物聯(lián)網(wǎng)“微控制器原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實踐

潘勇 侯梓葉 高子林 熊江

摘 要：面向深化新工科建設(shè)目標，以一款自主研制開發(fā)的以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯(lián)網(wǎng)控制板對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“微控制器原理及應(yīng)用”核心課程進行教學(xué)改革，有機地結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)理論和控制技術(shù)實踐。通過精心組織理論知識框架，設(shè)計工程實踐項目，提高了學(xué)生的積極性和動手能力，效果良好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);微控制器;教學(xué)改革

2019年12月，教育部在深化新工科建設(shè)座談會上指出在總結(jié)前期新工科實踐的基礎(chǔ)上，研討第二批新工科研究與實踐項目指南，以項目牽引研究與實踐，實現(xiàn)新工科建設(shè)扎扎實實由1.0向2.0跨越?？梢娦鹿た平ㄔO(shè)已經(jīng)進入深水區(qū)、攻堅區(qū)，需從“轟轟烈烈”的理念倡導(dǎo)和頂層設(shè)計走向“扎扎實實”的推進落實和質(zhì)量提升。[1-3]物聯(lián)網(wǎng)工程是一個具有極強應(yīng)用背景的新工科專業(yè)，其綜合了電子信息工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、通信工程、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)知識體系，具備多專業(yè)融合的特點。當前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新既有理論和技術(shù)標準的演進，也有重大應(yīng)用的發(fā)展。如何體現(xiàn)應(yīng)用型本科特點，切實推動新工科建設(shè)從頂層設(shè)計到執(zhí)行落實，是高校教師的重大課題。需要教師創(chuàng)造性的將教育部新工科建設(shè)思想結(jié)合各自學(xué)校實際，在一門門課程中去落實，去做出成效。

感知技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)和通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的三大核心支撐技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十余年的發(fā)展，作為核心支撐技術(shù)之一的嵌入式計算機技術(shù)在微控制器領(lǐng)域分別形成了各自固定的芯片內(nèi)核和技術(shù)標準，這些芯片得到了市場的檢驗，已經(jīng)被廣泛接受和應(yīng)用。芯片生產(chǎn)商、設(shè)備制造商的產(chǎn)品均采用相應(yīng)內(nèi)核架構(gòu)和生產(chǎn)制造相應(yīng)芯片產(chǎn)品。[4]為了凸顯“微控制器原理及應(yīng)用”課程的實用性、交叉性與綜合性，改善教學(xué)效果，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力。結(jié)合多年教學(xué)和實際工程經(jīng)驗，自主研制開發(fā)了一款以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺，圍繞控制平臺精心組織理論知識框架，設(shè)計工程實踐項目，達到綜合學(xué)科知識，激發(fā)學(xué)生積極性，提高學(xué)生動手能力的目的。

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系改革

“微控制器原理及應(yīng)用”課程作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)課，必須包含當前物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計過程中得到廣泛應(yīng)用和市場承認的主流智能控制技術(shù)。當前物聯(lián)網(wǎng)主流微控制器8位為51系列，32位為STM32系列。根據(jù)以上分類，在授課中突出理論和實踐結(jié)合，整合課程教學(xué)內(nèi)容安排，以一款自主研制開發(fā)的以51核嵌入式計算機為控制核心的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺為基礎(chǔ)組織理論知識和實踐項目。該平臺基本涵蓋了當前工程應(yīng)用中主流機型51和相應(yīng)外設(shè)技術(shù)標準。在教學(xué)中，我們將該平臺命名為物聯(lián)網(wǎng)控制板。[5]控制板結(jié)構(gòu)如圖所示。

二、實踐教學(xué)內(nèi)容體系改革

以自主研制開發(fā)的51核嵌入式計算機為控制核心的物聯(lián)網(wǎng)控制板為基礎(chǔ)，重新設(shè)計工程實踐項目，強調(diào)綜合性設(shè)計性實驗。學(xué)生從自行焊接控制板開始，掌握焊接技能，掌握芯片封裝和芯片選型，打造一個自己的實驗平臺。其后按照信息感知、控制執(zhí)行和信息傳輸?shù)捻樞蛲瓿蓚鞲凶R別、控制執(zhí)行、星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、短信遠程控制系統(tǒng)。實驗教學(xué)內(nèi)容與要求如下表所示。

目的要求

1控制板制作實驗

熟悉控制板硬件電路;掌握控制板焊接技能;掌握控制板芯片選型及功能;掌握控制板硬件調(diào)試技能;項目：焊接完成物聯(lián)網(wǎng)控制板并調(diào)試運行正常

2信息感知實驗

掌握傳感器和射頻識別系統(tǒng)工作原理;掌握微控制器與傳感器和射頻識別模塊的接口電路與應(yīng)用編程;項目：完成一個感知系統(tǒng)

3控制執(zhí)行實驗

掌握直流電機和步進電機的工作原理;掌握微控制器與直流電機和步進電機驅(qū)動模塊的接口電路與應(yīng)用編程;項目：完成一個直流電機和步進電機控制系統(tǒng)

4信息傳輸實驗

掌握短距離無線通信和長距離無線通信的工作原理;掌握微控制器與Nordic模塊和GPRS模塊的接口電路與應(yīng)用編程;項目：1.完成一個基于控制板的無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)點對點通信和一對三星型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò);2.完成一個基于控制板的移動通信系統(tǒng)，實現(xiàn)短信控制功能

三、教學(xué)方式和考核方式改革

“微控制器原理及應(yīng)用”教學(xué)方式強調(diào)理論緊密聯(lián)合實際，不再采用大多數(shù)高校理論課和實驗課分離，實驗室專用電腦和實驗箱組合做實驗的形式。學(xué)生課上自帶筆記本電腦和控制板，教師在理論知識和技術(shù)應(yīng)用講授結(jié)束后立刻指導(dǎo)學(xué)生進行實驗。學(xué)生先完成控制板焊接并熟悉控制板電路原理圖，編程和下載工具軟件均指導(dǎo)學(xué)生安裝在自己的筆記本電腦上，學(xué)生經(jīng)此熟悉了工具軟件的安裝和使用。理論講授結(jié)束立即實踐，避免了遺忘和脫節(jié)，老師可以對編程和調(diào)試實時進行指導(dǎo)，馬上就實驗中出現(xiàn)的共性問題進行講解，提高了教學(xué)效率。對動手能力逐漸提高的學(xué)生實時引導(dǎo)，肯定優(yōu)點，指出不足，讓學(xué)生體會成就感，激發(fā)學(xué)習興趣。控制板平臺只有手掌大小但功能齊全，方便攜帶，下課后可繼續(xù)帶走開發(fā)。學(xué)生開發(fā)過程從課上延伸到課下，不再限定在實驗室才能進行實驗?？梢噪S時驗證自己的設(shè)計思想和進行系統(tǒng)調(diào)試。

“微控制器原理及應(yīng)用”考核方式采用課程設(shè)計的形式。課程設(shè)計提出一個更加綜合的設(shè)計題目。即實現(xiàn)一個控制方面以微控制器為核心，信息感知選用傳感器或者RFID，信息傳輸使用融合多種通信方式的拓撲自選的通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)要融合物聯(lián)網(wǎng)短距離和長距離通信技術(shù)，實現(xiàn)自組織，自適應(yīng)短距離無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)對移動通信網(wǎng)絡(luò)的無縫接入。共同完成面向某個實際應(yīng)用的功能解決方案。但具體應(yīng)用背景由學(xué)生自行調(diào)研提出，學(xué)生根據(jù)自己的創(chuàng)意，在前期實驗基礎(chǔ)上設(shè)計具備一定工程價值的物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)。比如家居安全遠程追蹤系統(tǒng)、室內(nèi)有害氣體監(jiān)控凈化系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)冷庫儲存管理系統(tǒng)等。課程設(shè)計分組完成，一組4人，學(xué)生自行分配硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，系統(tǒng)綜合調(diào)試和系統(tǒng)演示任務(wù)?？己藭r需現(xiàn)場演示系統(tǒng)運行結(jié)果，并確定以下評分標準：系統(tǒng)硬件電路合理，焊點美觀，硬件運行穩(wěn)定;控制系統(tǒng)軟件設(shè)計合理，結(jié)果顯示直觀，通信數(shù)據(jù)收發(fā)準確，網(wǎng)絡(luò)運行正常;達到以上標準即可評為良好及以上，創(chuàng)意應(yīng)用方案可作加分處理。

四、教學(xué)改革效果

教學(xué)改革實施了三屆，通過課后反饋來看，學(xué)生普遍表達了對本門課教學(xué)方式的喜歡，產(chǎn)生了對專業(yè)的興趣。理論知識跟當前生活中的技術(shù)密切相關(guān)不枯燥，能夠馬上得到應(yīng)用并實現(xiàn)相應(yīng)控制功能，學(xué)生的成就感得到很大滿足。其中的杰出學(xué)生，以此課程為依托，開發(fā)設(shè)計的相關(guān)作品獲得中國大學(xué)生計算機設(shè)計大賽全國一等獎、三等獎及省級獎項多項。多數(shù)學(xué)生反映在此門課程上獲得了物聯(lián)網(wǎng)智能微控制系統(tǒng)專業(yè)知識和工程基本訓(xùn)練。對物聯(lián)網(wǎng)控制領(lǐng)域求職打下了工程技術(shù)基礎(chǔ)。其面對企業(yè)招聘所做的本科項目描述即為本課程的綜合課程設(shè)計?？傊?，通過改革，學(xué)生在學(xué)習過程中大大提高了積極性和主觀能動性，提高了物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件調(diào)試能力和軟件編程能力。

參考文獻：

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[6]潘勇.新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)“射頻識別”與“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)改革與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，52：58-60.

基金項目：2017年重慶市教委科技項目——兼容物聯(lián)網(wǎng)多通信標準小型多頻可重構(gòu)天線技術(shù)研究（編號KJ1710241）;2017年重慶三峽學(xué)院校級教改項目——基于自主研發(fā)智能機器人的物聯(lián)網(wǎng)核心應(yīng)用課程群教學(xué)改革與實踐（編號JG170908）

作者簡介：潘勇（1981-），男，漢族，重慶人，博士研究生，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)通信、智能機器人、無線傳感網(wǎng)絡(luò)。