蘇渤力，于瑞紅，王新剛，馬洪蕊

（防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 廊坊065201）

“單片機原理及應(yīng)用”課程講授8位、16位和32位微控制器的設(shè)計及應(yīng)用，是電子信息大類一門綜合性和實踐性較強的課程[1-2]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，微控制器作為核心控制器件在汽車電子、航天與國防、工業(yè)自動化與控制系統(tǒng)、無線基礎(chǔ)設(shè)施以及個人消費類電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該課程講授先進的微控制器架構(gòu)和外設(shè)、實時處理、數(shù)據(jù)分析和安全功能，使學(xué)生掌握如何提高微控制系統(tǒng)的自動化程度和能效[3-4]。為了提升學(xué)生進行高性能低功耗微控制系統(tǒng)設(shè)計的能力，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)達到企業(yè)和行業(yè)要求的綜合設(shè)計能力，課題組根據(jù)“單片機原理及應(yīng)用”課程的綜合性和實踐性，對課程的教學(xué)進行了創(chuàng)新嘗試和改進研究[5-6]，探索了項目式教學(xué)體系模式，提高教學(xué)內(nèi)容的深度、廣度和趣味性。實踐教學(xué)改革取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)模式探索

1.1 課堂講授與演示

各種型號的微控制器在具體的應(yīng)用領(lǐng)域均有獨特的優(yōu)勢，集成開發(fā)環(huán)境較多，微控制器是設(shè)計基礎(chǔ)，程序設(shè)計是核心。在教學(xué)中選擇uVision5 IDE集成開發(fā)環(huán)境介紹微控制器的架構(gòu)和外設(shè)應(yīng)用。根據(jù)課程的特點，學(xué)時安排為理論教學(xué)與上機實驗教學(xué)有機結(jié)合模式。理論教學(xué)中進行知識點的講授和演示，讓學(xué)生熟悉微控制器的架構(gòu)。例如寄存器的概念，學(xué)生經(jīng)常會覺得比較抽象，不易理解，此時就需要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊介紹什么是存儲器映射？存儲器本身不具有地址信息，由芯片廠商或者用戶給存儲器分配地址的過程就稱為存儲器映射。那什么是寄存器？給有特定功能的內(nèi)存單元分配名字，這個名字就是寄存器，給已經(jīng)分配好地址的有特定功能的內(nèi)存單元分配名字的過程就稱為寄存器映射。上機教學(xué)中以案例為目標(biāo)，讓學(xué)生自由編程，用不同的方式達到案例設(shè)計要求。以學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性為中心，教師輔助提示完成教學(xué)目標(biāo)，既讓學(xué)生掌握知識點，又激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)熱情。課后布置不同難度的練習(xí)題和上機題，進一步強化教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在程序設(shè)計的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而進一步提高微控制系統(tǒng)設(shè)計能力。

1.2 IDE和開發(fā)板綜合實驗

IDE集成開發(fā)環(huán)境使學(xué)生可以為開發(fā)板編寫程序設(shè)計代碼，同時可以使操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動程序、硬件抽象、協(xié)議和庫之間的無縫協(xié)同工作。IDE上機實驗中，學(xué)生自行創(chuàng)新編寫設(shè)計程序，調(diào)試和改進，能夠較好地掌握微控制器架構(gòu)，增強程序設(shè)計能力。開發(fā)板綜合實驗結(jié)合了具體的硬件，在教學(xué)中為學(xué)生組織了基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗以及開放性實驗，根據(jù)實驗室現(xiàn)有的微控制器實驗?zāi)K，學(xué)生自主完成硬件電路搭建，程序設(shè)計和調(diào)試，下載到硬件以及改進編程整個過程，完成微控制系統(tǒng)設(shè)計的同時，提升了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

1.3 開放實驗室

一個具體功能的實現(xiàn)可以通過不同的結(jié)構(gòu)和不同的思維方式，程序設(shè)計代碼效率也不同，往往有多種答案。因此在為學(xué)生開設(shè)的開放實驗室課程中，鼓勵學(xué)生多思考多討論，對比多組的程序設(shè)計效率來優(yōu)化代碼，鼓勵學(xué)生積極競爭，主動創(chuàng)新，在促進競爭的過程中調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，強化學(xué)習(xí)效果。開放實驗室課程不同于一般的理論或者實踐課程，不僅有教師的監(jiān)督和指導(dǎo)，同時有全天候的實驗室可以輔助學(xué)生創(chuàng)新，為學(xué)生營造了一個課下創(chuàng)新空間。

2 項目式教學(xué)體系建設(shè)

項目式教學(xué)體系建設(shè)旨在通過全過程的構(gòu)建和思考，提高應(yīng)用型本科的工程實踐能力，依托學(xué)科和行業(yè)背景，突出專業(yè)特色，構(gòu)建具有應(yīng)用型本科特色的工程項目式教學(xué)體系，主要從以下五個方面進行。

工程化實驗室環(huán)境：結(jié)合防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院三個工科專業(yè)特色，圍繞項目式教學(xué)實踐過程，依托多個創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室，搭建完整的項目架構(gòu)，開發(fā)流程管理、算法組和硬件組有機結(jié)合，同時兼顧團隊文化建設(shè)。

大精英團隊：由精英教師、高層次人才組成工程化指導(dǎo)團隊，明確指導(dǎo)時間。指導(dǎo)團隊人員構(gòu)成合理，團隊帶頭人起到關(guān)鍵核心作用，具備且不斷增強學(xué)科優(yōu)勢和特點。

項目內(nèi)容創(chuàng)新：項目主要來源是典型案例、教師研究項目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，結(jié)合行業(yè)工程實踐實際情況設(shè)計多層次、多項目課程體系，以綜合性、創(chuàng)新性、探究性、開放性評估學(xué)習(xí)效果。

學(xué)生團隊建設(shè)：根據(jù)工程化項目教學(xué)需要和學(xué)生個人優(yōu)勢分組，具體任務(wù)到個人，合作共同完成項目任務(wù)。學(xué)生團隊合作有如下幾點優(yōu)勢：①可以加快項目學(xué)習(xí)進度；②思想碰撞增進創(chuàng)新；③加強團隊默契；④學(xué)習(xí)成果個性化。

一流課程建設(shè)：按照“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的金課標(biāo)準(zhǔn)，將知識和能力素質(zhì)有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。整合已有的課程創(chuàng)新，進行“單片機原理及應(yīng)用”一流課程建設(shè)，項目式教學(xué)內(nèi)容要具有前沿性，教學(xué)形式呈現(xiàn)互動性，學(xué)習(xí)成果具有探究性和個性化特征。

3 應(yīng)用開發(fā)提升高級系統(tǒng)設(shè)計能力

“單片機原理及應(yīng)用”是一門綜合性、實踐性很強的課程，學(xué)生要真正掌握微控制器高級系統(tǒng)設(shè)計，還需要融合其他課程的知識，例如嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）、Linux、AI等。在5G新基建的時代背景下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)蓬勃發(fā)展，多省市均在積極建設(shè)智慧城市。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方面，采用中國移動OneNet平臺進行了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計，采用溫濕度傳感器、光強傳感器、加速度傳感器、三軸磁阻傳感器、Wi-Fi通信模塊以及NB-IOT通信模組來實現(xiàn)。以最新NB-IOT芯片為核心的NB-IOT通信模組，在典型應(yīng)用（PSM/RX）上功耗降低近50%，可以有效延長終端系統(tǒng)電池的壽命。

以智能水表系統(tǒng)的設(shè)計為例，搭載5 600 mAh鋰錳電池的NB水表，每天通信一次為200字節(jié)，模組集成了BLE5.0，解決了系統(tǒng)維護測試難點。傳統(tǒng)的電表采用紅外傳輸方案，在進行維護測試時，需要將支持紅外讀寫的定制終端與帶紅外讀寫器件的系統(tǒng)對準(zhǔn)，連接效率較低。而支持BLE5.0的NB-IOT通信模組，僅需使用PC或手機對水表系統(tǒng)進行通信，大大提高了連接效率。板載GNSS模塊，可為NB-IOT模組增加定位功能。智能水表方案不僅解決了人工抄表難題，同時實現(xiàn)了檢測管網(wǎng)水壓、同步流量對比、支撐分時計費等功能，而且能提前規(guī)避問題、定位或發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏水問題、提高水資源利用率。

早期的智能燃氣表，多是以“裸機開發(fā)”模式為主，智能設(shè)計的核心訴求是“遠程抄表”，隨著全面的信息化與智能化技術(shù)創(chuàng)新，智能燃氣表需要承擔(dān)的功能越來越多。例如，燃氣使用過程中非常重要的漏氣監(jiān)測、精確計量、遠程控制、信息安全管理等，“裸機開發(fā)”模式會極大增加研發(fā)和硬件系統(tǒng)成本。同時，在智慧城市領(lǐng)域，基于地區(qū)的集中調(diào)配、定價和管控等工作，都極大地依賴海量燃氣表的實時和多維信息互通，這就需要物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，開源的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)有OneOS、LiteOS、AliOS等。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)結(jié)合NB-IOT芯片，將數(shù)據(jù)處理與傳輸（傳感+互聯(lián)）結(jié)合在一起，不僅減少了體積，還實現(xiàn)了低功耗，支持智能燃氣表超長時間待機使用。

4 項目驅(qū)動式教學(xué)管理

“單片機原理及應(yīng)用”是專業(yè)性、可拓展性較強的課程，因此還為學(xué)生開設(shè)了開放實驗室課程和暑期實習(xí)等實踐活動，進一步提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力。為了有效促進學(xué)生的學(xué)習(xí)，采用項目驅(qū)動式教學(xué)，形成以項目進度為主線、以學(xué)生為主體、教師引導(dǎo)輔助、以綜合能力培養(yǎng)為基本特征的管理思路。教學(xué)管理主要采用5W2H項目管理法，即用5個W開頭的單詞和兩個H開頭的單詞進行設(shè)問，實現(xiàn)對項目的有效規(guī)劃和管理。具體到本課程則設(shè)計到以下幾個問題：①項目內(nèi)容（What）和預(yù)期目標(biāo)（Why）；②項目適用場景（Where）；③項目主體（Who）；④采用什么方法得到項目的預(yù)期效果（How）；⑤項目階段規(guī)劃（When）；⑥項目預(yù)算（How much）以及如何執(zhí)行預(yù)算。在項目實施階段，教師以學(xué)術(shù)交流的形式與學(xué)生定期研討，促進學(xué)生項目發(fā)展，及時引導(dǎo)學(xué)生解決關(guān)鍵技術(shù)問題，鼓勵學(xué)生積極創(chuàng)新，同時對創(chuàng)新可能增加的成本予以支持，學(xué)術(shù)研討結(jié)果由學(xué)生整理記錄歸檔，并及時進行歸納總結(jié)。項目以學(xué)生匯報形式驗收，組織多名教師為學(xué)生進行項目評審，按照項目介紹、解決的主要問題、創(chuàng)新性和探究性等給出相應(yīng)的分數(shù)。

5 結(jié)束語

根據(jù)“單片機原理及應(yīng)用”課程的特點，通過項目式教學(xué)體系建設(shè)和行業(yè)應(yīng)用實踐對課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進行了探索，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和AI項目系統(tǒng)設(shè)計方面與時俱進，設(shè)計案例具有實踐性、探究性和前沿性。在今后的教學(xué)中，課題組在新工科形式下，不斷探索拓展課程的深度和廣度，在實踐中總結(jié)經(jīng)驗，不斷完善項目式教學(xué)體系，構(gòu)建以學(xué)生發(fā)展為中心的項目式教學(xué)體系，進一步提升教學(xué)質(zhì)量。