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(jī)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(jì)及應(yīng)用，是電子信息大類一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程[1-2]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，微控制器作為核心控制器件在汽車電子、航天與國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)、無線基礎(chǔ)設(shè)施以及個(gè)人消費(fèi)類電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該課程講授先進(jìn)的微控制器架構(gòu)和外設(shè)、實(shí)時(shí)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(dòng)化程度和能效[3-4]。為了提升學(xué)生進(jìn)行高性能低功耗微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)達(dá)到企業(yè)和行業(yè)要求的綜合設(shè)計(jì)能力，課題組根據(jù)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的綜合性和實(shí)踐性，對(duì)課程的教學(xué)進(jìn)行了創(chuàng)新嘗試和改進(jìn)研究[5-6]，探索了項(xiàng)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(shí)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(hào)的微控制器在具體的應(yīng)用領(lǐng)域均有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，集成開發(fā)環(huán)境較多，微控制器是設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，程序設(shè)計(jì)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(diǎn)，學(xué)時(shí)安排為理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合模式。理論教學(xué)中進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)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(huì)覺得比較抽象，不易理解，此時(shí)就需要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)介紹什么是存儲(chǔ)器映射？存儲(chǔ)器本身不具有地址信息，由芯片廠商或者用戶給存儲(chǔ)器分配地址的過程就稱為存儲(chǔ)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(gè)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(jī)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(dá)到案例設(shè)計(jì)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(shí)點(diǎn)，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(jī)題，進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在程序設(shè)計(jì)的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而進(jìn)一步提高微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

1.2 IDE和開發(fā)板綜合實(shí)驗(yàn)

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(jì)代碼，同時(shí)可以使操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、硬件抽象、協(xié)議和庫(kù)之間的無縫協(xié)同工作。IDE上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自行創(chuàng)新編寫設(shè)計(jì)程序，調(diào)試和改進(jìn)，能夠較好地掌握微控制器架構(gòu)，增強(qiáng)程序設(shè)計(jì)能力。開發(fā)板綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以及開放性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的微控制器實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生自主完成硬件電路搭建，程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，下載到硬件以及改進(jìn)編程整個(gè)過程，完成微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提升了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

1.3 開放實(shí)驗(yàn)室

一個(gè)具體功能的實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)室課程中，鼓勵(lì)學(xué)生多思考多討論，對(duì)比多組的程序設(shè)計(jì)效率來優(yōu)化代碼，鼓勵(lì)學(xué)生積極競(jìng)爭(zhēng)，主動(dòng)創(chuàng)新，在促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)的過程中調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。開放實(shí)驗(yàn)室課程不同于一般的理論或者實(shí)踐課程，不僅有教師的監(jiān)督和指導(dǎo)，同時(shí)有全天候的實(shí)驗(yàn)室可以輔助學(xué)生創(chuàng)新，為學(xué)生營(yíng)造了一個(gè)課下創(chuàng)新空間。

2 項(xiàng)目式教學(xué)體系建設(shè)

項(xiàng)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(shí)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(xiàng)目式教學(xué)體系，主要從以下五個(gè)方面進(jìn)行。

工程化實(shí)驗(yàn)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(gè)工科專業(yè)特色，圍繞項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐過程，依托多個(gè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，搭建完整的項(xiàng)目架構(gòu)，開發(fā)流程管理、算法組和硬件組有機(jī)結(jié)合，同時(shí)兼顧團(tuán)隊(duì)文化建設(shè)。

大精英團(tuán)隊(duì)：由精英教師、高層次人才組成工程化指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，明確指導(dǎo)時(shí)間。指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)人員構(gòu)成合理，團(tuán)隊(duì)帶頭人起到關(guān)鍵核心作用，具備且不斷增強(qiáng)學(xué)科優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

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

學(xué)生團(tuán)隊(duì)建設(shè)：根據(jù)工程化項(xiàng)目教學(xué)需要和學(xué)生個(gè)人優(yōu)勢(shì)分組，具體任務(wù)到個(gè)人，合作共同完成項(xiàng)目任務(wù)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①可以加快項(xiàng)目學(xué)習(xí)進(jìn)度；②思想碰撞增進(jìn)創(chuàng)新；③加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)默契；④學(xué)習(xí)成果個(gè)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(shí)和能力素質(zhì)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維。整合已有的課程創(chuàng)新，進(jìn)行“單片機(jī)原理及應(yīng)用”一流課程建設(shè)，項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容要具有前沿性，教學(xué)形式呈現(xiàn)互動(dòng)性，學(xué)習(xí)成果具有探究性和個(gè)性化特征。

3 應(yīng)用開發(fā)提升高級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生要真正掌握微控制器高級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還需要融合其他課程的知識(shí)，例如嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、Linux、AI等。在5G新基建的時(shí)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(jì)方面，采用中國(guó)移動(dòng)OneNet平臺(tái)進(jìn)行了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用溫濕度傳感器、光強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)終端系統(tǒng)電池的壽命。

以智能水表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hù)測(cè)試難點(diǎn)。傳統(tǒng)的電表采用紅外傳輸方案，在進(jìn)行維護(hù)測(cè)試時(shí)，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(duì)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(jī)對(duì)水表系統(tǒng)進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)管網(wǎng)水壓、同步流量對(duì)比、支撐分時(shí)計(jì)費(fèi)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?xì)獗?，多是以“裸機(jī)開發(fā)”模式為主，智能設(shè)計(jì)的核心訴求是“遠(yuǎn)程抄表”，隨著全面的信息化與智能化技術(shù)創(chuàng)新，智能燃?xì)獗硇枰袚?dān)的功能越來越多。例如，燃?xì)馐褂眠^程中非常重要的漏氣監(jiān)測(cè)、精確計(jì)量、遠(yuǎn)程控制、信息安全管理等，“裸機(jī)開發(fā)”模式會(huì)極大增加研發(fā)和硬件系統(tǒng)成本。同時(shí)，在智慧城市領(lǐng)域，基于地區(qū)的集中調(diào)配、定價(jià)和管控等工作，都極大地依賴海量燃?xì)獗淼膶?shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了低功耗，支持智能燃?xì)獗沓L(zhǎng)時(shí)間待機(jī)使用。

4 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)管理

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是專業(yè)性、可拓展性較強(qiáng)的課程，因此還為學(xué)生開設(shè)了開放實(shí)驗(yàn)室課程和暑期實(shí)習(xí)等實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)一步提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。為了有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，形成以項(xiàng)目進(jìn)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(xiàng)目管理法，即用5個(gè)W開頭的單詞和兩個(gè)H開頭的單詞進(jìn)行設(shè)問，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的有效規(guī)劃和管理。具體到本課程則設(shè)計(jì)到以下幾個(gè)問題：①項(xiàng)目?jī)?nèi)容（What）和預(yù)期目標(biāo)（Why）；②項(xiàng)目適用場(chǎng)景（Where）；③項(xiàng)目主體（Who）；④采用什么方法得到項(xiàng)目的預(yù)期效果（How）；⑤項(xiàng)目階段規(guī)劃（When）；⑥項(xiàng)目預(yù)算（How much）以及如何執(zhí)行預(yù)算。在項(xiàng)目實(shí)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(jìn)學(xué)生項(xiàng)目發(fā)展，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生解決關(guān)鍵技術(shù)問題，鼓勵(lì)學(xué)生積極創(chuàng)新，同時(shí)對(duì)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(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)。項(xiàng)目以學(xué)生匯報(bào)形式驗(yàn)收，組織多名教師為學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)審，按照項(xiàng)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?jǐn)?shù)。

5 結(jié)束語

根據(jù)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)，通過項(xiàng)目式教學(xué)體系建設(shè)和行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行了探索，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和AI項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面與時(shí)俱進(jìn)，設(shè)計(jì)案例具有實(shí)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(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善項(xiàng)目式教學(xué)體系，構(gòu)建以學(xué)生發(fā)展為中心的項(xiàng)目式教學(xué)體系，進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量。