职业教育物联网专业单片机课程教学改革探讨

摘要：职业教育以提升学生的就业能力为目标，传统的单片机课程教学方法存在着理论和实践脱节，程序学习和硬件基础脱节，学习任务和就业需求脱节的弊端。本文以物联网专业为例，分析了传统教学中存在的问题，论述了任务驱动模式下的单片机工学一体化课程的改革方法，例举了切实可行的教学手段，为提高单片机教学质量提供参考。

关键词：职业教育；物联网；单片机；教学改革

一、职业教育物联网专业的单片机使用技能需求分析

在当前国家倡导的数字化智能化的改革浪潮下，物联网、工业互联网、车联网的发展如火如荼，物联网专业学生的就业市场将囊括智能家居、智慧校园、智慧社区、智能化生产线、数字化工厂、智慧农业、汽车智能化等诸多领域。无论在以上哪个领域就业，物联网专业的学生都需要掌握网络组网、智能硬件安装调试等技能，而智能硬件的核心就是微控制器，即单片机。例如：智能家居中进行温度、湿度、光照度采集，工业互联网中进行压力、水位、酸碱度等数据的采集都需要用到智能传感器模块，常见的控制芯片有51单片机和功能更强大的STM32单片机；进行基于ZigBee、WiFi等的无线网络组网和数据传输需要用到CC2530和ESP8266。这些单片机既有相同点又有其各自的特色应用，在编程时使用的软件也不尽相同，物联网专业的学生在工作中需要具备使用这些单片机来完成工作任务的能力。

与物联网专业最相关的新职业工种有两个，一是物联网安装调试员：利用检测仪器和专用工具，安装、配置、调试物联网产品与设备的人员。其主要工作包括：产品和设备检查，检测物联网设备、感知模块、控制模块的质量；组装物联网设备及相关附件，并选择位置进行安装与固定；建立物联网设备与设备、设备与网络的连接，检测连接状态；调整设备安装距离，优化物联网网络布局；预防和解决物联网产品和网络系统中的网络瘫痪、中断等事件，确保物联网产品及网络的正常运行。二是智能硬件装调员：能够使用示波器、信号发生器及计算机或手机等工具设备，完成智能硬件模块、组件及系统的硬件装配及调试、软件代码调试及测试、系统配置及联调等智能硬件装调工作任务的技术服务人员。智能硬件装调员的技能竞赛主要包括电路板焊接和编程调试两个模块。

根据两个新工种的职业技能要求，可以得出学生需要从单片机课程中获得的能力包括：

（1）能够在电路板上焊接直插式元件和贴片式元件（包括单片机芯片），具备将损坏的电子元件进行拆焊更换的能力；

（2）了解单片机的引脚功能和硬件电路的工作原理，能够使用仪表对包含单片机的物联网设备、感知模块、控制模块进行质量检查；

（3）能够使用Keil、IAR等软件编写C语言代码并进行调试以实现应用功能。

二、传统的单片机教学问题分析

（一）理论和实践脱节

传统的单片机教学从单片机的内部结构教起，使用汇编语言编程，目的是让学生更深入的理解单片机工作的底层原理，但是在应用程序的开发上，汇编语言早已经被更易懂的C语言替代，学生花大力气去研究底层构架和汇编语言，哪怕在试卷上写汇编程序考了满分，对开发基于单片机的产品基本是毫无用处，理论和实践严重脱节。对于职业教育而言，教授不实用的知识和技能就是浪费学生的青春和精力，漠视学生的前途和发展。

（二）教学内容跟不上技术更新

技术的发展总是朝向简单易用的方向，比如STM32芯片的生产厂家为了让自己的芯片更容易使用推出了CubeMX软件，可以通过图形化的界面进行端口、外设、时钟等的配置，并生成结构严谨的程序框架，使用者只需要在框架内的预留位置编写最核心的程序代码，大大降低了STM32编程的入门难度；还有配套的HAL库将STM32的硬件层和应用层完全隔离，让使用者根本不需要去研究几百个寄存器的作用，只要会使用库函数就可以轻松使用SYM32的各种外设。而目前STM32的规划教材还都是以老的标准库为基础编写的，教材开发总是比新技术的普及应用滞后好几年，这种现象是不可避免的，所以教学不能被教材拖住。教材只是教学的工具，让学生学透一本教材不是我们的教学目的，让学生学会真正实用的知识和技能才是。因此在一体化教学方案设计时教师要跳出舒适圈，敢于自我挑战，本着为学生负责的态度，教授跟得上技术发展的新软件新方法。

（三）程序学习和硬件学习脱节

无论是本、专科院校还是职校、技校，要开设物联网专业都需要有教学设备的支撑，在新专业申报前往往就已经投资购买了足够达到新专业评审标准的教学设备。这些设备通常都采购自专业的教学设备厂家，各种成熟的实训台、实训箱是学校教学的主力设备，这些设备都有一些共同的特点，比如模块化设计，功能集成度高，硬件连接方便，有配套的实训指导书、实验例程，有专用的物联网云平台、专用的安卓平板、网关、组态软件、手机APP。这些设备使用起来非常“方便”，可以让学生在一分钟内连接好硬件电路和下载器开始专注于程序的编写和调试。但是，方便也有方便的弊端。学生在使用专用的连接线将各种模块连接起来的时候根本不用考虑电路的硬件组成和工作原理，因为完善的端口防插错设计，学生只需要把配对的插头插座插接在一起就行了，4针的插头配4针的插座，20针的插头配20针的插座，加上插头本身的防插反设计，让硬件连接毫不费力的同时，也让学生失去了学习硬件的动力。使用实训设备学出来的学生，离开了他们会使用的那一套实训设备就连给单片机最小系统板供电都不会，甚至连51单片机供电电压是5V，CC2530供电电压是3.3V都是在考试前硬背下来的，而不是在实训中通过供电操作掌握的。学单片机可以不学硬件吗？当然不可以，所有单片机的程序都应该是在明确了硬件电路的组成和工作原理的基础上才能编写出来的。学生在学校里缺失的硬件电路图识读分析和电路连接的能力只能在工作后靠事倍功半的自学弥补回来。

（四）学习任务和就业需求脱节

在国家技能人才培养工学一体化课程改革中，某个工种的一个典型工作任务被转化为一门一体化课程，这个典型工作任务中的一个代表性工作任务被转化为该课程的一个学习任务。目前的单片机教材甚至网络教程大多都是以学会使用单片机的某个功能作为学习任务，而不是把完成某项工作作为学习任务，这样的学习任务设置显然是不符合就业需求的，企业需要的不是会使用单片机的某个功能的人，而是能用单片机来完成某个具体的项目开发的人。像“点亮LED”、“通过串口将PC发送给单片机的字符发送回去”这种学习任务学生学习完后多数都不会知道这两个功能可以用在哪里。

三、教学改革探讨

（一）学习任务设计

根据国家技能人才培养工学一体化课程的开发方法，应该将代表性工作任务转化为课程的学习任务。一体化课程应使用任务驱动的教学方法，学习任务设计时要将代表性工作任务转化为一个能让学生为了完成这个学习任务而学会相关的知识点和技能点的具体的可实施的应用场景。

例如：超声波测距模块的使用，可以将学习任务设计成“加油站将超声波探头安装在储油桶内位置最高点，用超声波模块检测储油桶内的油面到最高点的距离，从而计算出剩余燃油的体积，请设计一款基于STM32单片机的能完成燃油液面高度检测和显示的电子产品，要求选择合适的元器件型号，使用面包板连接实验电路，使用编程软件编写C语言程序，下载程序，给实验电路供电进行功能调试。”为了完成这个任务，学生需要学习超声波测距模块的工作原理、引脚定义、供电电压、数据传输原理、库函数的使用方法、硬件电路设计和连接等知识和技能，在下一个任务中可以将任务要求提高到使用Proteus等软件绘制电气原理图，设计PCB板，制作PCB板进行产品的焊接。

（二）教学方法探索

1、深挖实训箱——硬件分筋拆骨，软件夺舍重生

实训箱类产品的存在为单片机编程学习提供便利了极大便利，但也使得很多老师将教学重点放在了软件编程上而忽视了硬件的教学，把单片机一体化课上成了C语言编程课，造成软硬件脱节。为了避免这个弊端，教师在课堂教学中就应该在讲解程序之前先把实训箱里相应模块的硬件电路图代领学生分析透彻。无论使用的是哪种实训箱，都可以看做是各种功能模块的组合，且提供配套的电气原理图，只有把每个模块的供电和与单片机引脚的连接方式研究透彻，学生才可以在实际应用的环境下使用其他硬件搭建出硬件平台，然后根据新硬件的端口分配来修改实验例程，让软件可以在新的载体里重生。

2、跳出实训箱——模块自由组合，创造“我的项目”

在物联网专业的教学中学生需要使用不同的实训箱学习不同的单片机，或者使用包含完整的智能仓储、智能家居、农业大棚环境管理等系统的大型实训台学习各种单片机的协同使用。但是无论实训箱还是实训台都只适合教学，无法实际使用。要让学生真正具备创造实用性产品的能力，使用单片机最小系统板和各种传感器模块、显示器模块等独立模块，通过杜邦线和面包板的连接来自由组合成能完成各种工作任务的实验系统是最有效的办法。在使用实训箱进行了便捷的学习之后，再指导学生直接从淘宝等购物网站上选购合适的最小系统板、传感器模块、显示器等材料制作出能够使用的产品来，是培养学生创造力，让学生体验产品开发全流程的高效方式。

3、扔掉实训箱——Proteus设计、模拟、制造全体验

通过前两种教学方法的学习，学生已经具备了完成课程设计的能力，但是离真正的就业需求还是有一段距离。作为商品的智能硬件产品为了节约成本，缩小体积，稳定性能，是不可能直接使用成品模块来组装的，真正的产品一定有自己的PCB，要维修损坏的智能硬件产品，拆卸掉损坏的芯片等元件并且重新焊接新的元件是必不可少的能力。这里推荐使用Proteus软件来进行教学，通过Proteus软件，学生可以体验从原理图设计、模拟仿真到PCB设计的全套产品开发流程。当然这里还少不了常用的编程软件keil，在用Proteus设计好电气原理图之后双击原理图中的单片机，在弹出的属性界面中选择keil编译生成的HEX文件就可以将程序导入单片机，再点击Proteus的仿真按钮，就可以在原理图上看到程序运行的结果。仿真成功以后学生就可以发送PCB制作文件到PCB板生产厂家进行加工或者使用热转印蚀刻的方式自制PCB板，再采购元件焊接并调试。经过这样的全流程开发体验，学生将可以掌握本专业所有的核心知识和技能，成为就业市场上的抢手人才。

四、结语

单片机一体化课程中教师是主导，学生是主体，教师既要设计好学习任务，准备好教学的软硬件资源，引导学生学习职业发展必须的知识和技能，又要在教学中要充分发挥学生的主体作用，通过一个个具有实用性的教学产品的产出来激发学生主动学习的热情，通过做产品来全面训练学生的就业技能。

参考文献

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