CDIO項目教學(xué)法在單片機(jī)課程中的應(yīng)用

謝 楠

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州 310018)

0 引言

目前，國內(nèi)高校開設(shè)相關(guān)的單片機(jī)課程主要有《單片機(jī)原理及應(yīng)用》和《單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)》，均是理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，同時也是相關(guān)專業(yè)的核心課程.課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)是學(xué)生通過單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)知識，具有單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的能力，為單片機(jī)應(yīng)用工程師崗位培養(yǎng)奠定基礎(chǔ).傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)多為課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，按照教材內(nèi)容講解相關(guān)的理論知識，并為其配備一定比例的上機(jī)實驗學(xué)時.但是因為單片機(jī)的基礎(chǔ)理論知識比較抽象，實驗學(xué)時所占比重相對較低，而且上機(jī)實驗課也是針對某一類型單片機(jī)開發(fā)實驗箱上進(jìn)行操作實踐的，同學(xué)們幾乎只須按照實驗指導(dǎo)書的操作說明和一定實驗接線完成硬件電路的設(shè)計，學(xué)生在現(xiàn)有的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的編程與效果實現(xiàn).但是很多同學(xué)對實驗程序的編寫和具體硬件電路如何設(shè)計等知識的理解還不夠透徹，對實驗過程中出現(xiàn)問題獨(dú)立解決的人數(shù)也不多，對于發(fā)現(xiàn)解決問題思路還是很模糊，因此這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于工科學(xué)生學(xué)習(xí)和工程能力綜合素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)發(fā)展.

為了適應(yīng)當(dāng)前工程教育的需要，結(jié)合浙江水利水電?？茖W(xué)校“水文化”教學(xué)理念及CDIO教學(xué)模式，對單片機(jī)課程教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，開展以項目教學(xué)為主的CDIO模式教學(xué)，讓學(xué)生做中學(xué)，在有限的時間內(nèi)，既掌握單片機(jī)理論基礎(chǔ)知識，又具有一定的實際工程問題解決能力和創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力.

1 CDIO項目教學(xué)模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果.CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期的為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程.CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[1］.

目前全國已有幾十所高校在開展CDIO試點(diǎn)工作.近兩年來，浙江水利水電?？茖W(xué)校加強(qiáng)校際交流，借鑒國內(nèi)外教學(xué)模式改革經(jīng)驗，拓展新思路，特別是結(jié)合浙江水利水電?？茖W(xué)校近60年的辦學(xué)特色，深入“水文化”的研究，推進(jìn)CDIO高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)模式CDIO教學(xué)改革試點(diǎn)，其一重要愿望——提高學(xué)生“應(yīng)對市場變化的能力和可持續(xù)發(fā)展能力”，其中一個重要立足點(diǎn)就是加強(qiáng)職業(yè)核心能力的培養(yǎng)，職業(yè)核心能力是CDIO四大能力之一，需要通過精心設(shè)計的教學(xué)模式，實現(xiàn)人文精神、社會能力在第一課堂的滲透培養(yǎng)，凸顯學(xué)生職業(yè)核心能力的培養(yǎng)，浙江水利水電?？茖W(xué)校已在一些重點(diǎn)專業(yè)上進(jìn)行了CDIO教學(xué)改革試點(diǎn)[2］.

2 CDIO單片機(jī)課程項目化教學(xué)

項目教學(xué)法由以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，由以課本為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴绊椖俊睘橹行?，由以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嶋H經(jīng)驗為中心，其實在一定程度上就是CDIO教育理念所提倡的在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面上進(jìn)行綜合培養(yǎng)的教學(xué)模式.而基于CDIO理念的項目教學(xué)法就是在項目教學(xué)法的基礎(chǔ)上，按照CDIO教育理念進(jìn)一步深化和系統(tǒng)化，使學(xué)生在掌握專業(yè)知識的同時，切實培養(yǎng)其動手能力、綜合創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力[3］

2.1 課程項目設(shè)計

基于CDIO模式的項目教學(xué)設(shè)計，主要圍繞課程理論和實踐相融合展開，讓學(xué)生們“做中學(xué)，學(xué)中做”地循環(huán)深入學(xué)習(xí)、思考和提高.根據(jù)專業(yè)模塊崗位設(shè)置、教學(xué)計劃和市場能力需要分析，將單片機(jī)課程的抽象內(nèi)容化為具體的項目任務(wù)設(shè)計中.結(jié)合最新的職業(yè)教育改革要求以及教材授課內(nèi)容[4］，主要將單片機(jī)課程從點(diǎn)到線到面，以項目化任務(wù)設(shè)計對MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、最小系統(tǒng)、并行I/O口應(yīng)用、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、顯示與鍵盤接口技術(shù)、串行通信技術(shù)、AD和DA接口電路、存儲擴(kuò)展技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計等10個知識塊內(nèi)容進(jìn)行剖析、教、學(xué)、做，結(jié)合浙江水利水電?？茖W(xué)?！八幕苯逃砟睿苍O(shè)計了10個項目來引領(lǐng)課程的教與學(xué)，見表1.

表1 課程項目化設(shè)計

2.2 課程教學(xué)實施

課程從CDIO教學(xué)理念出發(fā)，以項目化進(jìn)行授課，每個項目分幾個子任務(wù)，均有不同的重、難點(diǎn)知識內(nèi)容，而每個項目的設(shè)計、教、學(xué)按教師和學(xué)生兩種角色進(jìn)行的，實施流程見圖1.下面將以“船舶油耗監(jiān)測系統(tǒng)”項目為例闡述一下CDIO教學(xué)實施過程，探討一下該模式在單片機(jī)課程中的應(yīng)用與實踐.

圖1 CDIO模式的單片機(jī)課程教學(xué)實施流程

(1)課程項目構(gòu)思

項目主要目標(biāo)是，讓學(xué)生利用單片機(jī)中斷功能、A/D接口技術(shù)、I/O口應(yīng)用、鍵盤與LED顯示功能接口技術(shù)，模擬完成船舶油耗量的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.教師扮演項目經(jīng)理角色，將仿真系統(tǒng)進(jìn)行演示，將項目分模塊布置任務(wù):AD采集模塊、按鍵啟動模塊、油耗顯示模塊、異常數(shù)據(jù)報警設(shè)置.讓同學(xué)們在思考中學(xué)習(xí)，完成各個項目模塊的設(shè)計思路.這個階段可以很好鍛煉同學(xué)們的獨(dú)立思考和分析問題能力，加強(qiáng)自學(xué)能力，培養(yǎng)他們多思、問題分析與解決問題能力等.

(2)課程項目設(shè)計

教師通過對項目模塊的分析，要求同學(xué)們對每一個模塊進(jìn)行概念分析、理論求解，提出設(shè)計方案，每組成員分模塊進(jìn)行方案驗證，結(jié)合Keil C和Proteus電子仿真軟件進(jìn)行硬件電路原理圖設(shè)計、代碼編制與調(diào)試.教師需要不斷地鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)作性設(shè)計、善于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，組成員之間如何對項目進(jìn)行模塊測試及項目集成調(diào)試，加強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng).

(3)課程項目實施

在實施過程須強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)知識的理解和運(yùn)用.教師對各個小組的設(shè)計方案進(jìn)行仔細(xì)討論和分析下，準(zhǔn)備好電子元器件等實驗設(shè)備與器材，給定前端油耗量和傳感器硬件電路，組成員分模塊完成電子元件焊接和電路測試.在進(jìn)行課程項目實施過程中，教師須要求學(xué)生進(jìn)行項目設(shè)計的驗證和反驗證，灌輸他們項目研發(fā)過程一種堅持不懈的精神和成功信念，激發(fā)他們創(chuàng)新的靈感和學(xué)習(xí)興趣.即使在實施過程中遇到困難，程序下載，LED無法正常顯示油耗量，此時須啟發(fā)學(xué)生應(yīng)該去尋找和分析失敗的原因，從硬件電路到程序設(shè)計等細(xì)心檢查，運(yùn)用不同的測試方法進(jìn)行調(diào)試，以培養(yǎng)學(xué)生對項目的思考分析能力，以更進(jìn)一步優(yōu)化硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計代碼等.在這個過程，要讓學(xué)生明白項目的完成是團(tuán)隊成員相互協(xié)作共同努力的結(jié)果，每個人負(fù)責(zé)自己模塊與任務(wù)，并按項目設(shè)計方案達(dá)到項目目標(biāo)，以更好地培養(yǎng)CDIO教學(xué)模式對工程教育動手創(chuàng)新實踐、團(tuán)隊意識和協(xié)作精神等職業(yè)能力的執(zhí)行深度和力度.

(4)課程項目運(yùn)行與評價考核

在課程項目實施的同時，要做好每一項目的展示，團(tuán)隊共同參與項目演示，對項目的方案設(shè)計、設(shè)計思路與目標(biāo)、項目設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)攻克、調(diào)試過程中問題解決等內(nèi)容須進(jìn)行公開匯報，并將存在的疑問或無法實現(xiàn)的功能等做詳細(xì)記錄與匯報.在整個項目運(yùn)行過程中，隊員以說激思、以說驗思、以說定思，從“聽明白”到“想明白”再到“講明白”.不僅可以鞏固學(xué)生對相關(guān)知識的理解和運(yùn)用，而且培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、舉一反三的能力和解決關(guān)鍵技術(shù)問題的能力[5］.

對于課程項目考核，結(jié)合CDIO工程教育的能力培養(yǎng)為主，須從宏觀和微觀兩方面進(jìn)行階段遞進(jìn)式考核.宏觀上把握項目開發(fā)過程整個職業(yè)素質(zhì)軟能力、動手實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作、自學(xué)能力等提升情況考核，在不同的階段有意識的重點(diǎn)鍛煉不同能力;而在微觀上，需要從每一個項目不同階段要求掌握的知識重點(diǎn)以及能否靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力，有效分析和解決問題，熟練掌握Proteus ISIS電路原理圖設(shè)計、Keil C51編程以及聯(lián)機(jī)調(diào)試能力.

3 結(jié)語

CDIO的核心理論是強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)、學(xué)中做”，既加強(qiáng)專業(yè)技能的鍛煉又提高職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)軟能力的培養(yǎng)，以CDIO項目進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)須將抽象的理論教學(xué)轉(zhuǎn)化為具體的實踐教學(xué)，課程已在本校計算機(jī)應(yīng)用專業(yè)2011級學(xué)生進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)——基于Proteus的單片機(jī)技術(shù)項目化授課，改變傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)模式，讓學(xué)生在仿真學(xué)做中不斷發(fā)掘解決問題新思路，將知識點(diǎn)融會貫通靈活運(yùn)用，大大提高了學(xué)生的獨(dú)立思考能力、邏輯思維能力、團(tuán)隊協(xié)作與溝通交流能力，使得整個課程的教與學(xué)變得更加生動，同時為今后的專業(yè)教學(xué)計劃和人才培養(yǎng)方案的制定和執(zhí)行提供一個有利的科學(xué)依據(jù).

[1]馬衛(wèi)國.基于CDIO的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革探討[J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2011(19):70 －72.

[2]浙江水利水電?？茖W(xué)校教務(wù)處.深入推進(jìn)SWH－CDIO改革試點(diǎn)實施“學(xué)生職業(yè)能力提升工程”——學(xué)校舉辦《職業(yè)核心能力與就業(yè)競爭力》專家講座[R/OL］.2012－10－25[2012－12－20］.http://www.zjwchc.com/Art/Art_4/Art_4_3538.aspx.

[3]陳春林，朱張青.基于CDIO教育理念的工程學(xué)科教育改革與實踐[J］.教育與現(xiàn)代化，2010(1):30－34.

[4]王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù):C語言版[M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[5]張 愉.CDIO項目教學(xué)法在自動檢測技術(shù)課程中的應(yīng)用工作[J］.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，10(1):54 －56.