鄭一力，趙燕東，葛桃桃，陳善安

（北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個巨大網(wǎng)絡(luò)，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，它代表了下一代信息發(fā)展的重要方向。我國已將“物聯(lián)網(wǎng)”明確列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和2050年國家信息產(chǎn)業(yè)路線圖。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用涉及智能交通、文化教育、環(huán)境保護、公共安全、平安家居等多個領(lǐng)域，將極大改變我們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式［1－3］。

本文重點探討了以物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)帶動“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容和實踐方法的改革，突出培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識和技能解決實際問題的綜合應(yīng)用能力。

1 單片機教學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點

“單片機原理及應(yīng)用”是高等院校電類和機械類等專業(yè)的基礎(chǔ)課［4－5］，了解單片機的工作原理，掌握單片機技術(shù)，特別是具備基本應(yīng)用操作技能，成為相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的重要任務(wù)［6］。傳統(tǒng)的單片機教學(xué)以典型的80C51系列8位單片機的實際應(yīng)用為主線，教學(xué)中理論與實驗相結(jié)合，課堂教學(xué)需要給學(xué)生提供較為直觀和實用的設(shè)計實例，實驗中突出培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力［7－］。采用傳統(tǒng)的單片機教學(xué)方式，學(xué)生可掌握單片機的基礎(chǔ)編程方法和接口基本使用，而針對實際需求構(gòu)建單片機系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力還有一定的欠缺。

物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可以概括為全面感知、可靠傳輸與智能處理［10］。物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)中關(guān)鍵技術(shù)都會涉及到單片機的相關(guān)應(yīng)用，為單片機教學(xué)改革提供了豐富的教學(xué)題材、內(nèi)容和實現(xiàn)方法［11－12］。將物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到“單片機原理與應(yīng)用”這門以實踐為主的教學(xué)中，可鍛煉學(xué)生構(gòu)建單片機系統(tǒng)解決實際問題的綜合設(shè)計能力，也為學(xué)生將來在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的就業(yè)提供技術(shù)儲備。

2 教學(xué)內(nèi)容和方法改革

“單片機原理及應(yīng)用”的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容包括80C51單片機硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編程序設(shè)計、中斷技術(shù)、定時器／計數(shù)器、、串行通信、存儲器擴展技術(shù)、接口系統(tǒng)軟硬件設(shè)計等。筆者在本課程改革實踐中，將教學(xué)過程分為基礎(chǔ)教學(xué)階段和課程設(shè)計階段?；A(chǔ)教學(xué)階段的課程采用集中授課的方式完成，安排了38學(xué)時的課堂教學(xué)和10學(xué)時的基礎(chǔ)實驗。同時，針對“單片機原理與應(yīng)用”以實踐為主的特點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，在基礎(chǔ)教學(xué)階段結(jié)束后，在后半學(xué)期增加了單片機課程設(shè)計階段，讓學(xué)生利用課余時間完成可現(xiàn)場演示的單片機實物作品。教學(xué)內(nèi)容和方法改革的具體內(nèi)容如下。

2.1 課堂教學(xué)內(nèi)容和課時安排

相對于傳統(tǒng)的單片機教學(xué)，38學(xué)時的課堂教學(xué)計劃見表1。此教學(xué)計劃壓縮了單片機指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計的教學(xué)時間，只講述最常用的幾個80C51單片機匯編指令以及循環(huán)和分支程序設(shè)計的方法，增加了實用的單片機C語言程序設(shè)計和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識教學(xué)內(nèi)容，重點突出了單片機常用接口設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容。

表1 單片機課堂教學(xué)學(xué)時和內(nèi)容計劃表

其中，用14學(xué)時對時鐘接口、AD／DA接口、GPRS接口、藍(lán)牙接口、溫度傳感器、濕度傳感器這一部分主要做接口芯片或傳感器的功能與使用方法的簡介，并提供給學(xué)生相關(guān)參考文獻(xiàn)和例程，以學(xué)生課下自學(xué)掌握為主。這一部分的知識需要用到后續(xù)的單片機課程設(shè)計階段。

2.2 基礎(chǔ)實驗內(nèi)容和課時安排

基礎(chǔ)實驗一共10學(xué)時，與38學(xué)時的課堂教學(xué)穿插進(jìn)行，其目的是讓學(xué)生動手掌握80C51單片機的基礎(chǔ)編程方法和各個片內(nèi)接口的使用。在實驗中使用了80C51單片機實驗箱，實驗2個人為一組進(jìn)行，編程建議采用匯編語言完成，同時也鼓勵學(xué)生用C語言和經(jīng)典的Keil C開發(fā)環(huán)境完成，實驗的題目和要求見表2。

表2 單片機基礎(chǔ)實驗學(xué)時和內(nèi)容計劃表

這5個基礎(chǔ)實驗涵蓋了80C51單片機基本接口使用和程序設(shè)計的課堂教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中，要求學(xué)生必須在上機前編寫好程序，在實驗室中集中時間進(jìn)行調(diào)試，使學(xué)生完整了解單片機的基本使用方法，為后續(xù)單片機課程設(shè)計的深入實踐打下基礎(chǔ)。

2.3 課程設(shè)計階段安排

在完成單片機基礎(chǔ)教學(xué)階段的課堂教學(xué)和基礎(chǔ)實驗后，要求學(xué)生自主分組和選題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識，在課余時間完成基于80C51單片機和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可現(xiàn)場演示的課程設(shè)計作品。這部分教學(xué)不再集中講授，采用了項目責(zé)任制的課程設(shè)計方案，每個作品由3～4名學(xué)生組合完成，每組由一個組長負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)，每個組員在項目中側(cè)重完成不同的任務(wù)，最后完成實物作品的整合，在課程設(shè)計過程中培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。

課程設(shè)計的作品需要使用80C51單片機最小系統(tǒng)板，同時根據(jù)題目需要使用物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、GPRS通訊、RFID或無線傳感網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。每個設(shè)計題目由教師確認(rèn)后開始實施，學(xué)生通過資料查閱確定設(shè)計題目，親自動手完成作品的電路設(shè)計、芯片焊接、導(dǎo)線連接、代碼編寫和調(diào)試等一系列手工任務(wù)。

課程設(shè)計考核要求包括方案設(shè)計合理性和創(chuàng)新性、報告完整性、作品演示效果、結(jié)果數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，以分組答辯的形式完成整個課程設(shè)計任務(wù)，通過綜合表現(xiàn)來給學(xué)生評定實驗成績。表3給出了部分課程設(shè)計作品名稱和簡介。

表3 部分單片機課程設(shè)計的題目與內(nèi)容

在課程設(shè)計最后，教師集中對學(xué)生的課程設(shè)計進(jìn)行總結(jié)，指出各組設(shè)計不合理或制作不規(guī)范等問題，培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思路和操作規(guī)范，同時選拔出優(yōu)秀的作品和隊員參加全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等學(xué)科競賽。

通過以上課程設(shè)計的鍛煉，可使學(xué)生理論聯(lián)系實際，充分了解一個具體項目從選題、立項、分析到完成的整個過程。對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、動手能力、組織管理能力和文本書寫能力具有較好的推動作用，為學(xué)生日后的工作和科研實踐提供了扎實的技能基礎(chǔ)，獲得較好的課程評價。同時，基于本課程教學(xué)改革實踐的成果，北京林業(yè)大學(xué)參加了2011年至2013年全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，共獲得國家特等獎1項，二等獎3項，三等獎1項。

4 結(jié)束語

實踐結(jié)果表明，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在單片機教學(xué)中，使“單片機原理及應(yīng)用”的理論教學(xué)與實踐內(nèi)容進(jìn)一步緊密結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容和手段，培養(yǎng)了學(xué)生思維創(chuàng)新、資料查閱、方案論證、軟硬件設(shè)計、系統(tǒng)測試與調(diào)試、人際交往與協(xié)作團隊精神等綜合能力，這與高等院校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)相一致，使學(xué)生跟上信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展需求，將創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H成果的重要手段，為學(xué)生未來的工作和科研深造提供了鍛煉機會。

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