物联网时代高职院校单片机课程改革与实践教学研究

姬翔宇

摘要：目前大多数高职院校单片机课程教学无论是教学方法还是实验手段均已落后，无法适应物联网时代技术要求。本文分别从适用性高职教材建设、实例化教学内容改革及经济型仿真实验平台构建三大方面进行探讨和研究，不仅能够激发学生学习该课程的兴趣，而且还可以改变高职院校单片机课程教学中实践环节落后的现状。

关键词：物联网；单片机；模拟仿真；计算机应用技术

目前，我国拥有物联网应用技术专业的高等职业院校普遍开设有《单片机应用技术》课程。该课程既是该专业的核心课，也是各级各类职业技能竞赛中的主要实践教学环节。

长期以来，《单片机应用技术》课程的教学内容都是从MCS-51系列单片机的结构、指令系统、汇编语言程序设计出发，再到定时，计数器和中断系统、存储器及接口、单片机通信技术，最后再辅以几个简单的单片机应用。这样的教学内容，一方面学生学习的难度大，另一方面与企业的主体需求有一定的差距。鉴于这种现状以及高职教育培养目标的现实需要，《单片机应用技术》课程必须进行改革。

作者近期走访的多所院校，单片机课程的教学方法依然陈旧。从教学方法上看，灌输式课堂教学固然有它的好处，但也抑制了学生学习的主动性；从实验手段上看，多数学校没有重视实践教学，缺少直观的实验方法。随着硬件技术的不断提高，那些老旧的单片机实验箱和实验台早已无法满足课程实践的要求。最终，在学习的过程中，理论和实践脱节严重，学生们缺乏动手能力和创新意识。

近年来，我国正处于物联网技术的井喷时代。物联网技术使人类在信息的世界里获得一个崭新的互通方式，从而打破了原有的思维模式。让人类社会的信息连接方式从任何地点、任何时间的人与人之间的沟通和连接，扩展到任何时间和任何地点物与物，人与物之间的沟通和连接。物联网带来了信息技术新的增长点，作为新一代信息技术的代表，物联网通过汇集、整合和连接现有的技术，推进了技术的升级，给徘徊已久、疲态渐显的信息技术带来了新的前景和目标。物联网实现了信息技术精确的控制、通信和计算功能，以全面感知、互通互联和智慧运行为技术特征，对信息技术提出了很大的挑战，也提供了广阔的发展空间。目前，物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，物联网已上升为国家战略，成为下一阶段IT产业的任务。基于这种形式，当今各个高校基本上所有的计算机类专业对单片机课程的教学都有了新的、紧迫的要求。在教学内容上，一方面要迎合最新技术的发展；另一方面，还要尽可能衔接物联网专业课程体系，否则就会与当今技术的发展状况严重脱节，教学缺乏时效性。那么，在当今物联网时代下，高职院校的单片机课程，如何才能体现出目前的新技术、新要求？对于物联网应用技术专业，如何做到单片机课程和其他专业课程有效贯通？如何构建单片机教学内容，从而适应物联网相关岗位的技能需求？在现有的实训条件下，如何加大实验实训力度，提升学生学习的兴趣，提高教学质量？经过多年的单片机教学工作，作者提出从以下三个方面的改革措施，解决目前单片机教学中出现的问题：

一、选择合适的教材

单片机课程对高职学生来说是一门比较难学的课程。它包括了模拟/数字电路技术、接口技术、软件编程技术、传感器技术、通讯技术和机械传动技术等众多基础知识。绝大多数高职院校都在第三学期开设本门课。这就意味着学生不可能在学习之初就掌握大量的前置内容。因此，选择一套难度适中、内容全面，同时又符合学生认知规律的教材，就显得尤为重要。因此，在教材研究上，有如下构思：

（一）根据人才培养目标，选择一本深浅适中、理实结合、内容新、结构合理的教材作为学生的参考教材。教材内容首先应打破原有的理论体系，重构课程内容，用实例组织单元教学；其次，所选用的教材应融“教、学、做”于一体，体现职业教育的实践性特点；第三，能反映目前企业的需求，突出教材的实用性和实效性，同时贴近职业岗位的需求。

（二）为了符合高职学生的认知特点，在选定了参考教材的基础上，应组织编写一本校内主讲教材。主讲教材应遵循职业教育的特点，尽可能由实训部分组成，包括职业导向、教学目的、知识讲解、梳理与总结等内容。这样，有利于教师有重点地开展教学过程，也有利于学生及时了解教材相关的职业特点，并且可以对教材内容进行高效率的自学。其中“职业导向”模块说明实训部分培养能力的应用岗位；“教学目的”模块为实训模块提供学习过程指导；“知识梳理与总结”模块将主要内容进行提炼与归纳，以便学生能够进行复习总结。在主讲教材编写过程中，应采用近年来单片机应用产品开发所用的流行语言，同时将其融合到各个实训项目中去，避免单独讲解编程语言。在叙述方式上，避免刻板的描述文字，尽量使用与实践相关的图、表，在列出必备的器件清单等细节内容，引导学生自己动手完成设计。原理性内容叙述简约，将一些知识转变成小问答，小技能等方式进行描述，增加教材表现形式和可读性。在教材的配套资源上，应配备相应的教学课件及所有实训的演示程序，将程序尽可能详细地加入注释，方便学生学习。

二、重构课程内容。用实例组织单元教学

在实际生活中，处处都可以看见单片机的影子。但是，在学习的过程中，学生们普遍反应课程太抽象、难以理解。因此，在教学过程中，应依据高职教育培养高端技能型人才的目标，结合高职学生的学习能力，遵循由浅人深、由简单到复杂的认知规律，以学生为教学主体，通过一个个典型的单片机开发实例，逐步引导学生自己动手完成设计。这样，可以收到很好的教学效果，也很容易激发学生的学习兴趣。

传统的单片机教学，都是先介绍MCS.5l系列单片机的硬件结构，接着学习指令系统和汇编语言程序设计，然后讲述单片机的中断系统和各种外围器件的应用，最后再辅以2～3个系统综合设计实例。以这样的方式展开教学，学生们肯定会感到难学。试想一下，对于刚刚步入高职二年级的学生来说，他们很可能都没有系统学习过计算机的结构，甚至连数字电路也是起步不久。而要他们在短时间内理解单片机内部结构，并且还能加以应用，这着实不是一件容易的事。另外，以往的单片机教学中，程序都是采用汇编语言进行编写的。用汇编语言设计单片机应用程序虽然灵活，但是对与刚刚接触的人来说，是非常不容易理解的。比如，Intel 805l单片机，它的指令系统共有111条汇编指令、42种助记符、7种寻址方式。如果讲解过程还是采用汇编语言，由内部结构到指令系统再到设计实例這个步骤进行，那么，在讲解程序时，只能使用文字说明的方法开表达每条汇编指令的功能及作用。最后，当所有的内容学完后，学生们甚至还没弄明白MOVP0，#0FFH和MOV P0，#00H两条指令，怎么就能使连接在单片机P0端口的8只LED点亮或熄灭？所以，这种程序设计方法很难掌握。如果学生们在学习过程中出现的疑问太多，而又得不到及时有效地解决，就会丧失学习的信心，失去继续学习下去的兴趣。

因此，依照高职学生的特点，课程内容应将单片机软、硬件相关知识与单片机应用系统设计技能相融合，将陈旧的教学内容打乱，重构成若干个教学模块，形成“训练任务+相关知识学习”的课程结构体系。学生可以在动手“做”的过程中，学习到该任务涉及到的单片机原理与结构，获得有关实践操作的技巧和经验。再进一步将这些学习到的知识、技巧和经验应用到复杂一些的项目开发任务中。学生在这种“做中学、学中练”的认知活动中获得很大的成就感和学习乐趣。在具体的实施过程中，最好是在具有实物投影的理实一体化实训室内组织。教学时，先按照任务要求，搭建好硬件电路，将目标文件下载至单片机中（也可进行仿真演示），让学生们观看实际的效果，并理解任务要求的真实含义，以便在一开始就激发出学生们学习的兴趣。然后引导学生一边实操，一边学习理论，直至任务完成，让学生在“做”中体会和总结单片机的应用。同时，单片机开发用汇编语言的局限性必须打破。为符合“缩短开发周期，提高开发速度，降低开发成本”的实际要求，迎合企业中进行单片机应用系统开发的主流语言，课程教学的程序设计全部采用c语言进行，并把相关c语言知识融合在工作任务中，避免了把c语言单独讲解，而且老师易教，学生易学，让学生在实操中逐步掌握编程的方法，达到学以致用。这样，以若干个由浅人深的任务项目为教学核心，为这些任务配备必须掌握的基础原理及硬件结构、软件操作知识等，让学生们一开始就能得到感性的认识，在学习的过程中逐步体会到成功的喜悦。职业教育的培养对象习惯于实际操作，通过实践的体验去感知一些基本的经验性知识，在此感性认知的基础上，他们很容易理解和掌握理论知识和方法，进而学会如何分析问题和解决问题。这样，将十分有利于教学活动的顺利开展。

三、建立仿真模擬实验平台。降低准入门槛

单片机是一门实践性非常强的课程，想要学好单片机，最重要的是理论基础知识的学习与模拟实验相结合，必须要有强有力的实践环节与之配合。在目前的单片机教学中，实验环节往往依赖陈旧的实验箱或购买的单片机学习开发板。这两种方式，价格相对来说都比较昂贵，很多经费有限的学校来说，难以做到学生人手一机，导致学习门槛提高，多数学生难以跨人单片机学习的大门。鉴于这些原因，课程所有实验内容均采用计算机进行仿真操作。仿真软件使用近年来普遍采用的Proteus-7.8，目前主流计算机既可流畅运行。

按照授课的主要模块内容，逐步绘制实验仿真电路图，当全部授课内容结束后，最终实现一个完整的单片机应用电路图。将编译成功的软件直接放人，可进行各个授课内容的仿真，大大减少了单片机课程学习的成本和入门的难度。

仿真硬件部分的内容还可以进行扩展。对于单片机教学来说，要使学生能够真正掌握，在经费充足的情况下，最好使用单片机实验板进行。在具体操作过程中，可根据学生学习实际以及课程进展情况，将上面形成的仿真电路，由学生自己制作成实际的单片机实验板。虽然学生自己做的实验板没有太多的功能，也不美观，甚至还有许多损坏的部分，但是学生通过自己动手，不仅能够了解单片机的各个引脚与外围硬件电路是如何连接的，而且还训练了学生器件焊接的能力，让他们在轻松、有趣的教学环境中学习单片机的原理及外围硬件电路的知识，进一步提高学生的感性认识，激发他们学习的兴趣。

上述三方面的教学改革，立足实践，不断丰富课程的实践化，使枯燥的理论知识具体化、形象化。这种任务驱动、理实结合、软硬同步、循序渐进的教学模式充分激发学生的积极性和主动性，提升了学生的理论水平和动手能力。学生的岗位意识和新技术应用意识均得到明显的提升。