项目式教学体系改革“单片机原理及应用”课程教学的研究与实践＊

苏渤力，于瑞红，王新刚，马洪蕊

（防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北 廊坊065201）

“单片机原理及应用”课程讲授8位、16位和32位微控制器的设计及应用，是电子信息大类一门综合性和实践性较强的课程[1-2]。随着半导体技术的进步，微控制器作为核心控制器件在汽车电子、航天与国防、工业自动化与控制系统、无线基础设施以及个人消费类电子器件等领域有着广泛的应用。该课程讲授先进的微控制器架构和外设、实时处理、数据分析和安全功能，使学生掌握如何提高微控制系统的自动化程度和能效[3-4]。为了提升学生进行高性能低功耗微控制系统设计的能力，使学生通过本课程的学习达到企业和行业要求的综合设计能力，课题组根据“单片机原理及应用”课程的综合性和实践性，对课程的教学进行了创新尝试和改进研究[5-6]，探索了项目式教学体系模式，提高教学内容的深度、广度和趣味性。实践教学改革取得了较好的教学效果。

1 教学模式探索

1.1 课堂讲授与演示

各种型号的微控制器在具体的应用领域均有独特的优势，集成开发环境较多，微控制器是设计基础，程序设计是核心。在教学中选择uVision5 IDE集成开发环境介绍微控制器的架构和外设应用。根据课程的特点，学时安排为理论教学与上机实验教学有机结合模式。理论教学中进行知识点的讲授和演示，让学生熟悉微控制器的架构。例如寄存器的概念，学生经常会觉得比较抽象，不易理解，此时就需要根据芯片数据手册介绍什么是存储器映射？存储器本身不具有地址信息，由芯片厂商或者用户给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。那什么是寄存器？给有特定功能的内存单元分配名字，这个名字就是寄存器，给已经分配好地址的有特定功能的内存单元分配名字的过程就称为寄存器映射。上机教学中以案例为目标，让学生自由编程，用不同的方式达到案例设计要求。以学生的自主性和创新性为中心，教师辅助提示完成教学目标，既让学生掌握知识点，又激发了学生的创新能力和学习热情。课后布置不同难度的练习题和上机题，进一步强化教学内容，学生在程序设计的过程中不断发现问题并解决问题，从而进一步提高微控制系统设计能力。

1.2 IDE和开发板综合实验

IDE集成开发环境使学生可以为开发板编写程序设计代码，同时可以使操作系统、外设驱动程序、硬件抽象、协议和库之间的无缝协同工作。IDE上机实验中，学生自行创新编写设计程序，调试和改进，能够较好地掌握微控制器架构，增强程序设计能力。开发板综合实验结合了具体的硬件，在教学中为学生组织了基础性实验、综合性实验、设计性实验以及开放性实验，根据实验室现有的微控制器实验模块，学生自主完成硬件电路搭建，程序设计和调试，下载到硬件以及改进编程整个过程，完成微控制系统设计的同时，提升了学生的综合能力和创新能力。

1.3 开放实验室

一个具体功能的实现可以通过不同的结构和不同的思维方式，程序设计代码效率也不同，往往有多种答案。因此在为学生开设的开放实验室课程中，鼓励学生多思考多讨论，对比多组的程序设计效率来优化代码，鼓励学生积极竞争，主动创新，在促进竞争的过程中调动学生的学习热情，强化学习效果。开放实验室课程不同于一般的理论或者实践课程，不仅有教师的监督和指导，同时有全天候的实验室可以辅助学生创新，为学生营造了一个课下创新空间。

2 项目式教学体系建设

项目式教学体系建设旨在通过全过程的构建和思考，提高应用型本科的工程实践能力，依托学科和行业背景，突出专业特色，构建具有应用型本科特色的工程项目式教学体系，主要从以下五个方面进行。

工程化实验室环境：结合防灾科技学院电子科学与控制工程学院三个工科专业特色，围绕项目式教学实践过程，依托多个创新创业实验室，搭建完整的项目架构，开发流程管理、算法组和硬件组有机结合，同时兼顾团队文化建设。

大精英团队：由精英教师、高层次人才组成工程化指导团队，明确指导时间。指导团队人员构成合理，团队带头人起到关键核心作用，具备且不断增强学科优势和特点。

项目内容创新：项目主要来源是典型案例、教师研究项目和大学生创新创业项目，结合行业工程实践实际情况设计多层次、多项目课程体系，以综合性、创新性、探究性、开放性评估学习效果。

学生团队建设：根据工程化项目教学需要和学生个人优势分组，具体任务到个人，合作共同完成项目任务。学生团队合作有如下几点优势：①可以加快项目学习进度；②思想碰撞增进创新；③加强团队默契；④学习成果个性化。

一流课程建设：按照“高阶性、创新性、挑战度”的金课标准，将知识和能力素质有机结合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。整合已有的课程创新，进行“单片机原理及应用”一流课程建设，项目式教学内容要具有前沿性，教学形式呈现互动性，学习成果具有探究性和个性化特征。

3 应用开发提升高级系统设计能力

“单片机原理及应用”是一门综合性、实践性很强的课程，学生要真正掌握微控制器高级系统设计，还需要融合其他课程的知识，例如嵌入式实时操作系统（RTOS）、Linux、AI等。在5G新基建的时代背景下，物联网产业持续蓬勃发展，多省市均在积极建设智慧城市。在物联网应用系统设计方面，采用中国移动OneNet平台进行了智能家居系统的设计，采用温湿度传感器、光强传感器、加速度传感器、三轴磁阻传感器、Wi-Fi通信模块以及NB-IOT通信模组来实现。以最新NB-IOT芯片为核心的NB-IOT通信模组，在典型应用（PSM/RX）上功耗降低近50%，可以有效延长终端系统电池的寿命。

以智能水表系统的设计为例，搭载5 600 mAh锂锰电池的NB水表，每天通信一次为200字节，模组集成了BLE5.0，解决了系统维护测试难点。传统的电表采用红外传输方案，在进行维护测试时，需要将支持红外读写的定制终端与带红外读写器件的系统对准，连接效率较低。而支持BLE5.0的NB-IOT通信模组，仅需使用PC或手机对水表系统进行通信，大大提高了连接效率。板载GNSS模块，可为NB-IOT模组增加定位功能。智能水表方案不仅解决了人工抄表难题，同时实现了检测管网水压、同步流量对比、支撑分时计费等功能，而且能提前规避问题、定位或发现管网漏水问题、提高水资源利用率。

早期的智能燃气表，多是以“裸机开发”模式为主，智能设计的核心诉求是“远程抄表”，随着全面的信息化与智能化技术创新，智能燃气表需要承担的功能越来越多。例如，燃气使用过程中非常重要的漏气监测、精确计量、远程控制、信息安全管理等，“裸机开发”模式会极大增加研发和硬件系统成本。同时，在智慧城市领域，基于地区的集中调配、定价和管控等工作，都极大地依赖海量燃气表的实时和多维信息互通，这就需要物联网操作系统，开源的物联网操作系统有OneOS、LiteOS、AliOS等。物联网操作系统结合NB-IOT芯片，将数据处理与传输（传感+互联）结合在一起，不仅减少了体积，还实现了低功耗，支持智能燃气表超长时间待机使用。

4 项目驱动式教学管理

“单片机原理及应用”是专业性、可拓展性较强的课程，因此还为学生开设了开放实验室课程和暑期实习等实践活动，进一步提高学生的系统设计能力。为了有效促进学生的学习，采用项目驱动式教学，形成以项目进度为主线、以学生为主体、教师引导辅助、以综合能力培养为基本特征的管理思路。教学管理主要采用5W2H项目管理法，即用5个W开头的单词和两个H开头的单词进行设问，实现对项目的有效规划和管理。具体到本课程则设计到以下几个问题：①项目内容（What）和预期目标（Why）；②项目适用场景（Where）；③项目主体（Who）；④采用什么方法得到项目的预期效果（How）；⑤项目阶段规划（When）；⑥项目预算（How much）以及如何执行预算。在项目实施阶段，教师以学术交流的形式与学生定期研讨，促进学生项目发展，及时引导学生解决关键技术问题，鼓励学生积极创新，同时对创新可能增加的成本予以支持，学术研讨结果由学生整理记录归档，并及时进行归纳总结。项目以学生汇报形式验收，组织多名教师为学生进行项目评审，按照项目介绍、解决的主要问题、创新性和探究性等给出相应的分数。

5 结束语

根据“单片机原理及应用”课程的特点，通过项目式教学体系建设和行业应用实践对课程的教学内容、教学方法和教学模式进行了探索，在物联网应用系统设计和AI项目系统设计方面与时俱进，设计案例具有实践性、探究性和前沿性。在今后的教学中，课题组在新工科形式下，不断探索拓展课程的深度和广度，在实践中总结经验，不断完善项目式教学体系，构建以学生发展为中心的项目式教学体系，进一步提升教学质量。