物聯網時代高職院校單片機課程改革與實踐教學研究

姬翔宇

摘要：目前大多數高職院校單片機課程教學無論是教學方法還是實驗手段均已落后，無法適應物聯網時代技術要求。本文分別從適用性高職教材建設、實例化教學內容改革及經濟型仿真實驗平臺構建三大方面進行探討和研究，不僅能夠激發學生學習該課程的興趣，而且還可以改變高職院校單片機課程教學中實踐環節落后的現狀。

關鍵詞：物聯網；單片機；模擬仿真；計算機應用技術

目前，我國擁有物聯網應用技術專業的高等職業院校普遍開設有《單片機應用技術》課程。該課程既是該專業的核心課，也是各級各類職業技能競賽中的主要實踐教學環節。

長期以來，《單片機應用技術》課程的教學內容都是從MCS-51系列單片機的結構、指令系統、匯編語言程序設計出發，再到定時，計數器和中斷系統、存儲器及接口、單片機通信技術，最后再輔以幾個簡單的單片機應用。這樣的教學內容，一方面學生學習的難度大，另一方面與企業的主體需求有一定的差距。鑒于這種現狀以及高職教育培養目標的現實需要，《單片機應用技術》課程必須進行改革。

作者近期走訪的多所院校，單片機課程的教學方法依然陳舊。從教學方法上看，灌輸式課堂教學固然有它的好處，但也抑制了學生學習的主動性；從實驗手段上看，多數學校沒有重視實踐教學，缺少直觀的實驗方法。隨著硬件技術的不斷提高，那些老舊的單片機實驗箱和實驗臺早已無法滿足課程實踐的要求。最終，在學習的過程中，理論和實踐脫節嚴重，學生們缺乏動手能力和創新意識。

近年來，我國正處于物聯網技術的井噴時代。物聯網技術使人類在信息的世界里獲得一個嶄新的互通方式，從而打破了原有的思維模式。讓人類社會的信息連接方式從任何地點、任何時間的人與人之間的溝通和連接，擴展到任何時間和任何地點物與物，人與物之間的溝通和連接。物聯網帶來了信息技術新的增長點，作為新一代信息技術的代表，物聯網通過匯集、整合和連接現有的技術，推進了技術的升級，給徘徊已久、疲態漸顯的信息技術帶來了新的前景和目標。物聯網實現了信息技術精確的控制、通信和計算功能，以全面感知、互通互聯和智慧運行為技術特征，對信息技術提出了很大的挑戰，也提供了廣闊的發展空間。目前，物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮，物聯網已上升為國家戰略，成為下一階段IT產業的任務?；谶@種形式，當今各個高?；旧纤械挠嬎銠C類專業對單片機課程的教學都有了新的、緊迫的要求。在教學內容上，一方面要迎合最新技術的發展；另一方面，還要盡可能銜接物聯網專業課程體系，否則就會與當今技術的發展狀況嚴重脫節，教學缺乏時效性。那么，在當今物聯網時代下，高職院校的單片機課程，如何才能體現出目前的新技術、新要求？對于物聯網應用技術專業，如何做到單片機課程和其他專業課程有效貫通？如何構建單片機教學內容，從而適應物聯網相關崗位的技能需求？在現有的實訓條件下，如何加大實驗實訓力度，提升學生學習的興趣，提高教學質量？經過多年的單片機教學工作，作者提出從以下三個方面的改革措施，解決目前單片機教學中出現的問題：

一、選擇合適的教材

單片機課程對高職學生來說是一門比較難學的課程。它包括了模擬/數字電路技術、接口技術、軟件編程技術、傳感器技術、通訊技術和機械傳動技術等眾多基礎知識。絕大多數高職院校都在第三學期開設本門課。這就意味著學生不可能在學習之初就掌握大量的前置內容。因此，選擇一套難度適中、內容全面，同時又符合學生認知規律的教材，就顯得尤為重要。因此，在教材研究上，有如下構思：

（一）根據人才培養目標，選擇一本深淺適中、理實結合、內容新、結構合理的教材作為學生的參考教材。教材內容首先應打破原有的理論體系，重構課程內容，用實例組織單元教學；其次，所選用的教材應融“教、學、做”于一體，體現職業教育的實踐性特點；第三，能反映目前企業的需求，突出教材的實用性和實效性，同時貼近職業崗位的需求。

（二）為了符合高職學生的認知特點，在選定了參考教材的基礎上，應組織編寫一本校內主講教材。主講教材應遵循職業教育的特點，盡可能由實訓部分組成，包括職業導向、教學目的、知識講解、梳理與總結等內容。這樣，有利于教師有重點地開展教學過程，也有利于學生及時了解教材相關的職業特點，并且可以對教材內容進行高效率的自學。其中“職業導向”模塊說明實訓部分培養能力的應用崗位；“教學目的”模塊為實訓模塊提供學習過程指導；“知識梳理與總結”模塊將主要內容進行提煉與歸納，以便學生能夠進行復習總結。在主講教材編寫過程中，應采用近年來單片機應用產品開發所用的流行語言，同時將其融合到各個實訓項目中去，避免單獨講解編程語言。在敘述方式上，避免刻板的描述文字，盡量使用與實踐相關的圖、表，在列出必備的器件清單等細節內容，引導學生自己動手完成設計。原理性內容敘述簡約，將一些知識轉變成小問答，小技能等方式進行描述，增加教材表現形式和可讀性。在教材的配套資源上，應配備相應的教學課件及所有實訓的演示程序，將程序盡可能詳細地加入注釋，方便學生學習。

二、重構課程內容。用實例組織單元教學

在實際生活中，處處都可以看見單片機的影子。但是，在學習的過程中，學生們普遍反應課程太抽象、難以理解。因此，在教學過程中，應依據高職教育培養高端技能型人才的目標，結合高職學生的學習能力，遵循由淺人深、由簡單到復雜的認知規律，以學生為教學主體，通過一個個典型的單片機開發實例，逐步引導學生自己動手完成設計。這樣，可以收到很好的教學效果，也很容易激發學生的學習興趣。

傳統的單片機教學，都是先介紹MCS.5l系列單片機的硬件結構，接著學習指令系統和匯編語言程序設計，然后講述單片機的中斷系統和各種外圍器件的應用，最后再輔以2～3個系統綜合設計實例。以這樣的方式展開教學，學生們肯定會感到難學。試想一下，對于剛剛步入高職二年級的學生來說，他們很可能都沒有系統學習過計算機的結構，甚至連數字電路也是起步不久。而要他們在短時間內理解單片機內部結構，并且還能加以應用，這著實不是一件容易的事。另外，以往的單片機教學中，程序都是采用匯編語言進行編寫的。用匯編語言設計單片機應用程序雖然靈活，但是對與剛剛接觸的人來說，是非常不容易理解的。比如，Intel 805l單片機，它的指令系統共有111條匯編指令、42種助記符、7種尋址方式。如果講解過程還是采用匯編語言，由內部結構到指令系統再到設計實例這個步驟進行，那么，在講解程序時，只能使用文字說明的方法開表達每條匯編指令的功能及作用。最后，當所有的內容學完后，學生們甚至還沒弄明白MOVP0，#0FFH和MOV P0，#00H兩條指令，怎么就能使連接在單片機P0端口的8只LED點亮或熄滅？所以，這種程序設計方法很難掌握。如果學生們在學習過程中出現的疑問太多，而又得不到及時有效地解決，就會喪失學習的信心，失去繼續學習下去的興趣。

因此，依照高職學生的特點，課程內容應將單片機軟、硬件相關知識與單片機應用系統設計技能相融合，將陳舊的教學內容打亂，重構成若干個教學模塊，形成“訓練任務+相關知識學習”的課程結構體系。學生可以在動手“做”的過程中，學習到該任務涉及到的單片機原理與結構，獲得有關實踐操作的技巧和經驗。再進一步將這些學習到的知識、技巧和經驗應用到復雜一些的項目開發任務中。學生在這種“做中學、學中練”的認知活動中獲得很大的成就感和學習樂趣。在具體的實施過程中，最好是在具有實物投影的理實一體化實訓室內組織。教學時，先按照任務要求，搭建好硬件電路，將目標文件下載至單片機中（也可進行仿真演示），讓學生們觀看實際的效果，并理解任務要求的真實含義，以便在一開始就激發出學生們學習的興趣。然后引導學生一邊實操，一邊學習理論，直至任務完成，讓學生在“做”中體會和總結單片機的應用。同時，單片機開發用匯編語言的局限性必須打破。為符合“縮短開發周期，提高開發速度，降低開發成本”的實際要求，迎合企業中進行單片機應用系統開發的主流語言，課程教學的程序設計全部采用c語言進行，并把相關c語言知識融合在工作任務中，避免了把c語言單獨講解，而且老師易教，學生易學，讓學生在實操中逐步掌握編程的方法，達到學以致用。這樣，以若干個由淺人深的任務項目為教學核心，為這些任務配備必須掌握的基礎原理及硬件結構、軟件操作知識等，讓學生們一開始就能得到感性的認識，在學習的過程中逐步體會到成功的喜悅。職業教育的培養對象習慣于實際操作，通過實踐的體驗去感知一些基本的經驗性知識，在此感性認知的基礎上，他們很容易理解和掌握理論知識和方法，進而學會如何分析問題和解決問題。這樣，將十分有利于教學活動的順利開展。

三、建立仿真模擬實驗平臺。降低準入門檻

單片機是一門實踐性非常強的課程，想要學好單片機，最重要的是理論基礎知識的學習與模擬實驗相結合，必須要有強有力的實踐環節與之配合。在目前的單片機教學中，實驗環節往往依賴陳舊的實驗箱或購買的單片機學習開發板。這兩種方式，價格相對來說都比較昂貴，很多經費有限的學校來說，難以做到學生人手一機，導致學習門檻提高，多數學生難以跨人單片機學習的大門。鑒于這些原因，課程所有實驗內容均采用計算機進行仿真操作。仿真軟件使用近年來普遍采用的Proteus-7.8，目前主流計算機既可流暢運行。

按照授課的主要模塊內容，逐步繪制實驗仿真電路圖，當全部授課內容結束后，最終實現一個完整的單片機應用電路圖。將編譯成功的軟件直接放人，可進行各個授課內容的仿真，大大減少了單片機課程學習的成本和入門的難度。

仿真硬件部分的內容還可以進行擴展。對于單片機教學來說，要使學生能夠真正掌握，在經費充足的情況下，最好使用單片機實驗板進行。在具體操作過程中，可根據學生學習實際以及課程進展情況，將上面形成的仿真電路，由學生自己制作成實際的單片機實驗板。雖然學生自己做的實驗板沒有太多的功能，也不美觀，甚至還有許多損壞的部分，但是學生通過自己動手，不僅能夠了解單片機的各個引腳與外圍硬件電路是如何連接的，而且還訓練了學生器件焊接的能力，讓他們在輕松、有趣的教學環境中學習單片機的原理及外圍硬件電路的知識，進一步提高學生的感性認識，激發他們學習的興趣。

上述三方面的教學改革，立足實踐，不斷豐富課程的實踐化，使枯燥的理論知識具體化、形象化。這種任務驅動、理實結合、軟硬同步、循序漸進的教學模式充分激發學生的積極性和主動性，提升了學生的理論水平和動手能力。學生的崗位意識和新技術應用意識均得到明顯的提升。