作者：杜立婵 王彪 赵云 张青
来源：《广西教育·C版》2022年第04期
广西教育网教师资格证 【摘要】本文阐明在“1+X”证书制度试点制度下物联网专业嵌入式单片机技术及应用课程的考证目标及要求，分析课程教学现状及问题，提出在课程改革实践中采取基于项目应用设计课程体系、基于项目驱动设计教学方法、深化产教一体化教学模式、建立多维度考核评价机制等四个策略，以提高学生的嵌入式开发设计能力、提高该课程的教学效率。
【关键词】物联网 “1+X”證书 嵌入式单片机技术 课程改革
【中图分类号】G64 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2022）12-0161-04
国务院印发的《国家职业教育改革实施方案》中明确指出，高等职业教育是培养复合型技术技能人才及大国工匠的重要方式，其重点工作是如何提升学生的实际操作能力、工程实践能力和就业水平。同时该方案提出了在职业院校和应用型本科高校启动“学历证书+若干职业技能等级证书”的试点工作（简称“1+X”证书制度），并针对物联网专业设置了“传感网应用开发”职业技能等级证书。因此需要对职业教育现存的课程内容、教学方式以及教学手段进行相应改革与探索，以实现高等教育与工程实践的有机融合。
传感网应用开发是物联网产业链中基础性、关键性岗位，是最具物联网特征的专业技术岗位。在2019年公布的第二批“1+X”证书制度试点证书中，笔者所在的南宁职业技术学院物联网应用技术专业成功入选“传感网应用开发”（中级）证书项目试点。本文探索在“1+X”证书制度下，依据“传感网应用开发”等级证书的考核目标，将物联网应用技术专业职业技能等级标准与专业教学内容进行有效融合，结合考证核心课程“嵌入式单片机技术及应用”的教学现状和问题进行相关教学改革与探索。
一、课程考证主要内容
“传感网应用开发”（中级）的主要技能要求是面向物联网相关科研及企事业单位中的研
发助理、品质管理、产品测试以及技术支持等岗位，从事编码实现、功能验证以及系统调试等相关工作的能力。“1+X”证书制度的技能要求就是要求积极拓展“X”中的工程实践能力，结合“传感网应用开发”（中级）考证中具体的考核内容，将课程教学主要分为以下五个方面：数据采集，具体包括模拟量传感器、数字量传感器以及开关量传感器的数据采集;有线组网通信，具备包括RS485通信总线开发以及CAN总线通信开发能力;短距离无线通信，具备包括ZigBee组网通信以及Wi-Fi组网通信能力;低功耗窄带组网通信，具备包括NB-IoT通信以及LoRa通信组网技术能力;通信协议应用，包括写配置参数指令开发、读配置参数指令开发以及控制设备指令的开发等。
在上述考核要求中均涉及嵌入式单片机技术及应用，具体包括基本的MCU内部资源编程使用，例如IO口、定时器、串口、PWM、中断、SPI及I2C等通信接口。此外，还包括外部的接口及总线协议，例如，AD转换接口、GPIO驱动技术、RS485总线原理、CAN总线原理以及相应的ModBus协议的考核，因此选择嵌入式单片机技术及应用课程作为教学改革的对象较为合适。而在学习过程中，学生要熟练掌握上述技术的理论并能应用，还要具备基本的模拟电路以及C语言等相关知识，其中特别需要熟练掌握C语言的编程思维方法和技术，具备一定的开发能力。这样，才能在未来的职业竞争中拥有较高的竞争力。
二、课程教学存在的主要问题
嵌入式单片机技术及应用课程作为电子信息类专业的一门核心专业课程，在教学方式、方法及手段上与传统基础理论课不同，该课程与实际应用联系密切，在教学上需要作出相应的改革。目前该课程的教学主要存在以下几个方面的问题。
（一）课时设置不合理
该课程实践性较强，教学过程需要与具体的项目和应用相结合才能让学生学懂会用。在目前各大高校普遍压缩课时的情况下，该课程理论课时保留较多，理论与实践课时比例不合理。或者理论与实践分开授课，造成学生在实训操作时，已忘记此前学过的理论，导致学生难以将理论与实际应用相联系，非常不利于教学活动的开展，导致学生学习难度加大，教学效果不理想。
（二）实践教学单薄
传统的课程教学大多采用单一的理论讲解和演示方式授课，如仅使用PPT教学，较难满足一门实践性很强的课程的教学要求。此授课方式限制了内容的表达，教学效率低下。较为
突出的问题是学生难以深刻理解单片机系统的基本结构、原理及指令的执行过程，导致在实训中出现诸多难以消除的困惑，进而影响学生的积极性，学习效果大打折扣。
（三）课程考核方式单一
目前该课程的考核方式多采用机试，分为理论题与编程题。理论题目内容为记忆知识点，学生即使以优秀的理论成绩通过考试，在实际的嵌入式单片机开发过程中仍然难以开展。因此，对实践性较强的课程而言，采用单一的考核方式对学生创新能力的培养是非常不利的，也难以有效提高学生的职业技能，提升就业能力。
在“1+X”证书制度下，教学要求是保证完成好的“1”的同时，应积极拓展“X”的能力。具体到对物联网专业学生的要求，就是使其通过“传感网应用开发”等级考证的同时具备相关职业技能。从培养应用型技能人才来看，核心考证课程“嵌入式单片机技术及应用”目前的传统教学模式已难满足“1+X”证书制度的要求。因此，院校应充分调动学生学习的主观能动性，采用实际项目驱动的教学方式，全面提升学生的嵌入式单片机系统设计开发能力，达到考取“传感网应用开发”等级证的技能要求。针对上述问题，笔者结合本团队多年的教学经验以及“传感网应用开发”等级证的考核目标，为提高“嵌入式单片机技术及应用”课程的教学质量，进行
相关教学改革与探索。
三、课程教学与实践
为配合“1+X”考证要求，嵌入式单片机技术及应用课程中的单片机采用意法半导体公司的ARM处理器STM32F1系列作为教学实例，教学团队围绕该实例对该课程的改革与探索主要做了以下几个方面的工作。
（一）基于项目应用设计课程体系
嵌入式单片机是一门以实践动手为主的技术应用类课程，其理论教学与实践教学应该做到有机融合，相辅相成。例如，教师在讲解采用GPIO和定时器实现呼吸灯效果的原理时，该项内容包含多个知识点，既有GPIO的设置，又有定时器的配置，还有PWM的控制，如果在理论方面花很多的时长来讲解，待到实践时，学生可能已经记忆模糊。因此，教师在讲解必要的理论基础之后，可以打破理论教学与实践教学的边界，把理论和实践有机融合起来，基于项目应用重新设计课程体系，通过具体的工程项目开发与实践，令学生深刻理解理论知识，提升教学效果。在目前的教学活动中，其理论教学环节和实践教学环节应该在同一个维
度上，实现时间和空间的统一，提升教学效果和效率。表1为基于项目应用的嵌入式单片机技术及应用课程体系结构。
从表1可以看出，本体系主要采用小项目应用的方式进行课程的教学，有效分散课程相关知识点，并融入具体的小项目中，使学生通过开展实际项目，快速、高效地掌握该课程要求的相关职业技术技能。最后，通过完成综合设计类项目“智慧农场监控系统”培养学生设计较大系统的能力。
（二）基于项目驱动设计教学方法
嵌入式单片机技术及应用课程对于职业院校的学生而言，其中一些基本概念和原理还是比较抽象和难懂的。因此，可以基于项目驱动设计教学方法，即通过项目的具体需求，逐步启发、引导学生理解及应用基本原理后，实现对相关知识的全面掌握。此外，该课程也是综合性较强的一门课程，需要相关基础课程支撑，这些课程之间的联系是非常紧密的，如“C语言程序设计”“电子线路基础”以及“数字电路与逻辑设计”等课程的相关知识。这样的课程设计对巩固和强化学生的知识体系大有裨益。接下来本文就以呼吸灯设计简要阐明该教学方法。
呼吸灯的教学目标是设计一个可通过按键进行控制的LED呼吸灯效果系统，该系统基于脉冲宽度调制信号（PWM）信号实现，具体要求描述如下：（1）采用按键实现功能切换，按键采用外部中断实现;（2）LED灯的显示效果为“逐渐变亮”然后“逐渐变暗”再“逐渐变亮”的循环过程即“呼吸”效果;（3）LED灯初始为关闭状态，第奇数次按下按键时，LED灯显示呼吸灯效果，第偶数次按下按键时，LED灯关闭，循环此过程。
根据上述项目的要求，所开展的教学设计思路过程如下：
1.分析传统调整LED灯亮暗的方法为通过调节电阻大小改变电流，从而实现LED灯亮暗的变化过程。但该方法采用模拟信号，不易实现自动控制循环实现呼吸灯的效果，且效率低。启发学生采用数控电流的方式实现亮度调节，就较容易实现上述循环过程。
2.引导学生明白PWM信号作为数字信号输出实现对模拟电路进行控制的一种简单、高效的技术方法已被广泛应用于电机控制、伺服控制、开关电源以及功率控制等领域，因此，掌握PWM信号的使用具有重要的实际应用价值。
3.阐明PWM信号中一个重要特点就是占空比，即一个信号周期内高电平时间占整个周
期的百分比。在使用该信号驱动LED灯时，可理解为占空比越高，LED灯亮的时间就越长，平均电流就越大，相应的亮度就越强，否则就越暗。图1为采用10 ms周期的PWM信号驱动LED灯的波形，从图中可反映出占空比越大，LED灯亮的时间越长，消耗功率越大，亮度越大。因此，可引导学生结合图1，思考利用PWM信号占空比的调节实现数控LED灯亮度的改变。
4.阐明STM32F1处理器内部集成有8个功能强大的定时器模块，编号为TIM1-TIM8，其中6个定时器设计有4个独立通道，均可以设置为PWM工作模式。引导学生实践，在设计好输出PWM信号频率后，只需按照一定的时序改变CCR寄存器的值，即可实现PWM输出信号占空比的调节。
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