CDIO背景下《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)研究

方天紅

(湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

2000年，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國(guó)研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會(huì)近2000萬美元巨額資助，經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國(guó)際合作組織。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(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)［1］。單片機(jī)原理與應(yīng)用課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，注重對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。本課程教學(xué)結(jié)合CDIO的教學(xué)理念，推進(jìn)基于項(xiàng)目研究的教學(xué)方法改革，課程重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

在推行CDIO理念的單片機(jī)教學(xué)中，項(xiàng)目式教學(xué)貫穿整個(gè)培養(yǎng)過程，項(xiàng)目實(shí)施過程是以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的項(xiàng)目研究與實(shí)踐的過程，共分為以下三種項(xiàng)目:三級(jí)項(xiàng)目(隨理論課與實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行)，促進(jìn)專業(yè)核心課程知識(shí)的學(xué)習(xí);二級(jí)項(xiàng)目(單片機(jī)課程設(shè)計(jì))，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)的核心知識(shí)模塊的能力;一級(jí)項(xiàng)目(基于單片機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì))，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。

1 基于CDIO的單片機(jī)課程教學(xué)

單片機(jī)的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中存在的問題有:(1)單片機(jī)課堂教學(xué)多以理論教學(xué)為主，形式單一，效果不明顯;(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng);(3)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)存在受場(chǎng)地和時(shí)間限制等問題，學(xué)生除了上課外，平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐。針對(duì)在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的這些問題，提出改進(jìn)思路。

1.1 理論教學(xué)

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程內(nèi)容主要包括單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、C51語(yǔ)言、并口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、串行接口、總線擴(kuò)展和應(yīng)用接口技術(shù)［2］。單片機(jī)課程是一門綜合性較強(qiáng)的課程，對(duì)初學(xué)者入門來說，有了模擬電路、數(shù)字電路和C語(yǔ)言的基礎(chǔ)，是可以學(xué)好這門課程的。要最大限度地激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，特別是學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)，需要合理地安排教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)的流水燈教學(xué)項(xiàng)目，貫穿整個(gè)單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容，在理論課堂上應(yīng)用proteus軟件［3］實(shí)時(shí)演示實(shí)際效果。

課程安排了七項(xiàng)內(nèi)容。(1)緒論:電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品智能小車演示，讓學(xué)生獲得最直接的體驗(yàn);(2)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu):講解51單片機(jī)的英文手冊(cè)和51單片機(jī)集成電路的內(nèi)部組成，單片機(jī)可以做些什么;(3)指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、C51語(yǔ)言:這三個(gè)內(nèi)容講課重點(diǎn)以C51語(yǔ)言為主，特別是C51與標(biāo)準(zhǔn)C不同的地方，指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)要闡述;(4)并口:課堂上應(yīng)用proteus演示一個(gè)開關(guān)控制的速度可調(diào)的流水燈，使用軟件定時(shí);(5)中斷系統(tǒng):兩個(gè)開關(guān)模擬兩個(gè)外部中斷源，不同中斷源對(duì)應(yīng)不同模式和顯示速度的流水燈，使用軟件定時(shí)，并演示優(yōu)先級(jí);(6)定時(shí)器計(jì)數(shù)器:應(yīng)用proteus演示一個(gè)開關(guān)控制的速度可調(diào)的流水燈，使用定時(shí)器定時(shí);(7)串行口:應(yīng)用單片機(jī)的串行口，通過74LS164驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)控制的速度可調(diào)的流水燈，使用定時(shí)器定時(shí)。

從上面的教學(xué)內(nèi)容可以看出，一個(gè)流水燈就可以貫穿所有的內(nèi)容，而流水燈對(duì)于初學(xué)者而言，是容易理解接受的。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文中涉及，在這里主要要求學(xué)生掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.2 實(shí)踐教學(xué)

目前，大部分實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏少。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)箱上完成的，由于實(shí)驗(yàn)箱的限制，很難鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。為此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生自己制作一個(gè)單片機(jī)學(xué)習(xí)板，學(xué)生可以靈活選擇學(xué)習(xí)板的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、擴(kuò)展的項(xiàng)目。制作的學(xué)習(xí)板可以在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文中繼續(xù)使用。以學(xué)校的湖北省電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為依托，學(xué)生可以充分進(jìn)行自己的創(chuàng)造性實(shí)踐。在課程總學(xué)時(shí)不變的前提下，適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)在課程考核中所占比例。讓學(xué)生切身踐行CDIO的做中學(xué)，提高個(gè)人學(xué)習(xí)能力。

2 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

CDIO工程教育理念的一個(gè)重要的目的是培養(yǎng)人際團(tuán)隊(duì)能力。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中通過開展討論式、互動(dòng)式和研究式教學(xué)，著重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，不斷提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，并開展基于團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目研究教學(xué)方法的改革與探索。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，主要把握下面3點(diǎn)。

2.1 分組方案

成立3人小組，組成小團(tuán)隊(duì)。以往教學(xué)中的單人單組，會(huì)出現(xiàn)很多弊端。如學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到問題，不方便進(jìn)行相互的交流，不利于控制學(xué)習(xí)成本，選擇同樣題目的千篇一律等。成立小組后成員分工明確，分別有人主要負(fù)責(zé)硬件的、軟件的和撰寫報(bào)告的，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)的整體協(xié)調(diào)合作，有利于鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.2 設(shè)計(jì)題目的選取

課程設(shè)計(jì)題目主要參考全國(guó)、省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目模式。一人一組的模式下，若課程設(shè)計(jì)題目太難，學(xué)生完成有難度;若太簡(jiǎn)單，又不像課程設(shè)計(jì)題目。在小組模式下，題目參考競(jìng)賽賽題，適當(dāng)降低難度，提出基本要求、擴(kuò)展要求和評(píng)分細(xì)則［4］。在擬定設(shè)計(jì)題目的時(shí)候采用教師出題與小組出題并存的形式，以教師出題為主，學(xué)生出題比例控制在題目總數(shù)的20 以內(nèi)。

2.3 具體實(shí)施

以學(xué)生為主，教師為輔。安排學(xué)時(shí)為4周。第1周:通過各種途徑查找資料，確定課程具體實(shí)施方案，熟悉所要設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，教師負(fù)責(zé)審核可行性;第2周:系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，學(xué)生首先利用keil和proteus對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，達(dá)到功能要求的，教師發(fā)放相關(guān)芯片，未達(dá)到要求的繼續(xù)修改;第3周:實(shí)物制作，對(duì)仿真通過的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物制作與調(diào)試;第4周:答辯和上交作品材料，材料包括制作的實(shí)物和一份符合統(tǒng)一格式要求的報(bào)告，讓學(xué)生自己在全班同學(xué)面前現(xiàn)場(chǎng)演示自己的作品，介紹自己小團(tuán)隊(duì)組員的分工、發(fā)揮的作用。最后，教師根據(jù)整個(gè)小組每個(gè)成員從選題開始到答辯結(jié)束的分工表現(xiàn)情況，給出這門課的成績(jī)。

3 基于單片機(jī)的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)完本課程后，鼓勵(lì)學(xué)生在單片機(jī)平臺(tái)上與其他課程相結(jié)合，完成相應(yīng)的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。由于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間安排上的問題，使得現(xiàn)存畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)環(huán)節(jié)產(chǎn)生以下主要問題:(1)畢業(yè)論文時(shí)間緊迫，目前畢業(yè)論文選題的時(shí)間是在大三的下學(xué)期即6月開始，除去期間寒暑假，還要考慮學(xué)生外出找工作、考研等因素，學(xué)生真正用在畢業(yè)設(shè)計(jì)上的時(shí)間不到4個(gè)月;(2)學(xué)生缺乏主動(dòng)性，絕大部分題目是由老師選定，并非學(xué)生個(gè)人愛好，在一定程度上限制學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)造性;(3)論文質(zhì)量下降，迫于學(xué)生就業(yè)、考研和畢業(yè)的原因，答辯要求相對(duì)有所放寬，導(dǎo)致質(zhì)量下降。

基于CDIO思想，將這種先進(jìn)的教育理念充分地融入畢業(yè)設(shè)計(jì)改革中，充分激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)他們解決問題的能力。

3.1 新的畢業(yè)論文執(zhí)行時(shí)間

具體實(shí)施分為:(1)確定導(dǎo)師與選題階段，從大三的下學(xué)期開學(xué)初即3月左右，確定導(dǎo)師與選題，與單片機(jī)開課時(shí)間同步。按照學(xué)生為主、教師為輔的原則確定論文題目，教師參與論文可行性的分析。(2)具體實(shí)施階段，從大三下學(xué)期的5月初到大四下學(xué)期的3月，學(xué)生要完成實(shí)物制作和調(diào)試。(3)答辯階段，從大四下學(xué)期的3月到6月，畢業(yè)論文的撰寫、修改、定稿和總結(jié)。

3.2 新的論文指導(dǎo)制度

由于院系采取的導(dǎo)師命題、學(xué)生選題的形式，在一定程度上造成學(xué)生自主意識(shí)不強(qiáng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量不高。同時(shí)，教師每年平均要出10個(gè)左右的題目供學(xué)生選擇，很難保證教師每年出的題目都具有新穎性。針對(duì)上述問題，建立學(xué)生為主、教師為輔的新導(dǎo)師制度。從選題、執(zhí)行到最后的答辯主要由學(xué)生自主完成，每名學(xué)生有一名指定的導(dǎo)師;遇到棘手的問題，同方向的教師有責(zé)任輔助指導(dǎo)學(xué)生，達(dá)到教師資源共享［5］。

3.3 考核形式

考核形式采用答辯的形式，包括論文內(nèi)容簡(jiǎn)述、實(shí)物演示和答辯。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括:題目的難度和創(chuàng)新性、論文工作量、畢業(yè)論文格式與完成質(zhì)量、實(shí)物制作與實(shí)現(xiàn)指標(biāo)和答辯表現(xiàn)等。有了詳細(xì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的評(píng)判表格，教師和學(xué)生均明確各個(gè)環(huán)節(jié)的最低要求，最后給出恰當(dāng)?shù)某煽?jī)和評(píng)語(yǔ)。

4 教學(xué)效果

通過對(duì)一些改革措施的實(shí)施，在實(shí)際中產(chǎn)生了一些良好的效果:(1)學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，提高了自己的實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新性;(2)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅提高了對(duì)學(xué)生的要求，同時(shí)也對(duì)教師提出了新的要求，促使教師提高自己的業(yè)務(wù)能力，教師與學(xué)生之間形成互促的良性循環(huán);(3)電子競(jìng)賽類成績(jī)顯著提高，獲得了全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)TI大學(xué)計(jì)劃2011—2012年德州儀器(TI)C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽控制類比賽獲本科組三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，2012年湖北省大學(xué)生TI杯電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲省本科組特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、?？平M二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、本科組三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，2012年湖北省第二屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲省二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)3項(xiàng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是一門實(shí)踐與理論相結(jié)合的課程，CDIO理念在強(qiáng)調(diào)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及工程系統(tǒng)掌控能力。文中針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合CDIO教學(xué)理念對(duì)學(xué)生的要求，探討了以三級(jí)項(xiàng)目為中心的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的CDIO能力。

［1］中國(guó) CDIO網(wǎng)站 .CDIO 簡(jiǎn)介［EB/OL］.［2013－05－23］http://www.chinacdio.cn/vNews.asp?typeID =30＆parentID=29.

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