基于Arduino的单片机智能控制创新课程教学改革与实践

屈华炎

（浙江工商职业技术学院 电子信息学院，浙江 宁波 315012）

0 引 言

单片机智能控制作为高职院校电子、自动化等专业的核心课程，在其专业中具有非常重要的地位，是一门综合性课程。现阶段大多数高职院校单片机课程仍旧采用传统的理论为主、实验为辅的教学模式。教师的整个教学过程缺乏新意，学生缺乏学习兴趣，同时由于课程知识点相对抽象，最终导致学习效果不佳。近年，Arduino等开源电子硬件大行其道，成为创客和各种创意设计的首选[1]。针对传统的单片机教学，Arduino不需要大量的理论知识储备，更容易入门，同时也更容易调动学生的积极性。以Arduino为载体进行创新项目设计，学生通过项目设计使其主动发现问题、分析问题、解决问题、拓展项目。因此，利用Arduino对单片机智能控制课程进行改革，以学生创新设计为主线，融入单片机技术、程序设计、传感器技术、物联网等知识体系，利用校内各种平台进行项目的设计与展示，调动学生学习的积极性和主动性，加强实践能力与创新能力的培养[2]。

1 当前课程开展中存在的问题

1.1 课程形式枯燥、内容脱节，不利于学生积极性的培养

当前单片机智能控制课程虽然经过系列的改革，但由于课程本身的限制，仍要通过理论为主、实验为辅的教学模式。目前，不少高职院校采用的还是“先理论后实验”的教学模式，课程模式很难有更深更高层次的突破。其次，课程在实施过程中仍旧像单片机技术课程一样，强调单片机原理性知识的讲解，忽视了智能控制具体的应用。更为重要的是，缺少具体实际项目用于提高学生的知识水平。最终导致理论和实践相互脱节，学生学习的积极性得不到提高[3]。

1.2 学习自主性不足、干预过多，不利于学生实践能力的培养

目前，课程在实施过程中以验证性实验为主，学生只要按照老师的操作步骤即可完成。在此期间，学生被动地接收知识，遇到问题请教老师，缺少对于自己主动获取知识能力的培养。在实验的过程中，利用实验箱进行实验，只需简单的进行连线操作，对整个项目设计与制作缺少必要的动手能力。同时，在课程实施过程中老师对学生的要求太低，由于课程时间限制，只能过多地干预指导，最终学生自主性得不到有效提高，不利于实践能力的培养。

1.3 实施过程不全、结构模糊，不利于学生创新能力培养

首先，课程内容、项目实施流程不够细化，导致每节课在开展过程中衔接不够紧密；其次，项目设计时知识结构模糊，导致学生知识结构缺乏循序渐进、主动构建的过程。当课程结束之后，无法形成一个完整的知识链并衍生到其他实际项目中去；再次，单片机智能控制与程序设计、传感器技术、物联网技术等相关联的课程衔接不够紧密，导致学生对整个知识体系不清晰；最后，课程为后续特长生培养、专题制作、技能竞赛、毕业设计等创新人才培养项目缺少支撑。最终导致整个实施流程不够完善，不利于学生创新能力培养。

2 Arduino平台的优势

2.1 开源性

Arduino是一款开源的电子开发平台，其对应的电路设计图、硬件原理图、程序开发界面以及核心库文件等都是开源的，现如今已经成为最热门的开源硬件之一。Arduino的所有相关资料都对外开放，用户可以免费下载，并且根据需要自行设计与修改。电子爱好者可利用其开源特性不断地完善优化Arduino的功能。

2.2 易入门

Arduino不需要很强的专业知识背景，也不用了解内部工作情况，只需要有一定兴趣，这对于刚入门的学生来说，无疑是一个非常好的工具，可以根据自己的能力设计作品；另一方面，网络上大量的资源使得利用单片机智能控制进行项目设计变得非常简单。

2.3 扩展性

Arduino可以非常简便地与各种元器件或者传感器相连。在平时设计制作项目时，硬件只需连接相应的扩展模块，软件只要调用库函数就可以实现相应的功能。同时根据应用场合的不同，Arduino可以被设计成特定的功能，包括智能小车、智能家居控制、智能物联等。

2.4 创新性

项目设计时需要具有创新性，通过利用Arduino以及各种传感器来制作创意作品解决实际问题。同时，通过制作实物、软件设计等不断提高自身的实践操作能力和创新能力。Arduino通过各种各样的传感器来感知周围环境，利用控制灯光、电机等其他装置进行反馈，同时可以控制物联网模块来实现相应功能。

3 具体的改革措施

3.1 融合相关课程，优化教学过程

单片机智能控制作为一门综合性课程势必要与普通的单片机课程进行区分，更应突出智能控制理念。Arduino作为当今最热门的智能控制平台之一，融合了单片机技术、程序设计、传感器技术、物联网技术、嵌入式应用等相关知识，非常符合本课程作为工具使用。同时，Arduino的应用领域也非常广泛和前沿，包括智能控制小车、智能家居、物联网控制、智能机器人等，都是当今社会比较流行及热门的领域[4]。因此，把Arduino融入课程设计中，使之整合成为一门全新的综合性、创意性课程，让学生了解智能控制的具体应用，拓展知识面，激发学习兴趣。

另一方面，Arduino作为开源电子平台，具有易入门的特点，大大降低了学生学习单片机智能控制的门槛，使学生更加容易渗透到课程中。课程在实施过程中一改传统的课程形式，以学生兴趣入手，结合创意设计，不再依附于课堂教学时间和场地安排。同时，以学生能力为本位设计教学过程，采用“创意引导学习，实践带动理论”的教学模式，依靠Arduino扩展性的特点，让学生设计出各种富有创意的作品。在课程实施过程中结合现代教育技术，丰富教学手段，开展多形式、多样化的教学模式。整个教学过程采取分阶段、有层次、循序渐进地开展，始终强调“以创意激发兴趣、以兴趣促进教学”，调动学生学习的积极性，提高课程教学效果。

3.2 整合项目资源，实践带动理论

在进行项目设计时，摒弃陈旧项目，将各种资源融入其中，鼓励学生参与到实际的项目中[5]。每年学校会有各种创新项目的申报，包括特长生、专题制作、技能竞赛、科技创新等。利用Arduino设计制作项目后，可以参与这类项目的申报、展示、评比。这样不仅可以完成课程项目的设计与制作，还可以把项目稍加完善和优化，参加各种项目的申报。经资源整合后所设计的课程项目见表1所列。最终目的一方面是使学生在学习的时候更具有针对性，另一方面通过引入案例用来拓展学生视野和创意空间。

表1 课程项目

利用各种项目进行资源整合后引入课程，学生在项目制作过程中更具有针对性。在项目设计过程中，严格遵循“学生为主，教师为辅”，教师主要任务是给予引导，尽量让学生自主解决设计过程中遇到的问题[6]。当学生在实际过程中碰到问题时，更加容易也更主动地去分析解决问题。另一方面由于Arduino的开源特性，学生可以自主查找资料分析问题。因此，项目实施前期主要是让学生积极参与到设计制作过程中，加上项目具有的针对性，后期遇到问题时会主动查找资料，反过来补充所欠缺的理论知识。最终目的是锻炼学生项目制作的实践能力，包括在此过程中发现问题、分析问题、处理问题的能力。

3.3 总结扩展项目，构建实施过程

项目完成之后，在班级内部进行演示评比，通过班级讲演、讨论的模式了解整个项目设计制作的情况，相互分析设计过程中出现的问题以及如何优化。一方面可以让设计的学生回顾整个制作过程，让其形成项目制作的完整框架；另一方面可以让其他同学提出合理化的改进意见，以便后续再进一步完善。主要的目的是让学生通过更加形象的方式掌握项目制作过程中所涉及到的知识点，加强学生创新能力的培养。最后根据个人能力对项目进一步扩展延伸，形成一个相对成熟的作品，并且鼓励学生去参加学校各种项目申报、评比、竞赛[7]。

课程实施过程中创新能力的培养是循序渐进的过程，不能仅靠某一门课程，而是要靠一系列课程不断给予能力上的培养，逐步提升和完善学生的知识结构，使之形成一个科学的教学体系。因此，单片机智能控制课程一方面要横向拓展知识结构，进一步加强课程之间的结构融合；另一方面要纵向衔接创新项目，包括各种人才培养项目、科技创新项目以及技能竞赛项目，进一步提升综合性项目的实践能力[8]。最终目的是不断完善课程模式的构建，以实际运用为基础，以创新能力培养为目标，采用多元化、复合型人才培养方式，更好更快地推进学生综合能力的提高。课程具体的实施过程如图1所示。

图1 课程实施过程

4 结 语

总之，课程改革过程中利用Arduino平台，使其融入单片机智能控制，结合其他课程的知识形成一个全新的课程架构，进一步加强学生的主体地位。在课程实施过程中优化教学模式和教学手段，强调“以创意激发兴趣、以兴趣促进教学”，调动学生学习的积极性，分阶段、有层次、循序渐进地开展教学，突出“学中做、做中学”，逐步提升学生的技能水平[9]。同时，在设计课程过程中整合相关资源，加强课程之间的相互融合，以各种项目和竞赛为依托，培养学生解决实际问题的能力。对于完成的项目进行总结分析，以便进一步优化，鼓励学生参加各类项目的评比。最终完成整个课程体系的构建，学生在项目制作中经历了遇到问题、分析问题、解决问题的整个过程，使学生在理论知识、实践能力、创新精神等方面得到全面提升[10]。