单片机原理与接口技术混合式一流课程建设研究与实践

摘  要：单片机课程作为智能控制技术的入门课程，在培养高素质应用型智能控制人才方面具有丰富的建设内涵。阐述单片机原理与接口技术混合式一流课程的目标，指出需要解决的重点问题，介绍课程内容改革、课程资源建设与应用、课程教学组织与实施及课程考核与评价等方面的情况，总结课程的特色创新及建设成效，提出未来的建设计划。

关键词：单片机;混合式;一流课程建设;计算思维;软硬融合技能

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）15-0048-05

Abstract： As an introductory course of intelligent control technology， Single Chip Microcomputer course has rich construction connotation in cultivating high-quality applied intelligent control talents. This paper expounds the objectives of the mixed first-class course of Single Chip Microcomputer Principle and Interface Technology， points out the key problems to be solved， and introduces the reform of course content， the construction and application of course resources， the organization and implementation of course teaching， the examination and evaluation of course. The study summarizes the characteristic innovation and construction effect of the course， and puts forward the construction plan in the future.

Keywords： one-chip computer; hybrid; first class curriculum construction; computational thinking; soft and hard integration skills

教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）指出，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定着人才培养质量，深化教育教学改革必须把教学改革成果落实到课程建设上[1]。一流课程建设是一流本科专业建设的基础，是新时代高等教育强国之路的重要举措[2-3]，各高校应该根据办学定位和人才培养目标定位，建设适应创新型、复合型、应用型人才培养需要的一流本科课程，实现不同类型高校一流本科课程建设全覆盖[1]。

单片机是微型计算机应用于智能控制领域的一个重要分支，单片机应用技术已经成为人工智能的核心技术，单片机原理与接口技术课程因此成为智能控制技术的入门课程，是高校电气类、电子信息类乃至工科非计算机专业学生都必须学习的一门专业基础课[4-5]，成为培养学生实践能力、创新能力及职业能力的重要课程。伴随着国家行动纲领“中国制造2025”的高质量与智能化发展需求，单片机原理与接口技术课程重要性越发彰显[6]，该课程理应按照国家一流课程的建设标准，增加课程的高阶性、创新性和挑战性，为培养高素质智能控制领域人才，推动我国智能控制技术的快速发展贡献力量。

一、课程建设目标

课程以单片机应用为载体，以学生计算思维能力、软硬融合技能、文理交融能力培养为目标，构建教学内容，开展教学活动。从有趣的单片机应用实例入手，引导学生在理解工作原理的基础上逐步扩大接口电路设计规模与程序编写规模，提高应用系统的复杂程度，使学生理解软件硬件协同工作的原理，建立微机应用系统的整体观念，具备微机应用系统设计的知识与技能;从对问题进行描述、建立数学和算法模型、进行电路设计与算法编程、软件硬件融合方面培养学生解决实际问题的能力;对学生进行人工智能强国的爱国情怀和责任担当意识教育，培养学生运用人文思想去诠释工程理论与现象的文理交融能力，引导学生探寻事理之间的相通性，丰富学生的人文情怀。

二、重点问题分析

（一）如何加强学生计算思维，实现知识转化能力

人才质量的高低不仅取决于理论知识掌握是否牢固，基本素质是否具备，更重要的是解决实际工程问题能力的强弱[7]。计算思维是指人们从对实际问题的描述到抽象建模、从理论分析到算法确定、再到最后解决实际问题的全过程科学思维能力[8]。随着信息技术的全面深入与泛在化程度加深，计算思维已经成为人们认识、理解和解决实际问题的基本能力之一[9]。单片机作为智能控制的核心课程，在教学中理应加强培养与训练学生的计算思维能力，激发学生的兴趣和潜力，使学生具有将所学知识转化为解决实际问题的能力。

（二）如何构建多维学习平台，培养实践创新能力

传统的线下课堂往往只注重知识传授，忽略实践与创新等职业能力培养。单片机课程是培养学生职业能力的核心课程，除了要用好线下理论课堂阵地之外，还需建设资源丰富的线上教学平台，满足信息化时代快捷方便学习的需要;需要建设虚拟仿真平台，揭开高度集成单片机的神秘面纱，增强教学的直观性、生动性和趣味性，节约学生进行应用系统设计与开发的时间和成本;需要建设分层次、进阶式实践教学平台，使学生从软件到硬件、从概念到应用设计都得到充分的训练，实现“学中做、做中学”，保证学习效果;更需要引导并组织学生参加各类学科竞赛，提高学生的专业素质、团队合作精神及交流表达能力。

（三）如何加强多元评价考核，提高教学效果

传统期中、期末考试的评价方式单调滞后，教学状态难以及时了解，教师无法实时调整教学内容和节奏，更无法关注到个体，学生学习欲望与动力得不到及时激发。因此急需加强过程性考核评价与反馈，使教师及时调整教学节奏与方法，实现因材施教，学生及时了解自己的学习情况，强化学习欲望;需要通过线上随堂测验与作业互评，引导学生进行纵向与横向比较，了解自己的长处与不足，转变学习态度与方法，需要通过实验细化评价，促进学生主动探索，不断获得成功，激发学习兴趣与动力。

（四）如何有效融入课程思政，提升思政素养

单片机课程内容抽象，综合性、实践性与工程性均很强，教学难度大，在该课程的教学过程中，若做好课程思政工作，将十分有利于激发学生学习热情，指导学生找到正确的学习方法，提升学生的思政素养，使学生成为新时代具有工匠精神的智能控制人才[10]。但如何在教学中无缝融入思政元素，避免思政与专业教育“两张皮”，引导学生在理解专业知识的同时，实现价值塑造，需要结合课程特点深入挖掘才行。

三、课程内容改革

根据微机控制技术最新发展对课程内容进行补充、更新与重组，增加传统80C51单片机与ARM及DSP等高档微处理器的性能与应用比较，增加80C51单片机最新衍生与改进产品的介绍，增加对80C51单片机历久弥新地在教学和业界获得广泛应用的根源剖析。相比高档微处理器的结构复杂、学习起点高、难度大、调用固件库编程、学习者对硬件结构不了解、侧重培养软件工程师的特点，80C51单片机具有内核小巧、技术成熟、硬件与开发成本极低的特点，还具有独特的学习优势，它能使学习者熟悉硬件结构，从底层寄存器设置开始编程，更好地培养学习者软硬贯通能力、微机控制思维及应用能力。教学中改变过多关注单片机本身结构和编程语言知识点细节的做法，注重电路硬件设计与软件编程的融合、加强学生计算思维能力培养，通过设计大量来自于生产和生活的项目实例进行教学，帮助学生建立微机应用系统的概念，提升解决实际问题的能力。

四、资源建设及应用

（一）教材资源建设及应用

为适应应用型本科人才“保证基础、注重实践、强化应用”的培养需要，对课程教材进行了持续不断地建设，重点在于加强学生应用能力、实践能力与创新能力的培养。2012年课程组教师出版了《单片机原理及应用》[11]，该教材充分运用keil和Proteus仿真软件，建设基于仿真实例的教材。2017年修订出版了《单片机原理及应用》（第2版）[12]，该教材建设了仿真实例和实训实例对照、便于学生动手实践的单片机教材，提供了配套的口袋实验板电路，学生可用口袋实验板完成实例验证，还可进行单片机应用系统设计，教材于2017年6月被评为江苏省高等学校重点教材。2018年出版了《单片机课程设计仿真与实践指导》教材[13]，精选了20多个单片机基础应用、光伏发电、风力发电及物联网应用的实例，让学生先仿真，再用仿真指导实物制作，该过程可操作性强，深受学习者欢迎。

（二）线上资源建设及应用

2019年11月单片机原理与接口技术课程被评为江苏省高校在线开放课程立项建设项目，已完成了近800分钟、50集学习视频的录制和上线，完成了课程讨论、作业、测验与考试等资源的建设。线上课程采用专题形式进行讲解，全方位涵盖理论、实验与课程设计，包括微机基础知识、开发软件与口袋实验板、80C51系列单片机硬件基础、软件基础、片内外设及应用、扩展技术、基于口袋实验板的单片机实验与课程设计等8个专题。课程校内SPOC已开课4期，2019年12月转为中国大学MOOC课程，已经开课3期。

（三）实践资源建设及应用

为保证学生有充分的实践机会，从理论→实验→课程设计→学科竞赛建设了分层次进阶式实践平台。

理论课首先设计了大量的虚拟仿真实例，在课堂引入虚拟仿真技术，进行现场教学演示，使学生采用仿真来理解工作原理，进行电路设计和编程训练。还设计了大量的仿真设计型课后作业，促使学生不断完成学业作品，训练计算思维和系统设计能力。

课程团队自行设计并成功研制单片机口袋实验板，完成了实验板全部配套学习资料。实验板体积小巧，携带使用方便，涵盖课程全部实验资源，学生可随时随地进行单片机实验。课程团队与启东研凌电子有限公司联合研制了DVCC-ZHC3单片机实验装置，实验装置立足于应用型教学需要，采用模块化设计思想，具有较强的模块组合与扩展能力，使单片机实验步入了“设计性实验”的崭新阶段。

单片机课程设计作品已经形成作品集，包括作品仿真、电路设计、软件程序、印刷电路板及实物制作步骤，都收集在已经出版的课程设计教材中[13]。

对参加全国大学生智能车竞赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛的同学，经过多年的传承，已经积累了多套获奖竞赛作品作为样机模型，制作或收集了教学视频资料，软件库资料齐全。

（四）思政资源建设及应用

修订了体现课程思政育人环节的课程教学大纲，组织课程组老师集体备课，总结了课程思政的实施方法，编写了与全套教学内容配套的课程思政教案;录制了课程思政微视频，其中包括与课程内容相关的形势与政策教育、激发学生家国情怀与责任担当意识的课程故事、课程哲理分析，设计了课程思政作业，包括与课程最新技术有关的研究报告、文献综述、进行课程技术演讲和设计作品比赛，对学生进行了社会主义核心价值观教育、工匠精神和科学素养培养。

五、教学组织、实施及评价

（一）教学组织

课程以学生为中心，以思政为引领，按照OBE工程教育理念组织教学。结合学生已有知识和经验，通过剖析课程知识体系、分析社会需求、对学生就业进行跟踪调研、对学科前沿进行追踪、充分融入思政元素等多途径来组织与建设教学资源，线上线下教学合理分工，形成合力，提升教学效果。教学组织与实施体系结构如图1所示。