引言
物联网技术是通过感知硬件将实物与互联网连接，然后进行通信和信息交换，最后实现智能化识别、定位、监控和管理的一种网络技术，它代表了下一代信息产业发展的重要方向[1]。单片机原理及接口技术作为感知硬件设计和开发中重要支撑，是从事物联网感知层产品开发设计的必备知识。随着物联网技术的不断创新和发展，传统的单片机课程教学已无法满足社会发展需求，主要体现在以下几个方面：教学内容未及时更新，缺少网络协议以及无线通信等内容，无法满足物联网时代背景下的专业要求；教学方法单一，课堂教学仍以教师为主导，实践教学以验证性实验为主，教学效果有待进一步提高；考核方式单一，不利于提高学生的动手实践能力、团队合作能力、创新能力以及分析解决问题的能力；遇特殊时期（如2020年新冠肺炎疫情期间）开展远程教学，教学质量无法保证。结合上述问题，传统的单片机教学在教学内容、教学方法及考核方式等方面都无法满足物联网时代背景下的教学需求，单片机课程教学改革刻不容缓。本项研究将根据培养目标和专业定位，结合物联网技术发展及课程特点，对单片机原理及接口技术课程的教学改革进行初步探索。
1 基于物联网的单片机教学内容研究
1.1 课堂内容更新
(1) 增加物联网相关知识。单片机原理及接口技术课程内容分为单片机原理和接口技术两部分。原有的单片机接口知识，已无法适应当下测控技术与仪器及电子信息工程专业本科教育的要求。在新环境下，以物联网系统为教学背景，压缩单片机原理部分内容（如片外总线扩展部分），增加ZigBee、WiFi、NB-IoT、4G-LTE、LoRa、RFID等物联网相关的网络通信知识。单片机基础课程内容专注于使用C语言进行单片机应用编程以及片内外设接口编程，包括I/O口、中断、定时器、A/D转换、USART等基础模块。然后在此基础上增加网络通信协议和CC2530无线通信单片机等相关知识，如软件架构、应用层、网络层、TI-ZStack以及寻址路由等网络协议，重点放在数据采集、数据传输、以及无线通信的教学。此过程中，学生通过对物联网相关知识的学习，不仅巩固了单片机基础模块的知识，也加深了对于物联网背景下单片机应用的认识。
(2) 对于单片机的课程设计，在教学中融入实际项目中的应用实例，将实例分解为相应的基础模块进行教学。其中单片机的基础模块和物联网部分的教学并不是相互孤立的，不能独立地进行讲解，在单片机基础模块的学习过程中，穿插各种物联网应用的经典案例[2]，引导学生进入到物联网时代背景下单片机的学习，鼓励、支持、引导学生进行编程，实现物联网应用中的基础功能。例如在智能交通管理中，利用传感器硬件，RFID或无线传感网络等技术来控制红绿灯的时间，统计汽车的数量以及测定汽车的速度等，教师通过讲述其中的实现细节来加深学生对于物联网下单片机应用的认识[3]。
(3) 教学中加入仿真软件。传统的单片机教学中会为学生设计一个综合性的51单片机实验板进行实践。但在特殊时期，如2020年疫情期间，教师需开展远程线上教学，学生无法通过实验板来进行直观的学习，这对于实践性很强的单片机教学来说影响是巨大的，教学质量无法得到保证。为了打破特殊时期单片机教学只学不练的局面，教师可以引导学生利用Keil+Proteus软件的虚拟实验平台进行80C51单片机的实验仿真，这种实验仿真的方法对于单片机学习的初级阶段是十分友好的，不仅解决了在特殊时期学生无法现场操作实验板的难题，并且相比于从理论直接到实验板操作，从理论到仿真再到实验板实际操作更加容易被单片机初学者所接受。并且在讲授虚拟实验平台的使用时，可将仿真软件中的器件与实际的实验板对比，讲解所用到器件的型号以及部分原理等，加深学生对于单片机及其外围器件的认识，更快地掌握单片机的应用。
1.2 实验内容更新
(1) 升级现有实验板例程，在基础模块例程上增加物联网技术相关的实验内容。绑定使用TI的CC2530单片机作为物联网背景下单片机实验的主控芯片，其使用了8051的内核并且封装了Z-STACK协议栈，学生在学习过程中可以免去理解一个传输协议所需要的大量时间，在使用Z-STACK的过程中了解ZigBee的大概框架，慢慢地去理解协议，最后再了解其他类型单片机平台的移植方法和过程，让学生有一个平滑的曲线去学习掌握物联网技术的实验内容，从搭建开发环境到CC2530的简单应用以及通过CC2530进行无线射频传输等实验完成物联网相关知识的拓展。并且在单片机CC2530的基础硬件实验、网络协议实验和综合试验中也结合了单片机的各类基础模块，包括I/O接口、中断、定时器、A/D采集、USART等。学生在学习物联网相关知识的同时巩固了单片机基础模块的内容。
(2) 实验内容采用进阶式设计，系统性地规划实验项目，实验内容由易到难、由浅入深；将实验教学分为基础模块实验、进阶性综合实验、物联网背景下的CC2530单片机实验。在基础模块实验中，需要学生独立地进行单片机的一系列操作，掌握单片机基础模块的电路设计和C51程序的编写。以入门实验项目——流水灯为例，教师在课堂上讲解流水灯中所涉及到的I/O口驱动和程序逻辑等内容，并且让学生在课下使用Keil+Proteus软件进行联调仿真，这样实验课上学生基本上都能完成流水灯效果的实现。以流水灯实验为样板，从而拓展到数码管、按键、定时器/ 计数器、中断等其他基础模块。在完成基础模块的教学后，开展进阶性的综合实验，例如信号发生器的设计、简易数字电压表的设计、温控系统设计等，通过进阶性的综合实验让学生巩固单片机基础模块的内容，提高学生对单片机在实际应用中的认识。经过前两阶段的实验教学，学生具有一定的单片机系统设计能力后，最后加入物联网背景下的CC2530单片机综合实验，例如物联网灯的开关控制实验、物联网温控系统实验等，通过这些实验来加深学生对于物联网整体架构以及网络通信协议的理解。
(3) 整个实验过程以学生为主体，提高学生的创新能力以及创新意识。在实现基本实验任务的基础上，鼓励学生进行创新性的设计，或是使系统设计更加完善、具体、贴近生活，或是使得系统设计更加独特，让人眼前一亮[3]。这样针对不同水平的学生也能得到因材施教的效果，进度慢的同学可以只完成基本的实验任务，学习能力较强的学生也能有更多的发挥空间。
2 教学方法研究
单片机原理课程致力于应用型人才的培养，这一定位贯穿于理论教学和实验教学等各环节。在教学过程中，打破传统的课件+板书为主的填鸭式课堂内容教学以及验证实验为主的实践教学，积极探索以项目驱动式教学、翻转课堂、线上线下混合式教学等多种教学方法和手段，满足物联网时代背景下对于人才的专业需求。
（1）项目驱动式教学法
项目驱动式教学特点在于“学生为主，教师为辅”，教师在课上以项目驱动来激发和维持学生的学习兴趣，学生围绕项目任务这个主线进行学习与实验。在理论教学中，结合课程内容设置拓展项目，鼓励学生进行创新性的设计，培养学生在物联网领域发现、分析和解决相关问题的兴趣和能力。在实践教学方面，除了设置基础实验让学生熟悉单片机基础模块以外，综合性的实验教学都使用项目驱动式的教学方法。其中，实验任务布置要紧扣单片机的应用实例，主要以解决实际项目问题为目的进行项目设计，项目可来源于学生创新创业项目、教师科研项目、历年的竞赛题目以及老师根据需要自拟的题目等。实践教学中，基础模块由学生独立操作，意在巩固基础，当快速进入到综合性实验时分成小组进行实验，组长负责组织协调和工作的分配，学生之间合作互助，在此过程中引导学生进行自学、思考和讨论，让学生在掌握单片机系统的设计、调试等应用技能的同时，提升查询文献的能力、系统构思能力以及团队协作的能力和意识[4]。除此之外，积极组织学生参与各类课外科技竞赛活动，同时开放实验室由学生自由组队，以项目的形式自主开展物联网创新性实验与课外科技活动，将物联网理论与创新实践有机结合起来，充分展现面向物联网的应用培养。
（2）翻转课堂教学法
区别于“课上授课、课下作业、实验验证”的传统教学模式，翻转课堂利用网络将知识传授放在课外，让学生掌握主动权，自主规划学习内容，通过课下碎片时间进行个性化学习[5]；此模式中，教师在课前就可掌握学生的易错点和难点，在课上做出针对性的讲解，提高课堂效率，学生可以专注于基于项目的学习，并拥有足够的时间与其他人进行充分探讨，课堂时间得以更加充分的运用。比如教学单片机结构的时候，以MCS51型单片机为例，实现设计相关的说明视频，将其上传到学习平台上，让学生在课堂教学开始之前，完成视频观看，做好预习，对单片机结构形成一定的认识，这样就可以为课堂教学打下基础[6]。
（3）线上线下混合式教学
物联网背景下，结合学习通等线上教学平台，开发立体化的教学资源库，如微课、仿真软件教学等网络资源，将单片机知识可视化、立体化地进行展现，为特殊时期(如疫情期间)开展线上教学，提高单片机课程教学质量提供保障。教材方面可自主编写或选用新形态一体化教材，将每个章节的重难点理论内容、实操视频都设计提供二维码立体化呈现学习内容，学生在阅读教材时随时扫描二维码就能链接到出版社的网络平台进行阅读或观看相关的视频内容，动态自主学习知识点，不受时空限制。
3 考核方式
针对于项目驱动式教学方法下的单片机课程考核，除了期末考试中对基础理论和概念进行考核外，实验的完成情况和实验报告的质量也应占有较高的比重，课程最终的考试和评价体系由考勤（10%）、综合实验成绩（40%）、和期末笔试成绩（50%）四个部分组成[7]，其中综合实验成绩由实验项目的完成情况（70%）、创新部分（20%）以及报告质量（10%）三部分组成。教师通过增加实验报告以及其中创新部分的成绩比重，提高学生在物联网下对于单片机的应用水平以及培养其创新能力和意识，培养出具备实践能力、专业知识精通、符合社会需要的物联网专业人才。
4. 教学效果
和以往传统单片机课程教学相比，在结合物联网技术的基础上，实施单片机课程项目驱动式教学后，我校4个本科班单片机课程成绩均取得了较大进步，学生整体项目操作能力得到较大提升。通过具体项目的设计和实施，学生对单片机课程产生了更加浓厚的兴趣，学习的热情不断提高，课程学习也不再局限于课堂。学生投入项目型实验的积极性很高，能积极主动地参与各类单片机实践类课题，并在2020年度大学生创新创业训练计划项目，以团队形式出色地完成了智慧路灯系统的设计项目，在参加其它各种形式的学科竞赛中也取得了更好成绩。
5. 结语
在物联网背景下，对单片机教学内容进行补充和更新，在整个教学过程中将物联网技术与单片机课程教学深度融合，并通过项目驱动等方法进一步丰富教学手段，着力培养资料搜集能力、创新思维、人际沟通能力多方面发展的专业技术人才。该研究成果可供嵌入式系统等同类型工科课程参考借鉴，其最终目标也符合国家新工科背景下对于人才培养的要求，即让更多的人才得到锻炼，为社会输送更多的有用人才。本文成果受“中国地质大学（北京）2020年度本科教育质量提升计划建设项目”资助，特此感谢。
参考文献:
[1] 胡铮. 物联网[M]. 北京：科学出版社，2010：14-17．
[2]佟慧艳,裴晓敏,王艳辉,韩晓光.浅谈物联网时代背景下单片机课程教学改革[J].才智,2018(32):111.
[3]冯文果.物联网技术在单片机教学改革中的应用[J].教育现代化,2018,5(11):64-65.
[4]娄颜超.基于CDIO的单片机应用课程项目驱动式教学方法研究[J].喀什大学学报,2020,41(03):96-99.
[5]靳其宝,刘璨,杨芳.项目驱动下单片机新型翻转教学模式探索[J].电气电子教学学报,2020,42(06):110-115.
[6]武静.物联网技术在单片机教学改革中的应用[J].信息系统工程,2020(08):156-157.
[7]莫莉,赵悦,倪妍婷,何欣.基于“项目驱动式”单片机类课程教学改革与实践[J].科教导刊(上旬刊),2018(06):112-113+135.