物联网“微控制器原理及应用”课程教学改革与实践

潘勇 侯梓叶 高子林 熊江

摘 要：面向深化新工科建设目标，以一款自主研制开发的以51核嵌入式计算机为控制核心的物联网控制板对物联网工程专业“微控制器原理及应用”核心课程进行教学改革，有机地结合了物联网控制系统理论和控制技术实践。通过精心组织理论知识框架，设计工程实践项目，提高了学生的积极性和动手能力，效果良好。

关键词：物联网;微控制器;教学改革

2019年12月，教育部在深化新工科建设座谈会上指出在总结前期新工科实践的基础上，研讨第二批新工科研究与实践项目指南，以项目牵引研究与实践，实现新工科建设扎扎实实由1.0向2.0跨越。可见新工科建设已经进入深水区、攻坚区，需从“轰轰烈烈”的理念倡导和顶层设计走向“扎扎实实”的推进落实和质量提升。[1-3]物联网工程是一个具有极强应用背景的新工科专业，其综合了电子信息工程、计算机科学与技术、通信工程、网络工程专业知识体系，具备多专业融合的特点。当前物联网领域的创新既有理论和技术标准的演进，也有重大应用的发展。如何体现应用型本科特点，切实推动新工科建设从顶层设计到执行落实，是高校教师的重大课题。需要教师创造性的将教育部新工科建设思想结合各自学校实际，在一门门课程中去落实，去做出成效。

感知技术、嵌入式计算机技术和通信技术是物联网的三大核心支撑技术。物联网产业经过十余年的发展，作为核心支撑技术之一的嵌入式计算机技术在微控制器领域分别形成了各自固定的芯片内核和技术标准，这些芯片得到了市场的检验，已经被广泛接受和应用。芯片生产商、设备制造商的产品均采用相应内核架构和生产制造相应芯片产品。[4]为了凸显“微控制器原理及应用”课程的实用性、交叉性与综合性，改善教学效果，提高学生工程应用能力。结合多年教学和实际工程经验，自主研制开发了一款以51核嵌入式计算机为控制核心的物联网控制平台，围绕控制平台精心组织理论知识框架，设计工程实践项目，达到综合学科知识，激发学生积极性，提高学生动手能力的目的。

一、课程教学内容体系改革

“微控制器原理及应用”课程作为物联网核心技术课，必须包含当前物联网智能控制系统开发、设计过程中得到广泛应用和市场承认的主流智能控制技术。当前物联网主流微控制器8位为51系列，32位为STM32系列。根据以上分类，在授课中突出理论和实践结合，整合课程教学内容安排，以一款自主研制开发的以51核嵌入式计算机为控制核心的物联网控制平台为基础组织理论知识和实践项目。该平台基本涵盖了当前工程应用中主流机型51和相应外设技术标准。在教学中，我们将该平台命名为物联网控制板。[5]控制板结构如图所示。

二、实践教学内容体系改革

以自主研制开发的51核嵌入式计算机为控制核心的物联网控制板为基础，重新设计工程实践项目，强调综合性设计性实验。学生从自行焊接控制板开始，掌握焊接技能，掌握芯片封装和芯片选型，打造一个自己的实验平台。其后按照信息感知、控制执行和信息传输的顺序完成传感识别、控制执行、星型监控网络、短信远程控制系统。实验教学内容与要求如下表所示。

目的要求

1控制板制作实验

熟悉控制板硬件电路;掌握控制板焊接技能;掌握控制板芯片选型及功能;掌握控制板硬件调试技能;项目：焊接完成物联网控制板并调试运行正常

2信息感知实验

掌握传感器和射频识别系统工作原理;掌握微控制器与传感器和射频识别模块的接口电路与应用编程;项目：完成一个感知系统

3控制执行实验

掌握直流电机和步进电机的工作原理;掌握微控制器与直流电机和步进电机驱动模块的接口电路与应用编程;项目：完成一个直流电机和步进电机控制系统

4信息传输实验

掌握短距离无线通信和长距离无线通信的工作原理;掌握微控制器与Nordic模块和GPRS模块的接口电路与应用编程;项目：1.完成一个基于控制板的无线通信系统，实现点对点通信和一对三星型监控网络;2.完成一个基于控制板的移動通信系统，实现短信控制功能

三、教学方式和考核方式改革

“微控制器原理及应用”教学方式强调理论紧密联合实际，不再采用大多数高校理论课和实验课分离，实验室专用电脑和实验箱组合做实验的形式。学生课上自带笔记本电脑和控制板，教师在理论知识和技术应用讲授结束后立刻指导学生进行实验。学生先完成控制板焊接并熟悉控制板电路原理图，编程和下载工具软件均指导学生安装在自己的笔记本电脑上，学生经此熟悉了工具软件的安装和使用。理论讲授结束立即实践，避免了遗忘和脱节，老师可以对编程和调试实时进行指导，马上就实验中出现的共性问题进行讲解，提高了教学效率。对动手能力逐渐提高的学生实时引导，肯定优点，指出不足，让学生体会成就感，激发学习兴趣。控制板平台只有手掌大小但功能齐全，方便携带，下课后可继续带走开发。学生开发过程从课上延伸到课下，不再限定在实验室才能进行实验。可以随时验证自己的设计思想和进行系统调试。

“微控制器原理及应用”考核方式采用课程设计的形式。课程设计提出一个更加综合的设计题目。即实现一个控制方面以微控制器为核心，信息感知选用传感器或者RFID，信息传输使用融合多种通信方式的拓扑自选的通信网络。该网络要融合物联网短距离和长距离通信技术，实现自组织，自适应短距离无线数据通信网络对移动通信网络的无缝接入。共同完成面向某个实际应用的功能解决方案。但具体应用背景由学生自行调研提出，学生根据自己的创意，在前期实验基础上设计具备一定工程价值的物联网智能系统。比如家居安全远程追踪系统、室内有害气体监控净化系统、物联网农业冷库储存管理系统等。课程设计分组完成，一组4人，学生自行分配硬件调试，软件调试，系统综合调试和系统演示任务。考核时需现场演示系统运行结果，并确定以下评分标准：系统硬件电路合理，焊点美观，硬件运行稳定;控制系统软件设计合理，结果显示直观，通信数据收发准确，网络运行正常;达到以上标准即可评为良好及以上，创意应用方案可作加分处理。

四、教学改革效果

教学改革实施了三届，通过课后反馈来看，学生普遍表达了对本门课教学方式的喜欢，产生了对专业的兴趣。理论知识跟当前生活中的技术密切相关不枯燥，能够马上得到应用并实现相应控制功能，学生的成就感得到很大满足。其中的杰出学生，以此课程为依托，开发设计的相关作品获得中国大学生计算机设计大赛全国一等奖、三等奖及省级奖项多项。多数学生反映在此门课程上获得了物联网智能微控制系统专业知识和工程基本训练。对物联网控制领域求职打下了工程技术基础。其面对企业招聘所做的本科项目描述即为本课程的综合课程设计。总之，通过改革，学生在学习过程中大大提高了积极性和主观能动性，提高了物联网控制系统硬件调试能力和软件编程能力。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，3：1-6.

[2]顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017，6：1-13.

[3]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，2：26-35.

[4]董荣胜.“新工科”背景下“计算机科学导论”课程建设初探[J].工业和信息化教育，2018，4：6-11.

[5]刘克江.基于个人实验板的微控制器教学改革探究[J].教育现代化，2018，31：75-78.

[6]潘勇.新工科背景下物联网“射频识别”与“无线传感网络”课程教学改革与实践[J].教育现代化，2018，52：58-60.

基金项目：2017年重庆市教委科技项目——兼容物联网多通信标准小型多频可重构天线技术研究（编号KJ1710241）;2017年重庆三峡学院校级教改项目——基于自主研发智能机器人的物联网核心应用课程群教学改革与实践（编号JG170908）

作者简介：潘勇（1981-），男，汉族，重庆人，博士研究生，副教授，研究方向：物联网通信、智能机器人、无线传感网络。