“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的CDIO教學(xué)模式探索

摘要：以CDIO三級項(xiàng)目教學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合黑龍江科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)及“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)模式和CDIO三級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)方法。從教學(xué)體系構(gòu)建、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)支撐體系及效果等方面進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：CDIO；單片機(jī)原理；教學(xué)改革

作者簡介：王朋（1976-），女，吉林省吉林市人，黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，講師；郭明良（1970-），男，遼寧海城人，黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，教授。（黑龍江#8194;哈爾濱#8194;150027）

基金項(xiàng)目：本文系黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（課題編號：GBB1212052）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0083-02

現(xiàn)階段很多課程的教學(xué)過程中，無論是理論教學(xué)環(huán)節(jié)還是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，仍停留在以教師組織引導(dǎo)為主線的模式，這種教學(xué)形式有利于系統(tǒng)的科學(xué)知識的傳授，但卻忽視了學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知中的主體作用，尤其是對于“單片機(jī)原理及應(yīng)用”這樣綜合性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，不利于具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力人才的培養(yǎng)。CDIO是近年來提出的一種以工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向、注重學(xué)生工程能力培養(yǎng)的新型教育模式，在課程的教學(xué)活動中將理論教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)都圍繞“項(xiàng)目”這個核心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生做為主體參與整個教學(xué)過程，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”。[1，2]結(jié)合黑龍江科技大學(xué)（以下簡稱“我?！保╇姎夤こ碳捌渥詣踊瘜I(yè)課程體系結(jié)構(gòu)[3]及“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)，在課程的教學(xué)中引入CDIO三級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)法，對課程所在核心課程群、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、項(xiàng)目實(shí)施平臺及其他教學(xué)支撐體系建設(shè)等進(jìn)行了研究和實(shí)踐，使課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融相互融合，將過去的被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，形成一個有機(jī)的整體，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯提高。

一、CDIO三級項(xiàng)目教學(xué)體系的構(gòu)建

對原有理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)+工程實(shí)訓(xùn)的三個獨(dú)立教學(xué)體系進(jìn)行研究和改革探索，將“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程與“可編程邏輯控制器”、“微型智能控制技術(shù)”、“傳感器與檢測技術(shù)”、“智能控制技術(shù)”共同組成智能控制核心課程群，是電氣工程及其自動化專業(yè)四大專業(yè)核心課程群之一。

1.第三級項(xiàng)目的構(gòu)建

將課程分為單片機(jī)基礎(chǔ)知識，中斷技術(shù)、接口技術(shù)、匯編語言程序設(shè)計(jì)等模塊，針對每個模塊的特點(diǎn)和自身需要構(gòu)建三級項(xiàng)目，既可以是課堂上針對某個知識的小組設(shè)計(jì)討論，也可以是幾個章節(jié)的綜合應(yīng)用，依托單片機(jī)基礎(chǔ)工程實(shí)踐基地，主要包括單片機(jī)引腳識別、存儲器數(shù)據(jù)傳送、流水燈控制、步進(jìn)電機(jī)控制、LED顯示等實(shí)踐內(nèi)容，加深學(xué)生對單片機(jī)接口、匯編語言編程等的理解和應(yīng)用。并在三級項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)創(chuàng)新采用了實(shí)踐-理論-再實(shí)踐的項(xiàng)目實(shí)施方法，即在學(xué)習(xí)單片機(jī)基礎(chǔ)理論課程之前先利用一周左右的實(shí)踐，依托工程實(shí)訓(xùn)基地，對學(xué)生進(jìn)行簡單的基礎(chǔ)知識介紹后先進(jìn)行一次三級項(xiàng)目工程實(shí)踐實(shí)施，如單片機(jī)引腳功能學(xué)習(xí)、片內(nèi)外數(shù)據(jù)傳送、流水燈控制等簡單的三級實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生在實(shí)踐中找到需要學(xué)習(xí)和掌握的知識和重點(diǎn)，快速對所有學(xué)習(xí)的核心課程及應(yīng)用有基本的理解，對所學(xué)課程更加感興趣，帶著問題進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，避免了學(xué)習(xí)的盲目性；課堂理論學(xué)習(xí)結(jié)束之后，結(jié)合所學(xué)的內(nèi)容，再次進(jìn)行較為綜合的三級項(xiàng)目實(shí)施，如人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的控制等，即“三級項(xiàng)目實(shí)施→理論教學(xué)→三級項(xiàng)目再實(shí)施”的第三級項(xiàng)目實(shí)施方案，實(shí)踐證明取得了良好的教學(xué)效果。

2.第二級項(xiàng)目的構(gòu)建

根據(jù)課程所在的智能控制核心課程群對學(xué)生能力的相關(guān)能力要求為基礎(chǔ)構(gòu)建二級項(xiàng)目，主要培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用相關(guān)課程知識解決實(shí)際工程問題的能力，如單片機(jī)溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、備用電源切換裝置設(shè)計(jì)、交通燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，鍛煉學(xué)生在解決工程問題過程中的學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力。二級項(xiàng)目既是對智能控制核心課程群內(nèi)各課程能力培養(yǎng)的綜合，也是對整個教學(xué)體系的補(bǔ)充，為一級項(xiàng)目的實(shí)施提供支撐。

3.第一級項(xiàng)目的構(gòu)建

認(rèn)識實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)以及學(xué)生參加的大學(xué)生科研立項(xiàng)、電子大賽等，均是一級項(xiàng)目訓(xùn)練的主要實(shí)施方式。學(xué)生從解決工程問題的角度學(xué)習(xí)專業(yè)理論課程，逐步掌握工程思維方法。一級項(xiàng)目的構(gòu)建已不再是單門課程或者某個專業(yè)核心課程群獨(dú)有的項(xiàng)目，在實(shí)施的過程中，鼓勵學(xué)生進(jìn)行工程項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)協(xié)同工作能力和系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力。在一級項(xiàng)目的實(shí)施中繼續(xù)鞏固“單片機(jī)原理及應(yīng)用”相關(guān)的知識和靈活應(yīng)用的能力，與CDIO二級項(xiàng)目體系較好地銜接過渡。

二、教學(xué)方法的改革

積極探索“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)方法的改革，在三級項(xiàng)目實(shí)施的第一階段，采用漸進(jìn)式教學(xué)法，即將學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施過程分為幾個階段，首先利用實(shí)物講解單片機(jī)的組成、結(jié)合仿真軟件介紹單片機(jī)仿真與開發(fā)、匯編語言知識，通過簡單的編程訓(xùn)練、上機(jī)調(diào)試，對單片機(jī)建立初步的概念。因?yàn)樵谌夗?xiàng)目實(shí)施的第一階段，學(xué)生沒有進(jìn)行過詳細(xì)系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，在項(xiàng)目實(shí)施的過程中必然會產(chǎn)生很多疑惑和問題，然后再帶著問題進(jìn)行系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，通過理論知識解決實(shí)際中遇到的問題；之后在三級項(xiàng)目實(shí)施的最后階段，進(jìn)行三級項(xiàng)目的再實(shí)施，利用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)加深對理論課程的理解。最后通過單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用能力，使學(xué)生的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)、開發(fā)能力得到進(jìn)一步的升華，反過來又會加深對理論知識的理解。其流程如圖1所示。

三、教學(xué)支撐體系建設(shè)

基于CDIO三級工程項(xiàng)目教學(xué)法的引入實(shí)施，需要一個多元化項(xiàng)目實(shí)施支撐體系作為保障，圖2為項(xiàng)目支撐體系的結(jié)構(gòu)框圖。

1.工程實(shí)踐平臺的建設(shè)

學(xué)校投資建設(shè)了單片機(jī)基礎(chǔ)及單片機(jī)應(yīng)用兩個工程實(shí)踐基地，組織教師根據(jù)課程內(nèi)容自行開發(fā)研制了單片機(jī)工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)臺，引入開發(fā)平臺keil。單片機(jī)基礎(chǔ)工程實(shí)踐基地主要為三級項(xiàng)目的實(shí)施——理論教學(xué)——三級項(xiàng)目再實(shí)施提供支撐，采用教師現(xiàn)場引導(dǎo)方式，幫助學(xué)生完成從單一的理論知識學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐設(shè)備認(rèn)識、仿真環(huán)境的使用、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)等理論到實(shí)踐的漸進(jìn)式掌握。單片機(jī)應(yīng)用工程實(shí)踐基地主要為部分三級項(xiàng)目及二級項(xiàng)目實(shí)施提供支撐。[4，5]

2.基于Proteus的虛擬仿真實(shí)踐平臺

為了更加有力地對課程的三級項(xiàng)目教學(xué)方法提供支撐，學(xué)校投資建設(shè)了基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)踐平臺。Proteus是世界上著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus提供了實(shí)驗(yàn)室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性，提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺，并且不受實(shí)驗(yàn)場地及設(shè)備的限制。

3.研制開發(fā)了多功能單片機(jī)工程實(shí)踐箱

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，工程實(shí)踐基地內(nèi)傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺存在體積龐大，試驗(yàn)項(xiàng)目固定、受實(shí)踐場地、開放時間制約等問題，而網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺硬件搭建真實(shí)性、實(shí)際動手調(diào)試能力訓(xùn)練欠缺等問題，為了充分加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的靈活性、主動性，組織教師研制了便攜式單片機(jī)開發(fā)試驗(yàn)平臺，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該平臺由單片機(jī)控制區(qū)、數(shù)據(jù)接口及電源接口區(qū)、控制對象區(qū)、液晶顯示區(qū)、鍵盤矩陣區(qū)、通訊接口區(qū)組成。學(xué)生可以根據(jù)自己選定的綜合型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)和開發(fā)調(diào)試，每個區(qū)域?qū)W生都可以根據(jù)需要自行選擇不同型號功能的元器件。滿足二級項(xiàng)目和部分一級項(xiàng)目實(shí)施的需求，目前該平臺已獲得國家實(shí)用新型專利。

4.編寫配套實(shí)踐教材

根據(jù)三級項(xiàng)目教學(xué)法的引入，組織教師編寫完成了《單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐》、《單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)》兩本教材，分別由高等教育出版社和化學(xué)工業(yè)出版社出版，其中《單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)》先后獲得石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材二等獎，黑龍江省高等教育學(xué)會教材三等獎。

5.單片機(jī)工程師認(rèn)證

為了進(jìn)一步提高我校大學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)能力，筆者與信息產(chǎn)業(yè)部中國電子企業(yè)協(xié)會合作建立了單片機(jī)工程師認(rèn)證機(jī)構(gòu)。作為黑龍江省惟一一所具有此項(xiàng)資質(zhì)的院校，先后選派了4名教師到國家培訓(xùn)基地進(jìn)行實(shí)地培訓(xùn)，學(xué)習(xí)到了先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)技能。與大連集成電路設(shè)計(jì)中心相聯(lián)合，選送了4名教師學(xué)習(xí)集成電路軟件設(shè)計(jì)知識，為實(shí)踐基地注入了新的內(nèi)容。

三、結(jié)束語

以CDIO三級項(xiàng)目教學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合黑龍江科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)及“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)，對原有理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)+工程實(shí)訓(xùn)的三個獨(dú)立教學(xué)體系進(jìn)行研究和改革探索，提出的CDIO三級項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)方法，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生解決實(shí)際問題的能力、工程設(shè)計(jì)能力有顯著提高，近年來獲全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一、二等獎共計(jì)15項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭明良，王朋，郭松林.基于CDIO模式的電類本科實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].中國電力教育，2014，(1):158-163.

[2]劉會英，蓋玉先，徐寧.探索適合我國國情的CDIO工程教育模式[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，(7):119-123.

[3]郭明良.電氣工程全面教學(xué)改革培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，(6):83-86.

[4]王朋.“單片機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，(5):107-108.

[5]薛易.單片機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)基地的創(chuàng)立與探索[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，(4):93-95.

（責(zé)任編輯：王意琴）