基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用課程教學(xué)模式探索

王啟明 郭寧峰 周艷艷

摘 要：現(xiàn)有的任務(wù)驅(qū)動、項(xiàng)目驅(qū)動等教學(xué)模式雖然能夠在一定程度上提升學(xué)生的自主性與團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，但其大多脫離現(xiàn)實(shí)生活，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。文中嘗試以音樂頻譜項(xiàng)目為載體，按照工程項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作四個部分進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開展CDIO工程教育模式的教學(xué)實(shí)踐，旨在提高學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時更加注重提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO;工程教育;物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn);教學(xué)模式;課程改革;能力培養(yǎng)

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)課程是在電路與模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)原理及應(yīng)用以及傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)課程之后進(jìn)行的實(shí)踐操作與訓(xùn)練，采取工程化項(xiàng)目訓(xùn)練方式，使學(xué)生綜合數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)傳感器等綜合基礎(chǔ)應(yīng)用知識，培養(yǎng)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)開發(fā)實(shí)踐能力，訓(xùn)練其專業(yè)技能素養(yǎng)與職業(yè)道德素質(zhì)，從而為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)實(shí)習(xí)打下基礎(chǔ)，提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)的能力。

1 現(xiàn)狀分析

本校物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)采用分散上課的模式，近年來進(jìn)行了一系列課程改革，如采用集中實(shí)訓(xùn)的方式，任務(wù)驅(qū)動、項(xiàng)目驅(qū)動及對分課堂的授課模式。這樣的改革方案雖然收到了一定的效果，但是在任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式下，由于不同學(xué)生的知識儲備與解決問題的能力有所差異，每組學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度快慢不等，甚至在實(shí)訓(xùn)的最后幾天，有的組已經(jīng)提前完成任務(wù)，有的組卻還在半道摸爬滾打。這樣的情況不僅不利于教師對教學(xué)進(jìn)度的掌控，更會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)模式能使學(xué)生經(jīng)歷問題解決的全部過程，且項(xiàng)目基本都來自現(xiàn)實(shí)的生活需求，這樣的方式能夠較好地提高學(xué)生的積極性與協(xié)作能力，但是在實(shí)施的過程中存在一些問題，如學(xué)生過于以自我為中心，在解決一個問題的過程中往往會引出更多問題，以至于后來忘記了最初想要解決的問題。

2 CDIO簡介

CDIO是一種在項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上增加了產(chǎn)品管理的工程教育模式。在這種教育模式下，學(xué)生的項(xiàng)目內(nèi)容不僅是完成一個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，還要完成產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作。CDIO工程教育模式完善了項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式下各項(xiàng)目小組之間的孤立性，使各小組之間相互聯(lián)系，產(chǎn)品的最終質(zhì)量受到學(xué)生之間誠信、協(xié)同等問題的直接影響，促使學(xué)生對項(xiàng)目的管理更加嚴(yán)格、謹(jǐn)慎，而這樣的學(xué)習(xí)過程與學(xué)生未來將要從事的實(shí)際工作更加貼近，更加有利于學(xué)生的發(fā)展。

CDIO工程教育是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)在Knut and Alice Wallenberg基金會的資助下，經(jīng)過四年的探索研究后創(chuàng)立的一套教育理念。這套理念不僅繼承發(fā)展了歐美地區(qū)多年來工程教育改革的優(yōu)秀理念，更重要的是它還系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)評測的12條標(biāo)準(zhǔn)。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)作的過程為載體，使學(xué)生積極、實(shí)踐地學(xué)習(xí)工程。其培養(yǎng)大綱首次將工程畢業(yè)生必備的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際協(xié)作能力及整個CDIO過程能力以逐級細(xì)化的方式表達(dá)出來，以更加明確的方式使學(xué)生在各個層面達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 項(xiàng)目實(shí)施

以實(shí)施音樂頻譜項(xiàng)目為例，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)的時間要求為1周，5個工作日，每天8課時，總計(jì)36課時。在這一周內(nèi)，其他課程全部停課，在3110實(shí)訓(xùn)室內(nèi)進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。2017物聯(lián)網(wǎng)工程1班安排在第一周，2017物聯(lián)網(wǎng)工程2班安排在第二周，由學(xué)校導(dǎo)師和深圳信盈達(dá)科技有限公司工程師雙師授課，具體時間分配如下：

（1）嵌入式、51單片機(jī)焊接實(shí)訓(xùn)（1天）;

（2）焊接音樂頻譜的開發(fā)板實(shí)訓(xùn)（1天）;

（3）項(xiàng)目硬件驗(yàn)收以及環(huán)境搭建實(shí)訓(xùn)（1天）;

（4）項(xiàng)目功能綜合實(shí)訓(xùn)（1天）;

（5）實(shí)現(xiàn)功能、撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告、答辯、考評（1天）。

3.1 音樂頻譜項(xiàng)目的構(gòu)思

通過1周的51單片機(jī)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課程，完整地把一個音樂頻譜儀開發(fā)板中所需要掌握的技能全部展現(xiàn)出來，使學(xué)生了解STC8A系列單片機(jī)與LED顯示驅(qū)動芯片的原理及各引腳的含義，熟練掌握ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換原理、離散傅里葉變換快速算法（FFT）及各種取模軟件的使用。另外，使學(xué)生熟悉簡單的焊接技術(shù)與實(shí)際嵌入式51項(xiàng)目開發(fā)工作，并涉及各個環(huán)節(jié)。在實(shí)訓(xùn)過程中，向?qū)W生明確項(xiàng)目的需求，鼓勵學(xué)生積極查閱資料，自主構(gòu)建知識體系，從而提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析與解決問題的能力。完成本課程學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生對嵌入式51項(xiàng)目開發(fā)流程有較為深刻的認(rèn)識，同時也具備了踏入高端STM32開發(fā)的基礎(chǔ)知識。

3.2 音樂頻譜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

音樂頻譜產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)可以分為信號接收、信號處理及信號顯示三個模塊。以STC8A4K60S2A12單片機(jī)為控制核心，利用單片機(jī)內(nèi)置的ADC采集音頻信號，并將采集到的音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過離散傅里葉變換快速算法對數(shù)字信號進(jìn)行處理與運(yùn)算。FFT計(jì)算出頻譜值后，由以74HC595芯片為顯示驅(qū)動的LED矩陣將FFT計(jì)算得到的音頻信號各個頻點(diǎn)的大小進(jìn)行直觀顯示。程序流程如圖1所示。

另外，音樂頻譜產(chǎn)品的功能還包括簡單的開機(jī)Logo、按鍵開關(guān)等，在學(xué)生完成產(chǎn)品的主要需求后，鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新，根據(jù)自身的創(chuàng)意豐富產(chǎn)品的功能與實(shí)用性。

3.3 音樂頻譜產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

音樂頻譜產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)主要通過兩個方面來完成。

（1）硬件實(shí)現(xiàn)

在學(xué)生掌握一定的焊接技術(shù)后，開始音樂頻譜開發(fā)板的焊接工作。其中包括單片機(jī)、顯示驅(qū)動芯片、晶振、電阻電容、六角按鍵開關(guān)、LED燈等各種元器件的焊接。焊接過程中應(yīng)要求學(xué)生嚴(yán)格遵守焊接規(guī)則，指導(dǎo)學(xué)生的操作，避免出現(xiàn)弱焊與虛焊的情況，焊接后還應(yīng)做到元器件的排列整齊、美觀、穩(wěn)固。

（2）軟件實(shí)現(xiàn)

基于C語言編寫ACD程序、FFT算法及LED顯示程序，編寫Logo的動態(tài)顯示程序等。鼓勵學(xué)生進(jìn)行討論、交流，并根據(jù)學(xué)生的編寫情況，對代碼進(jìn)行指導(dǎo)和評價。產(chǎn)品實(shí)物如圖2所示。

3.4 音樂頻譜產(chǎn)品的運(yùn)作

演示音樂頻譜產(chǎn)品的各項(xiàng)功能，驗(yàn)證成品能否滿足項(xiàng)目要求。從外觀、功能、創(chuàng)新等方面對產(chǎn)品進(jìn)行評估，對有創(chuàng)新的小組提出表揚(yáng)，對有缺陷的小組則提出意見與修改建議;發(fā)現(xiàn)并總結(jié)產(chǎn)品中存在的問題，然后進(jìn)行講解;總結(jié)歸納知識要點(diǎn)、難點(diǎn)，梳理項(xiàng)目從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)的全過程。

4 結(jié) 語

相比于其他的教學(xué)模式，學(xué)生在CDIO工程教育的教學(xué)模式下經(jīng)歷了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的全部過程，創(chuàng)作的作品都具有鮮明的個性。由于實(shí)訓(xùn)時間有限，學(xué)生不得不更加精準(zhǔn)地把握時間，嚴(yán)格按照進(jìn)度表進(jìn)行作業(yè)。這不僅避免了學(xué)生過于“放飛自我”，也有利于教師對其進(jìn)度進(jìn)行檢查與督促。采用CDIO工程教育的教學(xué)模式，能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加貼近實(shí)際工作，使其未來進(jìn)入企業(yè)后可以更加快速地適應(yīng)工作環(huán)境。

參 考 文 獻(xiàn)

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