通信技术，以及高性能物联网开发板，可以实现从芯片到平台的全场景、模块化方案组合，能够极大地满足开发需求，并提供场景模拟，方便教师进行模块化教学。

（二）培养学生的学习主动性

利用信息化的学习平台，学生可以通过网上查询、人机交互和小组合作等方式完成教师布置的学习任务。学生带着教师布置的学习任务，通过必要的信息技术进行自主探究，能充分发挥他们的主观能动性，并能有效地选用相应的学习资源。这样不仅重视了学生作为学习主体的积极性、主动性，还培养了学生的思维能力。

（三）创新教师备课及教学方式

教师可以利用网络的资源共享优势，随时充实自己的个人素材库，并结合教学实际，进行筛选、整理、提炼，从根本上改变了过去单纯使用教材、教参备课的老套路，实现了备课方面的创新。在课堂教学中，教师可以根据教学构思，利用多媒体技术辅助创设良好的教学情境，使某些抽象的、难以表现的教学过程得以形象、生动、直观地展现出来，达到声画同步、图文并茂、情感共鸣的效果，使许多教学设想变为现实，最终形成自己的教学风格。

三、华为物联网平台结合信息化资源在课程中的具体应用

下面，本文以《单片机开发——LED灯的闪烁》这节课为例，讲解华为物联网平台及信息化资源在该门课中的应用。

（一）教学策略

本课程使用的教学设备是一款由华为技术有限公司联合南京小熊派智能科技有限公司基于STM32

L431RCT6设计的高性能物联网开发板——华为小熊派开发板。该开发板充分考虑了物联网感知层设备的多样性，具有强大的可扩展性，调试方便，在教学中能够极大地激起学生的学习兴趣。

此次授课的对象是中职学校物联网应用专业二年级的学生，他们想象力丰富，思维活跃，喜欢动手探究，并且善于利用信息化的手段获取资讯。但是他们对理论知识的学习不感兴趣，理解能力还有待提高，另外，他们的学习方法不够灵活，更缺乏团队合作意识。因此，本课程的教学策略是借助信息化的资源，打造“自主、合作、探究”的学习环境。教师使用学习平台引领整个教学过程，学生在教师的引导下，自己到平台上领取任务书、微课等学习资源，进行课前复习和预习、讨论、完成评价等任务。通过该平台，学生在进行自我探究、自主学习的同时，也加强了与教师和同学之间的交流和合作，养成了良好的学习习惯。

（二）教学目标

根据教材和学情分析，笔者制订了知识、能力、情感三维目标。

知识与技能目标：能辨识出控制LED灯的开发版的对应模块，理解开发板控制LED灯原理，理解HAL_GPIO_WritePin函数和HAL_GPIO_TogglePin函数的作用及参数含义，并熟练运用这两个函数控制开发板上的LED灯。

过程与方法目标：在教师的引导下，合理利用学习资源进行探究性学习，提升与人沟通合作的技巧，提高分析问题、解决问题的能力。

情感态度与价值观目标：能在信息化手段的帮助下，养成良好的学习习惯以及认真细致的工作态度，并培养学生在企业网站开发的不同岗位中与他人沟通及合作的习惯和技巧，培养其合作和创新精神。

（三）教学设计

1.课前探索

在课前探索过程中，教师利用学习平台，发放课前任务书，引导学生根据本次课的重难点进行预习，并设置了测试，让学生对本次课的内容有个初步认识，做到了让学生能随时随地自主学习。教师通过学习平台收集学生课前讨论的问题，对学生进行指导分析。

2.课中获取新知

教师首先对学生的课前预习情况进行总结，并带领学生对开发板各个模块的功能进行复习，为本次课任务做好知识方面的准备。

3.课后拓展

教师于课后在学习平台上布置拓展任务，学生利用本次课所学知识完成开发板上3盏LED灯间隔闪烁的设计，并上传代码和设计效果到学习平台上进行交流。

（四）教学过程

在探求新知环节，笔者根据知识的难度，将其分为以下几个子任务，让学生能循序渐进地提升自己的技能。任务一：结合华为小熊派开发板，分析控制LED灯所要配置的引脚和控制原理。任务二：通过HAL_GPIO_WritePin函数点亮LED灯。任务三：实现LED灯间隔闪烁的功能。

在任务一中，笔者以小组为单位，为每个小组下发华为小熊派开发板（开发板的系统框架图见图1），同时给出如下问题引导学生思考。问题1：我们之前已经学习了开发板上的哪些模块？LED灯在哪个模块上？问题2：在该模块上控制LED灯的引脚是哪个？控制原理是什么？问题3：画出该引脚控制LED灯的控制原理图。以上问题使学生逐步形成了这样一个思路：本次任务要先弄清楚控制LED灯的引脚及控制原理，然后通过编写相关设置参数程序对其进行控制。理解开发板控制LED灯原理是本次课程的重点。笔者引导学生以小组为单位观察开发板，找到LED灯的控制模块为MCU模块，并在去平台上下载MCU模块的原理图及本次课的任务书（见图2），自行分析LED控制引脚为PC13。学生通过平台观看微课视频，根据微视频上讲解的步骤和方法，一步步地分析并总结PC13引脚控制LED的原理，完成任务一的验收任务：完成PC13引脚控制LED灯的控制原理图（见图3），并截图后提交到学习平台进行验收。根据原理图，可以总结出PC13高电平时LED1灯亮，低电平时LED灯灭。至此，在通过引导学生发现问题、提取学习资源、完成对开发板控制LED灯原理的分析和绘制原理图的过程中，不仅突破了教学重点，而且帮助学生养成了良好的学习习惯。学生也通过自己的探究解决了问题，学习的积极性得到了很大提高。

完成任务一后，笔者引导学生继续在教学平台提取任务二的任务书，分析其与任务一之间的联系。根据任务单的指导，学生发现：任务二的功能是在任务一的基础上实现的，根据任务一得出的原理，通过代码来控制引脚可以实现对LED灯的点亮。首先，笔者引导学生打开STM32 CubeMX建立工程，并进行工程参数的基本配置。接着，编写代码控制LED灯的环节，重点是理解HAL_GPIO_WritePin函数和HAL_ GPIO_ TogglePin函数的作用及参数含义。学生通过小组合作的方式来进行讨论，利用开发帮助文档和微视频，在讨论和知识点升华的过程中逐渐了解到：HAL_ GPIO_WritePin函数有三个参数，分别是LED_GOIO_Port、LED_Pin、GPIO_ PinState PinState，其分别代表LED端口、引脚、电平状态。HAL_ GPIO_TogglePin函数相对来说更加简单，只有LED_GOIO_ Port、LED_Pin两个参数，这几个参数的配置可以在新建程序中的配置环节来完成。由于有任务一的铺垫，再加上之前学生在单片机基础编程章节已经多次进行过STM32CubeMX的编程开发，所以在配置环节大多数学生都能够通过任务书后面的知识链接提示完成相关参数的配置，并将步骤总结写在任务书上。该步骤为：①配置端口和引脚;②配置时钟;③对引脚进行详细配置;④生成工程。通过配置，系统将自动定义好LED_GOIO_Port、LED_Pin、GPIO_PinState PinState三个参数，这个知识点重在理解，操作还是比较简单的，有困难的学生可以通过查看微课视频来完成。学生通过分析讨论，完成通过HAL_GPIO_WritePin函数点亮LED灯的代码编写任务。学生完成任务后，通过截图或者提交源代码的方式将结果提交到学习平台供教师查阅和批改。任务二是任务一的升级，其既能加深学生对HAL_GPIO_ WritePin函数和HAL_GPIO_TogglePin函数的理解和运用，也能巩固学生对开发板控制LED灯原理这一重要知识点的掌握。同时，笔者采用小组讨论协作的方式充分发挥了学生团队的力量，调动了每名学生参与任务的积极性，并且给遇到困难的学生以提示，一步步引导学生利用自己原有的知识体系和信息化手段建构出新的知识体系。

通过任务一和任务二的循序渐进，学生已经逐步攻克本次课程的重难点知识。接着，笔者让学生从学习平台上下载任务三的任务书：实现LED灯的閃烁。学生根据任务书，分析其与任务二存在的联系，并发现问题：任务三的功能是在任务二的基础上实现的，任务二已经实现了LED的点亮，要让LED灯闪烁，首先要解决的问题是如何实现LED灯间隔一段时间熄灭。针对这些问题，笔者没有直接告诉学生解决方案，而是让各小组通过学习平台进行头脑风暴讨论解决方案，这样可以引导学生对问题进行深入思考。笔者根据头脑风暴讨论的结果对学生进行思路引导——LED灯的熄灭就是在点亮的基础上将电平状态的参数GPIO_PinState PinState设置为GPIO_PIN_RESET，同时亮和灭是间隔一段时间进行的，所以中间还要加一条时间间隔函数HAL_Delay（ ）。通过头脑风暴和提示，学生理清了解决任务三的思路，由于有了任务二的铺垫，并且间隔函数也是之前学过的知识，所以大部分学生都能够非常顺利地完成任务三。

最后，各小组成员根据评价量化表进行自评、互评，将本次课编程中遇到的问题和解决方案上传到问题库，并上讲台分享自己在完成此次任务的过程中所学到的新知识和新技巧。学生在展示过程中收获了胆量、勇气，并在倾听别人发言的同时学会了欣赏和尊重。至此，本课程课堂教学环节已经顺利完成，课堂气氛热烈，教学效果较佳。

总而言之，中职物联网单片机开发课程使用华为物联网平台设备，能够实现从芯片到平台的全场景、模块化方案组合，打破设备和场地的限制，最大限度地满足开发需求。实践证明，教师使用华为物联网平台提供的全场景模块化组合方案与信息化资源相结合的方式进行教学，大大地提高了实训课程的效率以及学生的学习积极性，培养了学生的自觉性、动手能力、团队合作能力，从而保证了教学效果，提高了教学质量。学习平台和微课资源的运用打破了时间与空间的限制，使学生能自己发现问题，主动收集资源完善自己的知识结构。整个课堂的交流和分享变得更频繁，教和学变得更轻松、主动。

参考文献

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注：本文系广西职业教育第二批专业发展研究基地项目（桂教职成〔2018〕65号）“广西职业教育计算机应用专业群发展研究基地”成果之一。

作者简介：徐艺玮（1991— ），湖南常德人，讲师，研究方向为物联网技术。

（责编 林 剑）