单片机原理及应用课程思政建设探索与实践

2024-07-11张全长仇与同陈征

高教学刊 2024年20期

张全长仇与同陈征

摘要：单片机原理及应用是能源与动力工程专业课程体系中的重要课程，是联系理论与实践的桥梁。通过分析课程专业特点和具体内容，结合OBE理念，对专业课程单片机原理及应用进行探讨。通过将发展历史注入课程教学、将思政元素融入教学设计、将课程思政结合教学模式三方面内容，讲述单片机技术发展历史引发学生思考。将知识点与思政元素融合并对授课形式进行创新，对单片机原理及应用课程提出有关思政教育与授课教学有机融合的具体改革措施，积极探索提高学生思想觉悟与能力才干的实现方法，为能源与动力工程专业思政建设与课程教学提供参考。

关键词：课程思政；单片机；教学模式；思政元素；课程教学

中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）20-0193-04

Abstract： The Principle and Application of Single Chip Microcomputer is an important course in the curriculum system of energy and power engineering， and it is a bridge between theory and practice. By analyzing the characteristics and concrete content of the Principle and Application of Single Chip Microcomputer， the article explored the course combining with the concept of OBE. By incorporating the historical development of microcontroller technology into curriculum instruction， integrating ideological and political elements into instructional design， and combining curriculum ideology with teaching methods， the history of microcontroller technology development is used to provoke student reflection. This involves merging key concepts with ideological and political elements， innovating teaching styles， and proposing specific reform measures for the integration of ideological and educational principles in the teaching of the course Principles and Applications of Microcontrollers. This proactive exploration aims to enhance ideological awareness and capabilities of the students， providing a reference for the integration of ideological education with teaching practices in the establishment of ideological and political principles within the field of energy and power engineering and curriculum instruction.

Keywords： curriculum ideology and politics; single-chip microcomputer; teaching models; ideological and political elements; curriculum teaching

“国有贤良之士众，则国家之治厚；贤良之士寡，则国家之治薄。”早在两千多年前墨子就认识到了人才对于国家发展的意义，而大学正是当今培养人才的前沿阵地之一。《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，“所有高校、所有教师、所有课程都承担好育人责任”“各类课程与思政课程同向同行”[1]。因此，要将本专业的人才培养目标和课程特点相结合，在保证教育教学工作质量的基础之上，从课程涉及的专业、行业、国家、国际和文化等角度深入挖掘精神内涵和思想价值，将思政教育融入教学实践。通过有深度、有温度、有态度的课程思政建设培育爱国情怀深厚、专业知识扎实的有用人才，为社会主义现代化建设和中华民族伟大复兴添砖加瓦。

一单片机原理及应用课程思政建设的意义

单片机原理及应用是一门为能源与动力工程专业高年级学生开设的专业选修课程，目的在于通过对51单片机的学习，使学生掌握单片机内部运行原理、单片机的硬件结构及原理、单片机内部资源的应用及片外扩展等知识[2-3]，培养应用与动手实践的能力。通过对专业基础课程及核心课程的学习，学生有了一定的知识储备和较为完善的理论框架。单片机原理及应用课程的开设能够培养学生的动手能力和实操能力[4]。

习近平总书记在《坚决破除制约教育事业发展的体制机制障碍》一文中提到：“推进产学研协同创新，积极投身实施创新驱动发展战略，着重培养创新型、复合型、应用型人才。[5]”五四运动中对“赛先生”的呼唤和寻找从未远去，经过一百多年的发展，“赛先生”的内涵之一就是勇攀高峰、敢为人先的创新精神，当今许多科研工作者和企业都是创新精神的践行者。中国“天眼之父”南仁东为射电望远镜的建造做出卓越贡献；屠呦呦成功提取青蒿素使疟疾防治取得重大进步；华为面对严峻的国内外形势仍然坚持自主创新，取得了一系列成果。

单片机原理与应用课程兼具理论学习和实验操作两方面内容，能源与动力工程作为工科专业，重要的是将理论知识结合到应用中，进一步培育创新思维，提升学生的创新意识和创新能力。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送和中断处理）的微处理器、随机存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路，可能还包括的定时计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉宽调制电路及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小的完善计算机系统。单片机作为一种用于控制的芯片，配合一些外设芯片及执行器便可在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先设定的任务。通过这门课程的学习，学生可将学习到的理论知识应用到实践中[6]。当今社会已进入电气时代，对设备的控制已无处不在，如能源方面的空调、锅炉，动力方面的发动机、电机，都需要精准的控制才能使其安全稳定的运行。在生产中，控制系统是产品中关键的一部分；在科学研究中，控制是实现想法的关键工具。不论未来学生选择继续深造，还是走上工作岗位，这门课程都充当着联系理论与实践的桥梁[7-8]。

为党育人、为国育才明确了人才培养的政治要求和价值导向，因此在教学的知识目标和能力目标之外，价值目标也同样重要。以为国家培养有用人才为导向，深入挖掘课程的思想价值确立了价值目标：胸怀祖国，文化自信，辩证唯物主义，敢于实践、严谨求实，团结协作、互相协同。在一些欧美国家领先的领域，如发动机，发动机控制正是其中的重要一环；在我国领先且大力发展的领域，如电动汽车，电控正是其核心之一，我国需要大量控制方面的人才来打破传统行业的西方垄断，巩固新兴领域的领先位置。学生时期是世界观逐渐成熟的阶段，也更容易受到虚假信息的影响，课堂上通过讲述老师自身的科研项目及项目经历与课程知识相结合，不仅能够让同学更快地吸收理解知识，也能引导学生追求科学真理、勇于探索，培养精益求精的大国工匠精神。将课程知识与国家战略发展结合，引导学生关心国家大事，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[9]。

二单片机原理及应用思政建设的途径

（一）发展历史注入课程教学

1971年，英特尔公司首次将单片机概念实现并推出了第一款商用微处理器4004，尽管4004还不是具有完整功能的现代概念的单片机，但它开创了将计算能力集成到一块芯片上的先河。1974年，德州仪器推出的TMS 1000集成了CPU、ROM、RAM及I/O口等，这被认为是第一款真正意义上的单片机，标志着单片机时代的开启。1980年代，伴随着技术进步，如Atmel、Microchip等多家公司也开始加入设计制造单片机，随着制造工艺的提高，单片机的性能、产量也都有了大幅提升，随之价格也更加亲民，更多的普通民众也享受到了单片机带来的便利，在家用电器、汽车电子等领域，单片机均得到了广泛应用。20世纪90年代，单片机的功能更加强大，集成度更高，面对不同的应用场景，单片机的种类也更加丰富，如高性能单片机等，而ARM架构的诞生也使ARM架构的单片机成为了嵌入式系统的首选[10-11]。在2000年以前，中国大陆自己的单片机设计生产是一片空白，而国家注意到了单片机在未来工业控制、移动设备等诸多领域中将起到的重要作用，在1998年正式把“微控制器（MCU）系列产品开发及应用”作为国家重点科技攻关项目。在中国工程院院士许居衍带领下，我国快速攻克单片机的一系列问题并实现了量产化，在单片机市场中占有了自己的一席之地[12]。单片机是20世纪70年代的产物，虽然欧美国家在这一领域具有先发优势，但我国科学家凭借取长补短及艰苦卓绝的奋斗精神攻克了单片机的设计制造，在课程教学过程中将单片机的发展历史注入其中，提醒同学不要妄自菲薄，而要具有国际视野和创新精神，从社会主义先进文化中汲取养分，在文化的滋养中坚定自信，做理想远大、信念坚定的模范，通过科学方法论使自己成为创新型、复合型、应用型人才。

（二）课程思政融入教学设计

教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[1]。新中国成立以来，一代代科研人员都秉持自力更生的理念，决心改变过去近百年来中国科学技术落后的面貌。在七十余年的新中国史上，从第一颗原子弹、第一颗人造卫星、第一辆自主生产的汽车到第一艘国产航母、第一艘载人深潜器……这无数个从0到1、从追赶到超越的进步，都离不开科研工作者和工程人员的辛劳与汗水。单片机是连接理论和应用的桥梁，其在尖端武器、航空航天、汽车电子设备和国防军事等领域均起着重要作用。

在本课程教学中将思政元素融入其中，见表1。通过将知识点与经典案例相结合的方式，使学生在学习知识的同时培养其文化自信、社会责任感及家国情怀[13-14]。

（三）课程思政结合教学模式

目前单片机教材上使用的案例代码都是用汇编语言进行编程的，而汇编语言是二十年前的通用编程语言，由于汇编语言学习难度大、可移植性差等原因，因此在授课过程中，采用C语言进行教学，同时使用开发板进行现场演示。开发板上具有单片机最小系统及入门级的一些外设如LED灯、按键等。通过将案例代码烧写入开发板的单片机中，开发板上的外设便可按照程序进行执行。如在教授第二章89C51/S51单片机的硬件结构和原理中关于I/O口控制的内容时，便可通过C语言在编译软件中进行编程，并烧写入单片机中，单片机就会控制LED灯进行亮灭，这样学生可以直观地感受到每一行代码的作用，从而提高学生的学习兴趣。再让学生对代码进行更改，如改变LED灯亮灭频率、控制其他的LED灯亮灭灯，让同学上台演示，强化学生对I/O口定义及应用的理解，使学生锻炼自主思考的能力。

课后组织学生以每八人为一组分批次进行小班讨论课，给同学一定的时间思考，自己编写一个程序，并烧写入开发板中观察现象。例如在讲授第三章中断系统后，让同学自己编程通过配置中断寄存器控制LED灯亮灭，如果编程或者烧写过程中遇到问题可以随时向老师提问并解决问题，这不仅有利于学生消化课程上所学的理论知识、激发学习兴趣及学习动力，也有利于锻炼思维能力。

在课程中，将老师的项目经历融入到知识点中，使学生清楚地理解理论知识如何在实践中应用[15-17]，例如，讲授第八章系统实用程序时，通过PT100温度传感器进行举例，在实验过程中需要测量温度数据时，PT100传感器经常被使用。首先讲解PT100的测量原理，以及如何通过元器件搭配实现将温度转换为电压值，再讲授软件代码编写，这样学生可以更全面地理解单片机内部各种寄存器的配置，引导学生建立科学世界观及方法论及严谨求实的科学态度。

嵌入式系统是实现某些特定功能的专用设备，单片机是其中的核心，除此之外单片机还需要配备一些外设芯片才能实现控制某些目标的特定功能。只懂得单片机编程而不懂得硬件设计就会受制于人，就如同我国被西方在某些关键领域“卡脖子”一样。通过单片机最小系统PCB设计的演示，讲授关于电路板设计的基本操作方法，这有利于学生将整个嵌入式系统的工作方式形成体系，引导学生追求精益求精的探索精神，关注国家战略，培养学生具有使命担当。

通过喷油器喷油、火花塞点火、直流无刷电机驱动实验配合课程教学，让学生自己动手焊接实现特定功能的电路板，并讲解其中的电路原理及电路结构，在实现基础功能后通过改写基础代码实现其他功能，使学生更充分吸收课程知识，将理论与实践相结合，培养创新型、复合型、应用型人才。喷油器喷油、火花塞点火、直流无刷电机驱动分别是传统燃油汽车和新能源汽车中的关键组成部分，借助实验使学生充分了解被“卡脖子”行业所面临的困境与机遇，以及新型产业发展与挑战，激发学生的社会责任感、家国情怀，增强对党的战略的政治认同、思想认同、情感认同，培养艰苦奋斗的大国工匠精神。

传统期末考试主要是考察学生关于概念的掌握情况，单片机技术是理论实践的工具，是一门注重应用的课程，单片机代码编写过程中需要思维敏捷活跃。期末考试应注重对单片机使用方法的考察，单纯对概念的掌握不能代表会熟练使用单片机。将期末考试内容分为概念题与编程题两部分，概念题占比较小。编程题中，根据国家近期发生的重大科技进步事件，提取其中单片机参与的部分，将其工作过程进行简化，编写出适合学生作答的题目，并将思政元素融入题目中，在答题过程中引导学生对自身思想政治方面的思考，在潜移默化中将自身提高与国家科技进步相结合，将个人价值实现与国家战略相联系，增强学生的社会责任感，培养大国工匠精神。同时在对开放性题目的思考过程中，锻炼学生以科学方法论为基础的思维方式，培养严谨求实、勇攀高峰、敢为人先的创新精神。

三结束语

单片机原理及应用课程将理论知识、实验操作、思政教育三者有机结合，将价值观培养融入课堂教学，深入挖掘课程内容中的思政内涵，逐渐形成具有专业特点和工科特色的课程思政教学。课程思政建设是长期性、系统性的任务，教师在教学过程中应该牢记人才培养的使命职责，不断提升教学质量，将价值观培养放在和知识能力培养同等重要的位置上。

参考文献：

[1] 教育部.关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知教高〔2020〕3号[EB/OL].（2020-06-05）[2024-03-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[2] 李朝青，卢晋，王志勇，等.单片机原理及接口技术[M].5版.北京：北京航空航天大学出版社，2017：1-2，25.

[3] 张兰红，邹华.单片机原理及应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2017：6.

[4] 杨潇.“新工科”背景下应用型大学《微机原理与接口技术》课程教学探索[J].教育教学论坛，2019（22）：210-211.

[5] 习近平新时代中国特色社会主义思想专题摘编[M].北京：党建读物出版社，2023：179.

[6] 姜忠爱，蔡卫国，牛春亮.单片机原理与应用教学模式与课程思政改革研究[J].高教学刊，2020（9）：129-131.

[7] 郑庆华.新工科建设内涵解析及实践探索[J].高等工程教育研究，2020（2）：25-30.

[8] 薛飞.基于应用型人才培养的单片机原理教学改革[J].农业与技术，2015，35（12）：251.

[9] 任国臣，郭栋，蓝和慧.基于OBE的单片机原理及接口技术课程教学[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2022，24（6）：122-124，131.

[10] 方文鹏.关于单片机的发展研究[J].现代工业经济和信息化，2015，5（6）：79-80.

[11] 蔡立娜.单片机的发展与应用[J].科技展望，2016，26（13）：99.