基于CDIO模式下單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

董錚 張其林 寧彬 谷瓊

摘 要： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)理論課的重要延伸“課堂”，其實(shí)驗(yàn)效果好壞也是檢驗(yàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效手段。針對當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)考核方式等諸多問題，借鑒CDIO工程教育的評價(jià)體系，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系思路等方面探討了教學(xué)改革思路和方法。通過一年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了CDIO工程教育模式下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是富有成效的。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革； CDIO模式； 工程教育

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）09-75-02

Experimental teaching reform for MCU course base on CDIO

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Gu Qiong

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： Experimental teaching is an important extension of the classroom teaching， and the experimental effect is also an effective means to test the quality of personnel training. According to the current status of microcontroller teaching， the teaching and assess modes， by introducing CDIO engineering education evaluation system for reference， from the aspects of experimental teaching system， the ideas and methods of teaching reform is discussed. One year's practice shows that the CDIO mode in the experimental teaching is fruitful.

Key words： microcontroller； experimental teaching reform； CDIO mode； engineering education

0 引言

當(dāng)前就業(yè)形勢的日趨嚴(yán)峻，應(yīng)用型人才培養(yǎng)已成為高校人才教育的關(guān)鍵及教育研究的熱點(diǎn)。單片機(jī)原理作為一門課程，早已在各個(gè)高校開設(shè)起來。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)也較早，其理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，要求學(xué)生對基本理論理解要深，實(shí)驗(yàn)動手能力要強(qiáng)。如何提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力，培養(yǎng)其工程創(chuàng)新能力，增強(qiáng)專業(yè)優(yōu)勢，提高就業(yè)競爭力，已成為每個(gè)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的一個(gè)難題[1]。

CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)組成創(chuàng)立的一種工程教育理念，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個(gè)方面的有機(jī)整體。它是以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行作為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系在一起的一種學(xué)習(xí)工程方式[2]。CDIO采用12條標(biāo)準(zhǔn)來描述其教學(xué)大綱要求的教育目標(biāo)，其具體內(nèi)容包括：①以CDIO為環(huán)境背景；②CDIO教學(xué)目標(biāo)；③一體化的課程設(shè)置；④工程概論；⑤設(shè)計(jì)-制作經(jīng)驗(yàn)；⑥CDIO實(shí)踐場所；⑦綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)；⑧主動學(xué)習(xí)；⑨教師CDIO能力的提升；⑩教師教學(xué)能力的提高；[11] 學(xué)生CDIO能力評價(jià)；[12] CDIO項(xiàng)目評估。而當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程面臨的主要問題是實(shí)踐能力較弱，將CDIO模式運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中來，國內(nèi)外許多大學(xué)都進(jìn)行了嘗試。CDIO以其注重實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生動手、動腦的良好習(xí)慣，并能將理解研究技術(shù)發(fā)展對社會的重要影響，與社會所提倡的”學(xué)以致用”培養(yǎng)目標(biāo)高度吻合，受到廣大教育者的高度關(guān)注[3]。

1 單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程是為進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)展理論課程所學(xué)內(nèi)容，通過軟件實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)兩大部分內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力，強(qiáng)調(diào)軟硬件的關(guān)聯(lián)和協(xié)同，使學(xué)生能夠較好地將程序設(shè)計(jì)、匯編語言、操作系統(tǒng)等課程有效穿插起來，建立起一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理念，形成一門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程。但目前面臨如下現(xiàn)狀。

1.1 對整個(gè)課程缺乏相應(yīng)的學(xué)習(xí)動力

由于理論與實(shí)驗(yàn)課課時(shí)相差懸殊，理論課上學(xué)習(xí)知識比較生澀難懂，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)就把其他同學(xué)代碼在實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行一遍完事，很少主動思考為什么要這樣做。由于課程一般開設(shè)在大三學(xué)期，學(xué)生有的面臨考研、考證，很少在這門課上下功夫，久而久之，對整個(gè)課程就失去了學(xué)習(xí)的動力。老師在授課時(shí)感到實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，許多綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法開展，而綜合性實(shí)驗(yàn)也往往要求學(xué)生動手能力要高，這無形中導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作量加大，形成這種不利局面。

1.2 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)備故障率高

由于單片機(jī)應(yīng)用廣泛，故實(shí)驗(yàn)設(shè)備也千差萬別。一般采用廠家做好的集成度較高的實(shí)驗(yàn)箱來完成實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)箱一般主核心元器件均已固定，實(shí)驗(yàn)面板劃分為各個(gè)功能區(qū)域模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生連通跳線，編寫好的程序燒錄至芯片即可完成實(shí)驗(yàn)。由于芯片集成，學(xué)生對于關(guān)鍵芯片引腳往往不清楚，有時(shí)出現(xiàn)誤插導(dǎo)致芯片燒毀事件時(shí)有發(fā)生。根據(jù)多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，一學(xué)期下來，實(shí)驗(yàn)箱故障率在20%～30%之間。但實(shí)驗(yàn)箱多為廠家特殊定制，維修費(fèi)用偏高，而學(xué)校維修資金緊張，導(dǎo)致嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)課程考核流于形式

實(shí)驗(yàn)課程考核一般由實(shí)驗(yàn)教師對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行打分，很少關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生往往照搬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上給出的步驟，僅僅通過結(jié)果很難看出每個(gè)學(xué)生的掌握程度。有些學(xué)生渾水摸魚，得過且過。導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)考核往往達(dá)不到督促學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。

單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，極大提高了人們的生活質(zhì)量，已成為當(dāng)今社會十分重要的一門技術(shù)。單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用能力也成為相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必備技能。因此，要在有限的課時(shí)里培養(yǎng)學(xué)生對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)能力已成為當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，這也與CDIO工程教育模式實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)體系不謀而合。為此，結(jié)合我院自身特點(diǎn)，提出基于CDIO模式下單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

2 基于CDIO的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)施

2.1 創(chuàng)建良好實(shí)驗(yàn)平臺，激發(fā)學(xué)生興趣

由于開設(shè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，普遍具有實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊，學(xué)生反映理論課知識面寬，課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)總感覺動手難等問題。所以需要引導(dǎo)學(xué)生快速掌握實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)，使學(xué)生”興趣”實(shí)驗(yàn)。在新生入學(xué)時(shí)，開展基于CDIO模式下的教育導(dǎo)論實(shí)驗(yàn)課，每次由高年級學(xué)生或指導(dǎo)教師帶領(lǐng)其進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，參觀往屆畢業(yè)生實(shí)踐實(shí)習(xí)作品。通過展示往屆學(xué)生自己制作的作品，激發(fā)對實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的興趣。例如，在學(xué)習(xí)單片機(jī)課程前，讓學(xué)生對電子秤裝置有一個(gè)直觀的了解，然后再展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，講解其中A/D轉(zhuǎn)換原理，使學(xué)生感覺很多”課程實(shí)例”就在自己身邊。

2.2 開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽

為了最大限度地啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生在接受課堂教育的同時(shí)，提供給他們更大的空間進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐和科學(xué)研究，以提高學(xué)生獨(dú)立思考問題和解決問題的綜合能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。我院于2013年創(chuàng)辦了單片機(jī)愛好者協(xié)會，其會員都是對單片機(jī)很感興趣的學(xué)生，協(xié)會每年都定期開展形式多樣的設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽，引用CDIO中‘項(xiàng)目的理念[4]，將傳統(tǒng)的、枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生的潛力。通過引進(jìn)創(chuàng)新大賽，設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性得到了極大提高，也同時(shí)帶動了周邊同學(xué)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐熱情，產(chǎn)生了“以一帶十”的效應(yīng)。

2.3 提倡”口袋”實(shí)驗(yàn)，開放實(shí)驗(yàn)

開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是學(xué)校深化教育教學(xué)改革，豐富校園文化科技氛圍，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段。針對實(shí)驗(yàn)課課時(shí)少，學(xué)生往往覺得實(shí)驗(yàn)課還沒作什么就下課的實(shí)際情況，在大學(xué)三年級學(xué)生中，我們嘗試在CDIO中運(yùn)用二期項(xiàng)目——學(xué)期項(xiàng)目，一學(xué)期布置若干個(gè)目標(biāo)，使用”口袋”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，讓學(xué)生將未做完的有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶回寢室，讓其課下繼續(xù)”消化”實(shí)驗(yàn)。教改后效果十分明顯，學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力有很大提高，畢業(yè)時(shí)也因動手能力強(qiáng)而受到用人單位的青睞。實(shí)驗(yàn)室平時(shí)面向全院系開放，為此專門設(shè)計(jì)了開放管理平臺，實(shí)行預(yù)約登記，為全院師生打開方便之門，組織相關(guān)人員“一幫一”指導(dǎo)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)。經(jīng)過改革，調(diào)動了廣大學(xué)生的積極性與參與熱情，也有力提高了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的利用率。

2.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核方式

實(shí)驗(yàn)考核是檢查學(xué)生能否將所學(xué)理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中的一種手段，以往實(shí)驗(yàn)成績最后評定以實(shí)驗(yàn)課最終項(xiàng)目完成情況來決定實(shí)驗(yàn)成績，但由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，有時(shí)以小組一起考核，導(dǎo)致一些同學(xué)把別人做的代碼拷貝過來”蒙混過關(guān)”。針對此項(xiàng)弊端，結(jié)合CDIO模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作四個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，找到一套行之有效的實(shí)驗(yàn)考核體系?？己藭r(shí)，主要包括兩個(gè)方面。①綜合認(rèn)知考核。以多種形式讓學(xué)生自己對自身認(rèn)知程度的掌握情況考察，或以小組”登臺”展示階段成果，或在實(shí)驗(yàn)室以辯論會形式展開討論，提供各種方式讓學(xué)生選擇，使之努力提高自身的綜合認(rèn)知水平。②實(shí)踐動手能力考核。對CDIO的四個(gè)階段，分別給定相應(yīng)的成績，這也是對學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)主動性的一種有力督促。

2.5 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，與企業(yè)聯(lián)合辦學(xué)

加強(qiáng)校企合作是推進(jìn)院校與企業(yè)互利、共贏，共同發(fā)展的內(nèi)在要求。當(dāng)前單片機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展日益加速，學(xué)校需要尋找廠商進(jìn)行廣泛深入的合作。我院現(xiàn)與麥博信息科技公司進(jìn)行了人才訂單式的培養(yǎng)合作，與CDIO模式殊途同歸。讓每一個(gè)學(xué)生在公司有真實(shí)項(xiàng)目下動手實(shí)踐，從而進(jìn)一步提高自己的實(shí)踐能力；一面派教師深入企業(yè)進(jìn)行師資培訓(xùn)，提高自身實(shí)力。針對學(xué)校實(shí)驗(yàn)平臺更新慢，我方與麥博信息科技公司進(jìn)行合作研發(fā)，一起組織編寫實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教材，即提高了師資的整體水平，促進(jìn)了實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，又讓教師參與實(shí)驗(yàn)平臺研發(fā)，將學(xué)生一并帶入，使學(xué)生了解當(dāng)前的開發(fā)流程，為今后學(xué)生理論學(xué)習(xí)和就業(yè)/創(chuàng)業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常具有實(shí)用價(jià)值但又需要投入大量時(shí)間才能學(xué)好的實(shí)踐類課程。經(jīng)過一年多的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與摸索，基于CDIO模式下的實(shí)驗(yàn)改革在我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中得到不斷的更新與完善，也使廣大師生自身身心素質(zhì)得以提高。學(xué)生在就業(yè)和參加學(xué)校的相關(guān)競賽中，成績顯著。我們將繼續(xù)借鑒CDIO培養(yǎng)模式，加強(qiáng)專業(yè)教育研究，走出一條具有自身特色的應(yīng)用型人才培養(yǎng)之路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳付龍，齊學(xué)梅，羅永龍.四維一體計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2013.3：50-53

[2] 寧彬，袁磊，谷瓊，熊啟軍.基于CDIO模式的軟件工程課程教改探討[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2014.3：44-45

[3] 胡志剛，任勝兵，吳斌.構(gòu)建基于CDIO理念的一體化課程教學(xué)模式[J].中國高等教育，2010.22：44-45

[4] 鄭薇薇.基于CDIO的創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐[D].大連理工大學(xué)，2011.