CDI O模式下的單片機(jī)原理課程教學(xué)方法探討

林國(guó)漢，李曉秀，王迎旭

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭411101）

單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制、智能儀表、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，國(guó)內(nèi)高校都將單片機(jī)原理與應(yīng)用這門(mén)課程設(shè)置為電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程。該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性，課程學(xué)習(xí)目標(biāo)主要是讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，具備單片機(jī)系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)的能力。傳統(tǒng)的單片機(jī)原理與應(yīng)用的教學(xué)方法多為課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的模式。按照教材的內(nèi)容講解相關(guān)的理論知識(shí)，配合一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課。然而由于單片機(jī)的基礎(chǔ)理論知識(shí)比較抽象，很多學(xué)生感到枯燥，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占的比重不大，實(shí)驗(yàn)主要集中在某一段時(shí)間，很多學(xué)生不能獨(dú)立解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。因此這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于對(duì)學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。［1］

為了適應(yīng)應(yīng)用型本科培養(yǎng)需要，結(jié)合湖南工程學(xué)院卓越計(jì)劃，負(fù)責(zé)全校單片機(jī)課程教學(xué)的課程組教師將CDIO工程教育模式引入單片機(jī)原理與應(yīng)用課程，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，開(kāi)展以項(xiàng)目教學(xué)為主的CDIO模式教學(xué)，讓學(xué)生在做中學(xué)，在做中學(xué)，在有限的時(shí)間內(nèi)，既能掌握單片機(jī)理論基礎(chǔ)知識(shí)，又能培養(yǎng)實(shí)際工程問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

一 CDIO模式下的單片機(jī)教學(xué)方法探索

CDIO（conceive，design，i mplement，operate；構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作）是由麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的皇家工學(xué)院、林雪平大學(xué)、查爾姆斯理工大學(xué)等高校通過(guò)多年的探索與實(shí)踐建立起來(lái)的一種工程教育模式，CDIO工程教育模式以項(xiàng)目為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為主要目標(biāo)，以從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。在能力要求方面，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)方面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)方面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。［2］

二 CDIO工程教育模式

（一）CDIO工程教育模式下的項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法［3］是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。與其它教學(xué)方法不同，項(xiàng)目教學(xué)法以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)，以項(xiàng)目為中心，以課本為基礎(chǔ)，以工程實(shí)踐為中心。CDIO工程教學(xué)模式中對(duì)項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行了系統(tǒng)化，既注重專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又能切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)是CDIO 12條標(biāo)準(zhǔn)中的一條。該標(biāo)準(zhǔn)的具體要求包括培養(yǎng)計(jì)劃是否包含至少兩個(gè)設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷（其中一個(gè)為基本水平 ，一個(gè)為高級(jí)水平）？在課內(nèi)外活動(dòng)中學(xué)生有多少機(jī)會(huì)參與產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行。針對(duì)單片機(jī)原理和應(yīng)用課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)以及應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，我們?cè)贑DIO工程教育模式下從以下幾個(gè)方面出發(fā)，嘗試對(duì)該課程進(jìn)行了一些改革，在進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)時(shí)，按照CDIO標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)學(xué)生及學(xué)校條件精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

1．項(xiàng)目設(shè)計(jì)。在CDIO工程教育模式下，采取項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的項(xiàng)目。我們?cè)谶M(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能使該項(xiàng)目覆蓋更多的知識(shí)點(diǎn)，能夠體現(xiàn)“做中學(xué)”和“學(xué)中做”的原則；同時(shí)注意應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)特點(diǎn)，充分考慮學(xué)生的基礎(chǔ)、興趣及能力，設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有層次性，以滿(mǎn)足不同層次的學(xué)生需求；所設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有通用性，能夠培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)的CDIO能力；項(xiàng)目選擇盡量貼近企業(yè)需要，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)到技術(shù)之外的許多東西。項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后，在課程的開(kāi)始，我們對(duì)課程項(xiàng)目進(jìn)行分析，讓學(xué)生了解清楚他們需要掌握什么知識(shí)和技能，在課堂上將進(jìn)行哪些方面能力的培養(yǎng)。在進(jìn)行課程教學(xué)時(shí)，不再采取按章節(jié)順序進(jìn)行教學(xué)的傳統(tǒng)方式，而是通過(guò)課程項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展，把每個(gè)課程項(xiàng)目分成幾個(gè)單元項(xiàng)目，單元項(xiàng)目隨著課程項(xiàng)目的推進(jìn)逐一解決并進(jìn)行整合，最終形成課程項(xiàng)目。

由于參與的學(xué)生較多，我們將企業(yè)項(xiàng)目、學(xué)生自選的有意義的項(xiàng)目、有社會(huì)和市場(chǎng)價(jià)值的項(xiàng)目進(jìn)行整合，以便使學(xué)生有足夠的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。［5］最終設(shè)計(jì)的部分項(xiàng)目如表一所示。

表一 學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的部分項(xiàng)目表

續(xù)表一

2．項(xiàng)目實(shí)施。在實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法過(guò)程中，為了在提高學(xué)習(xí)效率與效果的同時(shí)降低學(xué)習(xí)成本，課程組老師自行研制了功能齊全的單片機(jī)學(xué)習(xí)板（見(jiàn)圖1）。

圖1 自制的單片機(jī)學(xué)習(xí)板

該學(xué)習(xí)版主要包括具有ISP功能的單片機(jī)、4X4矩陣鍵盤(pán)、DIP開(kāi)關(guān)、四位一體LED顯示器、繼電器、電源模塊、串行通信模塊、紅外控制模塊、串行E2PROM模塊等。單片機(jī)所有的I／O口都預(yù)留了擴(kuò)展端口，且預(yù)留一部分面包板以便進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)的主要知識(shí)點(diǎn)，如I／O端口操作，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，中斷，串行口、存儲(chǔ)器、人機(jī)接口等，都可以在開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行實(shí)踐和驗(yàn)證，再輔以小車(chē)模塊、電機(jī)模塊等其它部件，可以進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，單片機(jī)學(xué)習(xí)版結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉但功能齊全，適合初學(xué)者；攜帶方便，適合在課堂上使用；預(yù)留接口豐富，便于進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展和設(shè)計(jì)。

按照CDIO工程教育模式，項(xiàng)目的具體實(shí)施如圖2所示。

圖2 CDIO項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目具體實(shí)施包括以下幾個(gè)階段：

（1）項(xiàng)目構(gòu)思階段。以3個(gè)學(xué)生為一組，學(xué)生可以從老師提供的項(xiàng)目組中選擇項(xiàng)目，也可由學(xué)生通過(guò)查找資料，根據(jù)自己的興趣，自行設(shè)計(jì)一些有一定難度的，知識(shí)覆蓋面較廣的項(xiàng)目。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目具體要求，列出項(xiàng)目所需元器件清單，擬定設(shè)計(jì)思路，制定好系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并繪制軟件程序流程圖。通過(guò)這個(gè)階段，可以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、獨(dú)立思考和分析能力。

（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段。學(xué)生查找資料，在宿舍或?qū)嶒?yàn)室焊接好硬件電路，用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序。對(duì)于一些復(fù)雜項(xiàng)目，學(xué)生可先利用PROTEUS等軟件進(jìn)行仿真，然后再進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。這一階段不僅使學(xué)生知道各種類(lèi)型的組件，了解硬件電路原理，還可以培養(yǎng)學(xué)生的硬件電路調(diào)試能力。在這一階段期間教師隨時(shí)引導(dǎo)學(xué)生去解決所遇到的問(wèn)題，也可對(duì)基礎(chǔ)較差的學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)指導(dǎo)。通過(guò)設(shè)計(jì)階段的鍛煉，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（3）項(xiàng)目實(shí)施階段。學(xué)生自行對(duì)硬件電路和程序設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，采用不同測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)試，學(xué)生分析遇到的問(wèn)題，尋找問(wèn)題的解決辦法。學(xué)生互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短，完善設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，并根據(jù)調(diào)試結(jié)果撰寫(xiě)精煉的項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告。這個(gè)階段主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及項(xiàng)目總結(jié)能力。

（4）項(xiàng)目運(yùn)行階段。每個(gè)小組按照項(xiàng)目的任務(wù)要求進(jìn)行答辯，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)物操作演示，教師及其它組的學(xué)生對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)等進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后進(jìn)行自評(píng)、小組互評(píng)和教師評(píng)價(jià)，根據(jù)考核評(píng)價(jià)表給出學(xué)生的綜合成績(jī)。

3．項(xiàng)目的評(píng)價(jià)總結(jié)。對(duì)每個(gè)學(xué)生完成的項(xiàng)目，教師從以下6個(gè)方面對(duì)其項(xiàng)目進(jìn)行考核：

（1）設(shè)計(jì)方案合理性與創(chuàng)造性；

（2）學(xué)習(xí)板焊接工藝及調(diào)試完成情況以及軟件設(shè)計(jì)的規(guī)范性；

（3）軟硬件結(jié)合調(diào)試情況；

（4）項(xiàng)目說(shuō)明書(shū)的質(zhì)量；

（5）答辯中的綜合表現(xiàn)；

（6）工作能力。

教師只要在項(xiàng)目評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，學(xué)生就可以在完成項(xiàng)目的過(guò)程中既掌握硬件設(shè)計(jì)和軟件程序編寫(xiě)，又掌握如何撰寫(xiě)精煉的項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，同時(shí)在互動(dòng)答辯環(huán)節(jié)中還能鍛煉口頭表達(dá)能力，完成一個(gè)完整的項(xiàng)目過(guò)程訓(xùn)練［6］。

（二）CDIO項(xiàng)目教學(xué)與科技創(chuàng)新活動(dòng)、學(xué)科競(jìng)賽相互促進(jìn)

為了更好地促進(jìn)CDIO項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施，同時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，學(xué)校采取多種方式，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加科技創(chuàng)新活動(dòng)，加強(qiáng)科研能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。一是學(xué)校每年撥出專(zhuān)門(mén)經(jīng)費(fèi)，設(shè)立100項(xiàng)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目資助800－1000元，學(xué)生通過(guò)查閱資料，了解科學(xué)領(lǐng)域中有哪些需要解決的工程技術(shù)問(wèn)題，有哪些新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)計(jì)等，將CDIO項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展，結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題形成科技創(chuàng)新項(xiàng)目；二是加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，與企業(yè)聯(lián)合組織電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽：如與廣州凌凱電子有限公司、《電子制作》雜志社聯(lián)合舉辦電子設(shè)計(jì)大賽；與天煌科技有限公司聯(lián)合舉辦“天煌杯”電子設(shè)計(jì)大賽；與臺(tái)灣義統(tǒng)電子股份有限公司舉辦“義統(tǒng)杯”趣味電子設(shè)計(jì)大賽等。不少學(xué)生就是因?yàn)樵趨①愅瑢W(xué)的帶領(lǐng)和影響下，提高了單片機(jī)學(xué)習(xí)興趣，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍；三是利用湖南工程學(xué)院電氣信息類(lèi)創(chuàng)新訓(xùn)練中心現(xiàn)有資源，同時(shí)購(gòu)進(jìn)相關(guān)的儀器設(shè)備，建立常用電子元器件庫(kù)，成立常態(tài)化的學(xué)生科技創(chuàng)新小組，形成了以學(xué)科競(jìng)賽賽促進(jìn)CDIO項(xiàng)目教學(xué)、以CDIO項(xiàng)目教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生競(jìng)賽能力的良性循環(huán)。這些都進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的科研實(shí)踐和技術(shù)創(chuàng)新能力。

三 教學(xué)效果

近年來(lái)基于CDIO的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施，取得了較好的教學(xué)效果，主要有以下幾點(diǎn)：

（一）克服了部分學(xué)生對(duì)單片機(jī)的畏難心理

通過(guò)CDIO項(xiàng)目教學(xué)，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣都有一定的提高，由于很多學(xué)生不僅能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)，也能在寢室里進(jìn)行設(shè)計(jì)，同學(xué)之間相互影響，共同進(jìn)步，軟硬件設(shè)計(jì)能力、軟件調(diào)試和硬件測(cè)試能力、新技術(shù)應(yīng)用能力以及查找和運(yùn)用資料能力也都得到提高。

（二）學(xué)生利用單片機(jī)在課后進(jìn)行各種訓(xùn)練，綜合素質(zhì)明顯加強(qiáng)

工程能力和創(chuàng)新精神得到提高，尤其是通過(guò)將實(shí)際企業(yè)工程項(xiàng)目引入CDIO項(xiàng)目教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)需求與學(xué)生學(xué)習(xí)的無(wú)縫連接，學(xué)生肯干、實(shí)干、會(huì)干，求職和創(chuàng)業(yè)等社會(huì)適應(yīng)能力顯著加強(qiáng)，就業(yè)崗位層次也有較大提升。

（三）學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到良好訓(xùn)練，其應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的能力也相應(yīng)提高

近年來(lái)學(xué)生踴躍參加國(guó)家級(jí)、省級(jí)電子設(shè)計(jì)大賽，取得優(yōu)良成績(jī)，從2007年到2013年，共獲得全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、全國(guó)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、湖南省一等獎(jiǎng)6項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)和三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。這些成果的取得，與基于CDIO項(xiàng)目教學(xué)法的單片機(jī)原理及應(yīng)用為骨干課程的電子類(lèi)基礎(chǔ)課程密不可分。

四 結(jié) 語(yǔ)

將CDIO工程教育模式引入單片機(jī)原理與應(yīng)用教學(xué)，以CDIO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)課程教學(xué)項(xiàng)目，將教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化，改變傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與自制單片機(jī)學(xué)習(xí)版，實(shí)現(xiàn)了在“做中學(xué)”和“學(xué)中做”的良好結(jié)合，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及創(chuàng)新能力，取得良好的教學(xué)效果。

［1］ 謝 楠．CDIO項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)課程中的應(yīng)用［J］．浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013（1）：89－91．

［2］ Ed ward Crawley，Johan Mal mqvist，Soren Ostlund．Rethinking engineering education：the CDIO approach［M］．New York：Springer，2007：6－45．

［3］ 張迎輝．任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目教學(xué)法在“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”教學(xué)中的運(yùn)用［J］．教育探索，2013（6）：43－44．

［4］ 查建中．論 “做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式［J］．高等工程教育研究，2008（3）：1－9．

［5］ 朱向慶，胡均萬(wàn)，曾 輝．CDIO工程教育模式的微型項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法研究［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（11）：159－162．

［6］ 張國(guó)旭，張雅靜．單片機(jī)原理課程項(xiàng)目教學(xué)法研究與實(shí)踐［J］．電子世界，2013（4）：169－170．