物联网时代单片机原理及应用技术课程教学改革研究

余旺新，潘小莉，覃孟扬，刘永富

(玉林师范学院，广西 玉林 537000)

物联网是把所有带传感器或者控制器的设备连接到互联网，按照规定的协议进行信息交换，完成实时监测、定位追踪、报警联动、远程控制等功能的一种网络技术[1]。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网技术的应用涉及工业控制、智慧城市、智慧环境、智慧农业、智能家居等多个领域，给人们的生产生活提供了极大便利。重点探讨在物联网技术驱动下的高校单片机原理及应用技术课程理论和实践教学、课程设计、考核方法、教学手段等方面的改革及如何提高学生的应用系统开发和解决实际工程问题的能力。

1 物联网时代单片机原理及应用技术课程教学改革策略

1.1 理论教学改革

目前，高校单片机原理及应用技术课程理论教学通常以80C51系列单片机为核心，课程内容包括结构原理、指令系统、程序设计、中断系统、定时器/计数器、串行口、存储器扩展技术、应用系统接口设计等[2]。80C51系列单片机构架比较老旧、性能弱、功能单一，因此本次教学改革将单片机核心更换为ESP32模组。ESP32拥有主频高达240 MHz的32位双核处理器，集成以太网、蓝牙、触摸传感器、霍尔传感器、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM等功能模块[3]。教学过程中缩减了单片机基本原理课程内容，增加了物联网相关的以太网技术、蓝牙技术、传感器技术等内容。理论教学48课时，具体内容如表1所示。

表1 单片机原理及应用技术理论教学内容Tab.1 Teaching content of single chip principle and application technology theory

互联网和传感器技术的扩展实践应用项目(包括一键配网、OTA升级、热点广告机、云平台接入、微信接入、超声波传感器、颜色传感器、霍尔传感器、加速度传感器等)为学生提供工程源码及相关参考资料，进行课外学习和掌握。

1.2 实践教学改革

实践教学是一个重要的实践环节，通过实践教学，使学生掌握基本的硬件设计及调试、软件设计、系统综合调试等过程。实践教学总共安排18学时，从理论教学第10学时以后开始穿插进行，让学生能够学以致用，提高学习兴趣，增强学习效果。在实践教学过程中，采用ESP-WROVER-KIT开发板和多种实验传感器模组，单人单桌进行实践操作，统一使用C/C++语言和乐鑫官方IDF V4.0开发环境完成。实践教学具体内容如表2所示。

表2 单片机原理及应用技术实践教学内容Tab.2 Teaching content of single chip principle and application technology practice

1.3 课程设计改革

单片机原理及应用技术课程设计是锻炼提高学生应用系统开发和解决实际工程问题能力的重要过程。课程设计安排在理论课结束后的第1周或者下一学期前的1周完成，由学生自由分组和选题。学生也可以自拟题目，拟题必须是有实际应用价值的单片机跟物联网技术相结合方向的课题。教师在课程设计过程中负责集中授课以及设计指导。项目组由2～3名学生构成，各成员分工完成不同的任务，小组项目负责人协调完成最后作品的综合调试和设计报告撰写。

课程设计的课题项目需要使用ESP32单片机模组、各种实用传感器、以太网通信、蓝牙通信、RFID或NFC无线传感网络等相关模块和技术。设计课题必须由负责指导教师审核通过才能实施，学生自行查阅设计相关的技术文档和资料确定最终设计方案，完成设计电路原理图、制作焊接电路板、编写系统软件、调试硬件和撰写设计报告等任务[4]。

课程设计考核采用分组现场答辩的形式进行，评分要点包括方案合理性、作品创新和实用性、设计报告完整性、实践表现、答辩表现等内容，最终通过综合表现来评定学生的课程设计成绩。课程总成绩=导师评价成绩×70%+学生评价成绩×30%。

1.4 教学手段改革

在单片机原理及应用技术课程理论教学部分，打破了抑制学生学习积极性的“教师讲、学生听”的填鸭式教学模式，采用任务驱动等理论教学手段[5]，结合理论教学内容充分发挥学生的自主性，通过实用小项目培养学生的物联网应用系统开发和实际工程问题解决能力。

在实践教学部分，除了要保证基础实验和课程设计实践有效实施以外，还应带领学生积极参加校内外各种科技比赛、创新创业、教师科研以及企业应用型项目。鼓励学生在开放实验室或宿舍进行物联网相关作品的设计活动，培养学生综合运用所学知识的能力，使学生受到更为实际、更加全面的科学研究训练[6-10]。

1.5 考核方法改革

单片机原理及应用技术课程的考核应从理论、实践、平时三方面进行，重点考核和评价学生的实际应用和创新能力。

理论考核：期末理论考核试题涵盖课程基本概念、理论、原理、方法的理解与运用，要突出重点、难点知识。保证考核题型多样化，弱化文字描述类题，强化应用电路设计和程序编写题，综合应用题侧重物联网技术背景。

实践考核：实践教学考核贯穿整个课程教学过程，着重突出实际应用创新能力的培养，辅助提高基础理论知识学习质量。从平时验证实验和综合实验过程的理论分析、电路设计、软件编写、综合调试等方面进行考核。

平时考核：平时成绩由课堂表现、课后作业、小组讨论等构成。在课堂教学过程中鼓励学生积极参与课堂互动，增强教学效果。课后作业从作业的完成度、正确率、规范程度等方面考核。小组讨论从参与积极性、主导作用、语言表达、理解思路、独立见解等方面考核。

2 结语

单片机原理及应用技术课程改革中引入物联网技术推动理论教学、实践教学、课程设计、教学手段、考核方法等方面的改革，提高学生学习兴趣，达到教学相长的目的。实践结果表明，物联网技术与单片机结合符合高等院校工科专业的人才培养目标，对于课程的教学革新和学生思维创新、团队协作、应用系统开发和解决实际工程问题等综合能力的培养具有重要作用。