鄭一力，趙燕東，葛桃桃，陳善安

（北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，它代表了下一代信息發(fā)展的重要方向。我國(guó)已將“物聯(lián)網(wǎng)”明確列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和2050年國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)路線圖。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用涉及智能交通、文化教育、環(huán)境保護(hù)、公共安全、平安家居等多個(gè)領(lǐng)域，將極大改變我們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式［1－3］。

本文重點(diǎn)探討了以物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)帶動(dòng)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐方法的改革，突出培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的綜合應(yīng)用能力。

1 單片機(jī)教學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是高等院校電類和機(jī)械類等專業(yè)的基礎(chǔ)課［4－5］，了解單片機(jī)的工作原理，掌握單片機(jī)技術(shù)，特別是具備基本應(yīng)用操作技能，成為相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的重要任務(wù)［6］。傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)以典型的80C51系列8位單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用為主線，教學(xué)中理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課堂教學(xué)需要給學(xué)生提供較為直觀和實(shí)用的設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)驗(yàn)中突出培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力［7－］。采用傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)方式，學(xué)生可掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)編程方法和接口基本使用，而針對(duì)實(shí)際需求構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力還有一定的欠缺。

物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可以概括為全面感知、可靠傳輸與智能處理［10］。物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)中關(guān)鍵技術(shù)都會(huì)涉及到單片機(jī)的相關(guān)應(yīng)用，為單片機(jī)教學(xué)改革提供了豐富的教學(xué)題材、內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法［11－12］。將物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這門以實(shí)踐為主的教學(xué)中，可鍛煉學(xué)生構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)解決實(shí)際問題的綜合設(shè)計(jì)能力，也為學(xué)生將來在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的就業(yè)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

2 教學(xué)內(nèi)容和方法改革

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容包括80C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編程序設(shè)計(jì)、中斷技術(shù)、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、、串行通信、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)、接口系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等。筆者在本課程改革實(shí)踐中，將教學(xué)過程分為基礎(chǔ)教學(xué)階段和課程設(shè)計(jì)階段?；A(chǔ)教學(xué)階段的課程采用集中授課的方式完成，安排了38學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)和10學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”以實(shí)踐為主的特點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，在基礎(chǔ)教學(xué)階段結(jié)束后，在后半學(xué)期增加了單片機(jī)課程設(shè)計(jì)階段，讓學(xué)生利用課余時(shí)間完成可現(xiàn)場(chǎng)演示的單片機(jī)實(shí)物作品。教學(xué)內(nèi)容和方法改革的具體內(nèi)容如下。

2.1 課堂教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)安排

相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)，38學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)計(jì)劃見表1。此教學(xué)計(jì)劃壓縮了單片機(jī)指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計(jì)的教學(xué)時(shí)間，只講述最常用的幾個(gè)80C51單片機(jī)匯編指令以及循環(huán)和分支程序設(shè)計(jì)的方法，增加了實(shí)用的單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)突出了單片機(jī)常用接口設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容。

表1 單片機(jī)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)和內(nèi)容計(jì)劃表

其中，用14學(xué)時(shí)對(duì)時(shí)鐘接口、AD／DA接口、GPRS接口、藍(lán)牙接口、溫度傳感器、濕度傳感器這一部分主要做接口芯片或傳感器的功能與使用方法的簡(jiǎn)介，并提供給學(xué)生相關(guān)參考文獻(xiàn)和例程，以學(xué)生課下自學(xué)掌握為主。這一部分的知識(shí)需要用到后續(xù)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)階段。

2.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課時(shí)安排

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一共10學(xué)時(shí)，與38學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)穿插進(jìn)行，其目的是讓學(xué)生動(dòng)手掌握80C51單片機(jī)的基礎(chǔ)編程方法和各個(gè)片內(nèi)接口的使用。在實(shí)驗(yàn)中使用了80C51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)2個(gè)人為一組進(jìn)行，編程建議采用匯編語言完成，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生用C語言和經(jīng)典的Keil C開發(fā)環(huán)境完成，實(shí)驗(yàn)的題目和要求見表2。

表2 單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和內(nèi)容計(jì)劃表

這5個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)涵蓋了80C51單片機(jī)基本接口使用和程序設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中，要求學(xué)生必須在上機(jī)前編寫好程序，在實(shí)驗(yàn)室中集中時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，使學(xué)生完整了解單片機(jī)的基本使用方法，為后續(xù)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的深入實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

2.3 課程設(shè)計(jì)階段安排

在完成單片機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)階段的課堂教學(xué)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生自主分組和選題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)，在課余時(shí)間完成基于80C51單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可現(xiàn)場(chǎng)演示的課程設(shè)計(jì)作品。這部分教學(xué)不再集中講授，采用了項(xiàng)目責(zé)任制的課程設(shè)計(jì)方案，每個(gè)作品由3～4名學(xué)生組合完成，每組由一個(gè)組長(zhǎng)負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)，每個(gè)組員在項(xiàng)目中側(cè)重完成不同的任務(wù)，最后完成實(shí)物作品的整合，在課程設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。

課程設(shè)計(jì)的作品需要使用80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)板，同時(shí)根據(jù)題目需要使用物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、GPRS通訊、RFID或無線傳感網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。每個(gè)設(shè)計(jì)題目由教師確認(rèn)后開始實(shí)施，學(xué)生通過資料查閱確定設(shè)計(jì)題目，親自動(dòng)手完成作品的電路設(shè)計(jì)、芯片焊接、導(dǎo)線連接、代碼編寫和調(diào)試等一系列手工任務(wù)。

課程設(shè)計(jì)考核要求包括方案設(shè)計(jì)合理性和創(chuàng)新性、報(bào)告完整性、作品演示效果、結(jié)果數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，以分組答辯的形式完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)，通過綜合表現(xiàn)來給學(xué)生評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。表3給出了部分課程設(shè)計(jì)作品名稱和簡(jiǎn)介。

表3 部分單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的題目與內(nèi)容

在課程設(shè)計(jì)最后，教師集中對(duì)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，指出各組設(shè)計(jì)不合理或制作不規(guī)范等問題，培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思路和操作規(guī)范，同時(shí)選拔出優(yōu)秀的作品和隊(duì)員參加全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學(xué)科競(jìng)賽。

通過以上課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，充分了解一個(gè)具體項(xiàng)目從選題、立項(xiàng)、分析到完成的整個(gè)過程。對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、動(dòng)手能力、組織管理能力和文本書寫能力具有較好的推動(dòng)作用，為學(xué)生日后的工作和科研實(shí)踐提供了扎實(shí)的技能基礎(chǔ)，獲得較好的課程評(píng)價(jià)。同時(shí)，基于本課程教學(xué)改革實(shí)踐的成果，北京林業(yè)大學(xué)參加了2011年至2013年全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，共獲得國(guó)家特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

4 結(jié)束語

實(shí)踐結(jié)果表明，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在單片機(jī)教學(xué)中，使“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的理論教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)一步緊密結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容和手段，培養(yǎng)了學(xué)生思維創(chuàng)新、資料查閱、方案論證、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試、人際交往與協(xié)作團(tuán)隊(duì)精神等綜合能力，這與高等院校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)相一致，使學(xué)生跟上信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展需求，將創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際成果的重要手段，為學(xué)生未來的工作和科研深造提供了鍛煉機(jī)會(huì)。

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