融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)改革與實(shí)踐

林燁

【摘 要】 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)相關(guān)人才提出了新的要求。在職業(yè)學(xué)校的單片機(jī)教學(xué)中有必要融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高課程的職業(yè)性和應(yīng)用性。本文主要分析了傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，以及單片機(jī)課程中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)分析，重點(diǎn)闡述了融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)中的改革與實(shí)踐，最后說(shuō)明教學(xué)實(shí)踐成效。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)? 單片機(jī)教學(xué)? 教學(xué)改革

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，在生產(chǎn)生活各領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，社會(huì)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人才需求量也逐漸加大。在職業(yè)學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系中，單片機(jī)技術(shù)課程屬于專業(yè)核心課，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)觀念和教學(xué)內(nèi)容都已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展需求，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，積極創(chuàng)新改革單片機(jī)課程教學(xué)。

一、傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)和融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)分析

當(dāng)前，在職業(yè)學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)中，單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展非常重要，教師必須對(duì)單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容重新進(jìn)行審視，引導(dǎo)學(xué)生在了解單片機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上，能夠基于它進(jìn)行各種應(yīng)用。然而，在傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)中，教師一般先講授一些晦澀難懂的理論知識(shí)，展示給學(xué)生標(biāo)注有各類引腳的電路設(shè)計(jì)圖，直接導(dǎo)致學(xué)生有畏難情緒，不利于后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般通過(guò)各類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基礎(chǔ)編程和接口應(yīng)用的演示，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，忽視了實(shí)際構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的需求，在學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后，依然無(wú)法理解單片機(jī)是如何在實(shí)際工作中進(jìn)行應(yīng)用的，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用能力得不到有效培養(yǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)核心內(nèi)容就是促進(jìn)物與物的相連、人與物的信息交互，其具有智能傳輸和全面感知等特點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架中，傳感技術(shù)與無(wú)線通信的應(yīng)用是其核心的部分，而它們與單片機(jī)又有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，因此結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠創(chuàng)新單片機(jī)教學(xué)觀念和教學(xué)手段，豐富教學(xué)內(nèi)容，為單片機(jī)教學(xué)提供更多的實(shí)踐方式。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和單片機(jī)教學(xué)相結(jié)合，把理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力，從根本上提升學(xué)生的職業(yè)技能水平，實(shí)現(xiàn)真正的“學(xué)以致用”。

二、融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)改革建議

1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入單片機(jī)課程內(nèi)容

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程內(nèi)容，常常圍繞單片機(jī)本身的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，缺乏基于單片機(jī)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)只是停留在單片機(jī)本身的知識(shí)掌握和基本使用，例如流水燈、中斷、定時(shí)器＼計(jì)數(shù)器應(yīng)用和串口通信等，而在結(jié)合生產(chǎn)生活方面的應(yīng)用上乏善可陳。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其非常適合融入到單片機(jī)的教學(xué)中。因此，需要優(yōu)化單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容，融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體現(xiàn)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用性。例如教師可以選擇目前主流的STM32單片機(jī)來(lái)進(jìn)行教學(xué)，在其基礎(chǔ)之上增加物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，例如在無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用上，主要包括基于BasicRF的無(wú)線通信應(yīng)用、NB-IOT聯(lián)網(wǎng)通信和Lora通信;在傳感器的應(yīng)用上，主要包括模擬量采集和數(shù)字量采集。這些技術(shù)的教學(xué)應(yīng)該在學(xué)生已掌握單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)觀察如何實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)為載體，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)采集，使學(xué)生先有感官認(rèn)知，然后在代碼解析與編寫環(huán)節(jié)，以“夠用為度”為準(zhǔn)則，講解實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體功能的應(yīng)用代碼為主，包括庫(kù)文件的導(dǎo)入，功能函數(shù)的選取和調(diào)用，以及工程的調(diào)試等，讓學(xué)生充分理解單片機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是如何進(jìn)行融合和應(yīng)用的。

2. 搭建有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

古話說(shuō)的好，“工欲善其事，必先利其器”，部分職業(yè)學(xué)校在單片機(jī)的教學(xué)中采用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于目前大部分仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)功能有限，若要融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是不可行的，而且實(shí)際設(shè)備的調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，需要學(xué)生探究解決，這也是仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到的。這種“器”忽視了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)踐能力相互脫離，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量無(wú)法得到有效的提升。因此需要在單片機(jī)課程教學(xué)中搭建出務(wù)實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠幫助完善單片機(jī)課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并具有可擴(kuò)展性，真正培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐應(yīng)用能力。

目前，市面上的單片機(jī)教學(xué)套件種類繁多，學(xué)校可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，選購(gòu)一款合適的產(chǎn)品進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)。例如，我校主要使用基于STM32單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱，同時(shí)具有適合于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)的無(wú)線模組套件、各類傳感器套件以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，既兼顧演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、又考慮到課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)的需要，具有良好的可擴(kuò)展性，同時(shí)使用目前主流的Keil/IAR 編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，盡可能實(shí)現(xiàn)與企業(yè)實(shí)際需求的銜接，體現(xiàn)職業(yè)教育緊密聯(lián)系市場(chǎng)需求的特點(diǎn)。

3. 優(yōu)化課堂教學(xué)方法方式

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和單片機(jī)課程教學(xué)的融合，需要教師使用多樣化的教學(xué)方法方式，營(yíng)造良好的教學(xué)氛圍，才能起到良好的教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中教師要重視發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升教學(xué)趣味性，同時(shí)盡可能將復(fù)雜、抽象的知識(shí)概念簡(jiǎn)單化、形象化，讓學(xué)生最大限度的理解和掌握。例如，定時(shí)器的學(xué)習(xí)是單片機(jī)的重要組成部分，而計(jì)數(shù)器則是定時(shí)器學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)，對(duì)于它的理解直接決定是否能夠很好的應(yīng)用單片機(jī)的定時(shí)器功能。教師可以首先為學(xué)生創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，以網(wǎng)線長(zhǎng)度測(cè)量為例，把網(wǎng)線繞在周長(zhǎng)為1米的輪子上，以此計(jì)算輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，從而算出網(wǎng)線的長(zhǎng)度，而單片機(jī)的計(jì)數(shù)器運(yùn)行功能大致上相同，不過(guò)并不是網(wǎng)線長(zhǎng)度測(cè)量中計(jì)算輪子的圈數(shù)，而是在單片機(jī)的計(jì)數(shù)器中計(jì)算出特定引腳進(jìn)入的脈沖個(gè)數(shù)。同時(shí)，單片機(jī)一般提供幾種類型的計(jì)數(shù)器，教師可以將計(jì)數(shù)器以坐標(biāo)軸的方式呈現(xiàn)，通過(guò)圖形對(duì)比，讓學(xué)生理解不同計(jì)數(shù)器是如何計(jì)數(shù)的，其峰值的區(qū)別在哪里？在什么場(chǎng)合應(yīng)用哪種計(jì)數(shù)器比較合適？這種通過(guò)類比、圖形說(shuō)明的方式充分考慮了職業(yè)教育中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，讓學(xué)生更加直觀的理解相關(guān)知識(shí)和概念。

4. 實(shí)踐性教學(xué)改革

在單片機(jī)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，要努力創(chuàng)設(shè)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，面向?qū)嶋H工作領(lǐng)域的應(yīng)用項(xiàng)目，提升技能的實(shí)際應(yīng)用水平。我們以NB-IOT數(shù)據(jù)傳輸為例，它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以單片機(jī)為載體實(shí)現(xiàn)的一種無(wú)線通信技術(shù)，我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)一個(gè)“采集智能路燈數(shù)據(jù)”的項(xiàng)目，使用NB-IOT無(wú)線通信模塊（筆者使用利爾達(dá)NB86系列模塊）將采集到的光照數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。為了讓學(xué)生能夠完成該項(xiàng)目，需要由淺入深拆解成若干個(gè)小任務(wù)，而且這些小任務(wù)是既相互獨(dú)立，難度又逐級(jí)遞增的，分別是使用AT指令調(diào)試NB-IOT模塊、燒寫“智能路燈”程序、NB-IOT接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和關(guān)鍵代碼解析。每一個(gè)任務(wù)都是基于前面一個(gè)任務(wù)的基礎(chǔ)之上完成的，在此過(guò)程中先讓學(xué)生自己觀看操作視頻，再動(dòng)手實(shí)際操作，充分發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性，教師在此過(guò)程中要起到引導(dǎo)和輔助的關(guān)鍵作用，及時(shí)幫助學(xué)生解決遇到的各種問(wèn)題，以便后期教學(xué)反思，對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。學(xué)生以實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)看到智能路燈傳遞過(guò)來(lái)的光照數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)成功的標(biāo)志。然后，教師在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再對(duì)關(guān)鍵代碼進(jìn)行講解。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，這種在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中以拆解的各個(gè)小任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，同時(shí)配合信息化手段（如微課視頻），以學(xué)生動(dòng)手為主，教師引導(dǎo)、輔助的教學(xué)手段能夠在實(shí)踐性教學(xué)中發(fā)揮良好的作用，提升了課堂效率，提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

5. 構(gòu)建合理的學(xué)習(xí)成效評(píng)價(jià)

目前，比較合理的學(xué)習(xí)成效評(píng)價(jià)應(yīng)該充分考慮不同層次學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的掌握情況。鑒于融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)課程，筆者認(rèn)為其評(píng)價(jià)內(nèi)容可以這樣設(shè)計(jì)，例如，我們?cè)谥v授模擬量數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容時(shí)，會(huì)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，即利用單片機(jī)上的接口獲取某個(gè)傳感器（例如光照傳感器）的值，并設(shè)置一個(gè)臨界值，當(dāng)光照值低于這個(gè)臨界值時(shí)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)板上自帶LED燈的流水效果，高于這個(gè)臨界值時(shí)，停止當(dāng)前流水效果并熄滅所有LED燈。在評(píng)價(jià)這樣一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)該把實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)采集到傳感器的數(shù)據(jù)值作為每個(gè)學(xué)生必須掌握的內(nèi)容，而對(duì)于臨界值判斷的反饋，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)板上所有LED燈的全亮或全滅則評(píng)為合格，如果能夠?qū)崿F(xiàn)板上不同LED燈的有規(guī)律亮滅（例如4個(gè)LED燈每隔0.5秒從左到右依次亮起/熄滅）則評(píng)為優(yōu)良。也就是說(shuō)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)效果的難易程度分為基本要求和進(jìn)階要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層次學(xué)生的差異化要求，讓每個(gè)學(xué)生學(xué)有所得。

6. 教學(xué)實(shí)踐成效

筆者所在學(xué)校在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)試點(diǎn)改革《單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》課程一年有余，通過(guò)整合教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改進(jìn)優(yōu)化教學(xué)方法，實(shí)施實(shí)踐性教學(xué)改革，進(jìn)行差異化的教學(xué)成效評(píng)價(jià)等，學(xué)生能夠在實(shí)踐周活動(dòng)中，以小組合作的方式，利用STM32開(kāi)發(fā)板和相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)套件進(jìn)行集成和開(kāi)發(fā)，雖然都是一些小物件的制作，但讓學(xué)生體會(huì)到了成就感，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)，總體成效良好。

三、小結(jié)

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，如果職業(yè)學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)要緊跟時(shí)代步伐，培養(yǎng)合格的技能應(yīng)用型人才，在單片機(jī)的教學(xué)中必須融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力，這樣才能使學(xué)生在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

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