基于CDIO教育模式的微處理器課程教學改革研究

張銀行

[摘 要]為了應對新一輪科技革命對創(chuàng)新工程人才的需求，將CDIO工程教育理念應用到教學中是培養(yǎng)高層次工程型、應用型人才的重要舉措之一。課題組對CDIO模式下微處理器課程教學需要解決的關鍵問題進行了深入的討論與總結，最后探究了CDIO模式下提高微處理器課程教學質量的措施，對實踐CDIO教育模式的其他課程同樣具有一定的參考價值。

[關鍵詞]創(chuàng)新;工程教育; CDIO;微處理器

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0083-03

隨著科技的不斷進步，科技知識的內容、社會對科技人才的需求都在不斷發(fā)生變化，這對學校教育的內容、教育的質量提出了越來越高的要求。CDIO是指構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以培養(yǎng)應用型人才為主要目標，以產品研發(fā)至產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程知識。CDIO體現了系統(tǒng)性、科學性和先進性的統(tǒng)一，代表了當代工程教育的發(fā)展趨勢。微處理器課程主要包括微機原理與接口技術、單片機原理與接口技術、ARM技術原理與應用、DSP技術原理與應用4門子課程。以微處理器為核心構成的系統(tǒng)廣泛應用于儀器儀表、醫(yī)療設備、機器人、智能家用電器等領域。微處理器課程教學目的為：使學生系統(tǒng)掌握各種不同處理器的體系結構、中斷系統(tǒng)、接口技術和應用系統(tǒng)的設計方法，掌握智能化產品的開發(fā)方法。作為電子信息科學與技術專業(yè)的主干課程，微處理器課程對實踐性要求非常高。按照CDIO教育理念開展的微處理器課程實踐教學將有助于提高學生的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力。

一、CDIO工程教育模式

CDIO工程教育是麻省理工學院、瑞典皇家理工學院、查爾摩斯工業(yè)大學和林雪平大學，從2000年開始經過4年的實踐共同探索創(chuàng)立的，并以CDIO為名成立了國際合作組織。CDIO工程教育理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，而且還系統(tǒng)地提出了可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的12條標準[1]。CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的抽象表述。國內外眾多知名高校已全面按照CDIO的工程教育理念來展開教學，并取得了顯著效果，以CDIO模式培養(yǎng)的學生深受社會的歡迎。

CDIO包括了三個核心文件：1個愿景、1個大綱和12條標準。1個愿景是指為學生提供一種強調工程基礎的、建立在真實世界的產品和系統(tǒng)的“構思—設計—實現—運行”過程的背景環(huán)境基礎上的工程教育[2-3]。1個大綱首次將工程師必須具備的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和整個CDIO全過程能力以逐級細化的方式表達出來，使工程教育具有更加明確的方向性、系統(tǒng)性。12條標準對整個模式的實施和體驗進行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革更加具體化，可操作、可測量，對學生和教師都具有重要的指導意義。

二、CDIO模式下微處理器課程教學需要解決的關鍵問題

（一）教師CDIO工程實踐教學能力問題

CDIO是教育理論與工程實踐的有機結合，把系統(tǒng)的構思、設計、實施和運作作為工程教育的背景，而非簡單地進行理論教學、實驗教學，它要求教師具備能夠采用處理器進行產品開發(fā)的能力。目前高校中普遍存在“重科研，輕教學”的現象，高校衡量人才的標準是SCI論文發(fā)表的篇數，而非教師的教學能力。因此，在這種背景下，很多高校教師重SCI論文的發(fā)表，輕教學，被動地參與教學改革，更無暇從事產品開發(fā)，因此在CDIO模式的微處理器課程教學中，教師的CDIO能力面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

（二）CDIO教學模式下的微處理器課程教材改革問題

我校微處理器課程包括微機原理與接口技術、單片機原理與接口技術、ARM技術原理與應用、DSP技術原理與應用4門子課程，選用的理論教材全部屬于國家重點院校編寫的精品教材。這四門子課程不同的地方在于處理器的體系結構不同，但是處理器與外圍設備接口擴展的方法完全相同。四門處理器課程的理論教材相互獨立，缺乏關聯性、互補性，導致多本教材出現同樣的內容。另外，理論教材普遍缺少工程設計的內容，不符合CDIO教育理念。

實驗教材都是由實驗設備廠商出版，且與實驗設備相配套。由于實驗設備選自不同的廠商，導致實驗教材的質量差別較大，且存在部分重復的實驗內容。如微機原理與接口技術實驗教材中有直流電機實驗內容，在ARM技術原理與應用實驗教材中同樣也有直流電機實驗內容，不同的地方就是處理器不同，一個是8086處理器，一個是S3C2410處理器。有些教師在指導學生做實驗的時候，完全按照實驗教材讓學生重復做相同的實驗內容，浪費了人力物力。因此，迫切需要進行微處理器課程的教材改革，特別是實驗教材的改革。

（三）CDIO教學模式與MOOC課程、翻轉課堂等在線開放學習平臺的深度融合問題

受在線開放教育潮流的影響，工程教育的教與學都在發(fā)生深刻的變化。MOOC課程和翻轉課堂都是互聯網的產物，都拓展了教學時空，擴大了優(yōu)質資源的受益面，引發(fā)教師角色、課程模式、管理模式的變革[4]。這樣的背景下，學生可不限時間、不限地點進行學習。學生主動操作，主動思考，老師線上、線下都能與學生互動，為學生答疑解惑。教師要利用現代信息化技術與CDIO工程教育理念進行深度融合，實現課上、課下多層次的新型教育模式。

（四）CDIO教學模式下微處理器課程與其他課程相互分離的問題

CDIO教學模式下微處理器課程應依據學生學習的不同階段，開展不同層次的實踐教學。CDIO理念是圍繞項目來組織實驗教學體系，遵循“由淺入深、循序漸進”的規(guī)律來規(guī)劃和整合各類實驗課程，構建由設計性實驗、綜合性實驗和實際項目開發(fā)組成的多層次實踐教學體系。一個實訓產品的制作需要考慮本課程與其他課程之間的有機聯系，以典型電子產品作為載體，實訓內容要充分體現專業(yè)知識的綜合性、遞進性，對項目的設計方案進一步細化，能夠體現多門課程的專業(yè)知識。如遠程數據采集系統(tǒng)的設計中，包括了單片機與嵌入式系統(tǒng)、微機原理與接口技術、模擬電路、數字電路、C語言、自動控制原理、傳感器技術、無線通信技術等一系列課程的知識，因此CDIO模式下必須解決微處理器課程要與其他課程之間相互分離的問題。

三、CDIO模式下提高微處理器課程教學質量的措施

（一）培養(yǎng)教師的工程項目研發(fā)能力

CDIO工程模式教學對教師的CDIO能力提出了較高的要求，迫切需要對教師的CDIO能力——以微處理器為核心進行產品開發(fā)的工程實踐能力進行提升?？刹扇∪缦麓胧處煿こ虒嵺`能力、產品研發(fā)能力進行提高：（1）假期間，組織教師到企業(yè)參加培訓，到企業(yè)掛職鍛煉，參與企業(yè)的產品設計、生產活動;（2）教師在產品研發(fā)過程中，與企業(yè)界工程師們保持良好的合作關系;（3）把工程項目經驗作為學校聘用教師和教師職稱評審的條件;（4）直接聘請產品開發(fā)經驗豐富的工程師到學校傳經授教。

（二）加強微處理器課程項目體系建設

我們將CDIO項目分為共性實驗（基礎性）項目和開發(fā)性項目。共性實驗如圖1所示，主要包括微處理器的體系結構、指令系統(tǒng)及微處理器與單個開關、矩陣型開關、電機、D/A轉換器、A/D轉換器等擴展外圍設備的方法。這都是學習每種處理器都必須掌握的基本知識，因此在最早開設處理器課程（微機原理與接口技術課程）的時候，我們就注意夯實基礎。通過共性實驗項目的實施，達到以下4個目的：（1）學生掌握微處理器的體系結構、中斷系統(tǒng);（2）學生掌握微處理器擴展簡單外設的方法;（3）鞏固大學二年級學習的模擬電路和數字電路等課程;（4）訓練學生的C語言和匯編語言的編程能力。

鑒于學生在共性實驗階段已完全掌握微處理器與簡單外圍接口電路擴展的方法，因此學習單片機原理與接口技術、ARM技術原理與應用、DSP技術原理與應用等3門課程的時候，重點為利用所學的處理器進行項目開發(fā)[5]。選取的項目可以為曾經做過的實訓項目，也可以為未做過的項目。圖2所示為無線遠程數據采集系統(tǒng)，通過該項目的實施，學生掌握以下3方面的本領：（1）市場需求分析，項目策劃;（2）功能分析，方案對比，器件選擇，畫PCB板，焊接器件，測試產品;（3）對項目進行總結，找出產品外觀方面存在的不足或功能方面存在的不足，改進產品外觀，優(yōu)化功能。學生完整地完成“構思—設計—實現—運作”的全部流程。在此過程中，學生不僅學到一些必要的專業(yè)知識，而且提高了更重要的應用能力和創(chuàng)新能力。如果每門微處理器課程的教學過程中都能實施兩三個這樣具體的項目，那么我們培養(yǎng)的學生一定能經得起社會的檢驗。

（三）組織學生開展創(chuàng)新設計

利用電子科技創(chuàng)新與競賽工作室平臺開展開放式實踐教學，并組織學生參加學科競賽。僅2017年我院就獲第三屆中國“互聯網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽三等獎，全國大學生電子設計競賽全國二等獎等多個獎項。我院申報了多項校級一般、校級重點、省級大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目。項目成員組成負責創(chuàng)新性項目的實施，教師秉持“學生為主導，教師為輔”的原則，對項目的實施方案把關，提供技術性的指導，對學生購買的電子器件進行審查。項目經費完全由學生支配，老師負責監(jiān)督，但無權支配項目經費。通過2年左右的時間進行CDIO項目訓練，學生可申報校級大學生科研項目，依據項目的需要獨立地開展研究，學習新方法、新理論，進一步提高自己的工程實踐能力。

（四）與企業(yè)深度合作

在CDIO工程教育中企業(yè)起著獨特的，學校無法替代的作用[6]。企業(yè)工程師處在項目開發(fā)的最前沿，因此CDIO模式下的微處理器課程教學需要與企業(yè)深度合作。依據學生的知識儲備、創(chuàng)新能力的不同，分別在實踐教學周、實習期、畢業(yè)設計3個階段與企業(yè)開展不同模式的合作。

在實踐教學周，為了提高ARM技術原理與應用實踐課的質量，我院聘請廣州粵嵌通信科技股份有限公司（簡稱粵嵌公司）的工程師到學校開展實訓?；浨豆镜母呒壒こ處熞泽w檢、考駕照都需用的“色盲檢測系統(tǒng)”為題開展實訓，共分4個階段實施。第一階段包括：（1）項目需求介紹;（2）項目效果演示;（3）技術分析。第二階段包括：（1）Linux環(huán)境下文件管理;（2）屏幕顯示原理;（3）屏幕顯示代碼的編寫。第三階段包括：（1）圖片文件格式解析;（2）Bmp圖片文件的顯示;（3）Jmp圖片文件的顯示;（4）隨機文件的生成。第四階段包括：（1）項目整體功能實現;（2）擴展功能及創(chuàng)新想法的實現。這4個階段循序漸進，難度逐步加大。學生熱情高漲地做項目，收獲滿滿，教師發(fā)現了自己日常實踐教學中存在的問題，實踐最終獲得學生與老師的雙贏。

在學生實習階段（我校學生實習時間一般安排在大四上半學期課程教學結束之后），安排學生到粵嵌公司、尚觀嵌入式學院等從事智能化產品開發(fā)的企業(yè)實習。為了提高學生實習的質量，學校每年為企業(yè)提供2萬元的實習經費，而企業(yè)必須制訂實習計劃，讓學生參與實際項目的開發(fā)，并安排工程師加以指導。通過實習，讓學生提前體會到必經的角色轉換，接受職業(yè)文化特征的熏陶，體驗到學習與工作的巨大差別，從而珍惜在學校的美好時光，增長才干，提高能力。

在畢業(yè)設計階段，將以微處理器為核心器件開發(fā)的產品作為學生的畢業(yè)設計作品，并讓學生在企業(yè)完成畢業(yè)設計工作。企業(yè)為學生創(chuàng)造了在實戰(zhàn)化情境中從事產品開發(fā)的條件。與此同時，學生也為企業(yè)創(chuàng)造了利潤。以這種方式開展的畢業(yè)設計，學生的社會競爭力顯著提高，畢業(yè)時不會存在找不到工作的問題，企業(yè)也在學生做畢業(yè)設計的過程中發(fā)現自己需要的人才，會積極參與到微處理器課程的實踐教學中，這樣就從根本上解決了學校教育與企業(yè)人才需求脫節(jié)的問題[7]。

（五）定期開展項目交流活動

對于創(chuàng)新性實驗計劃項目、科研型項目以小組合作的形式開展實施。在項目的實施過程中，每個月開展一次項目交流活動。項目組長介紹項目的構思、項目的進展、項目的難點、項目經驗。教師、學生集中對項目進行點評。通過項目交流，各小組發(fā)現本小組存在的問題，而汲取其他組的經驗。交流會結束后學生改進方法，加快進度。定期開展項目交流活動不僅有助于提高學生的項目開發(fā)能力，同時也鍛煉了學生的溝通交流能力、語言表達能力。

（六）評價考核體系多元化

傳統(tǒng)考核學生的方法中平時成績占10%，實驗成績占20%，期末考試成績占70%。傳統(tǒng)的評價體系只能考查學生對微處理器硬件資源掌握的熟練程度，無法對學生以微處理器為核心進行工程項目設計的能力、創(chuàng)新能力進行考查?；贑DIO工程教育理念的教學應采取多元化的評價體系。應降低期末考試卷面成績所占的比重，提高平時成績所占的比重，并對學生做的實際產品進行評估[8]。對于期末試卷，應該降低識記內容占試卷的比重，增加理解知識、應用知識的比重。對平時成績可采取作業(yè)、課堂回答問題、產品案例分析等形式進行考核。對實際產品的評估可用產品功能演示、產品包裝、市場需求、產品說明書的書寫等進行考核。對學生的評價群體不能只包括任課老師，還應包括企業(yè)的工程師。任課教師負責對平時成績、考試成績的評價。企業(yè)的工程師對學生做的實物、產品進行評價，因為他們對此項最有發(fā)言權。

四、結束語

在微處理器課程教學中深入貫徹CDIO工程教育理念改變了傳統(tǒng)教師滿堂灌、學生滿堂聽的教育方式，充分調動了學生的積極性和主動性。通過實施CDIO工程教育，學生逐步掌握抽象理論知識與實際產品之間的聯系，學生的自學能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力得到了顯著提高。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 顧佩華，胡文龍，陸小華.從CDIO在中國到中國的CDIO：發(fā)展路徑、產生的影響及其原因研究[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

[2] 吳濤，吳福培，包能勝.知識探索導向的層次化教學方法研究與實踐[J].高等工程教育研究，2018（1）：146-153.

[3] 胡克用，安康壽，周翔.基于CDIO模式的電子系統(tǒng)設計課程的教學改革與探索[J].高等理科教育，2017（3）：107-112.

[4] 曲大為，張鵬. 慕課與高等學校教學改革研究[J].當代教育科學，2015（5）：119-122.

[5] 解凱，盛琳陽，李桐. CDIO模式下嵌入式課程改革的探索[J].教育教學論壇，2018（1）：97-98.

[6] 蔣海云，溫輝，金繼承.創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)大鏈的構建及實踐[J].現代大學教育，2018（3）：103-110.

[7] 袁野.基于 CDIO的工科類本科畢業(yè)設計制度改革研究[J].汕頭大學學報（自然科學版），2017（4）：74-80.

[8] 殷旭，胡景繁，張紅.基于 CDIO 教育模式學生學習評估方法的探索[J].高教論壇，2010（2）：24-25.

[責任編輯：鐘 嵐]