基于CDIO理念的單片機課程設(shè)計教學模式研究

祖一康，徐妙婧，徐純輝

（1.黃岡師范學院 機電與汽車工程學院，湖北 黃岡 438000；2.黃岡師范學院 物理與電信學院，湖北 黃岡 438000）

0 引言

單片機具有體積小、價格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。單片機是高校電氣、電子、自動化等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性、實踐性、應(yīng)用性較強。單片機課程主要培養(yǎng)學生的實踐動手能力和利用單片機以及所學知識進行產(chǎn)品設(shè)計的能力，課程設(shè)計是單片機課程實踐教學的重要環(huán)節(jié)，顯得尤為重要。在單片機課程設(shè)計實踐教學環(huán)節(jié)中引入CDIO先進教學理念，對其進行改革和創(chuàng)新，以便能更好地提高學生的實踐動手能力、工程思維、創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作能力等，從而提高教學效果。

1 單片機課程設(shè)計教學現(xiàn)狀

單片機課程設(shè)計是培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題和提升學生動手能力的重要環(huán)節(jié)。目前單片機課程設(shè)計教學主要存在以下幾個方面的問題[3]。

1.1 時間安排不合理

單片機課程設(shè)計通常安排在學期末的最后一周，時間短，再加上學生花時間進行期末考試復習，往往疏于做單片機課程設(shè)計，導致教學效果不理想。

1.2 單片機課程設(shè)計選題單一

單片機課程設(shè)計選題來源單一，沒有讓學生參與，題目通常由老師布置給學生，題目數(shù)量少，往往一個班多個學生共用一個題目，忽略了學生間的個體差異，沒有讓不同能力的學生發(fā)揮所學之長，不能有效地激發(fā)學生的學習興趣。

1.3 單片機課程設(shè)計的組織實施不合理

單片機課程設(shè)計往往由老師統(tǒng)一組織實施，雖然有的也進行了分組，但是小組沒有有效的組織，沒有培養(yǎng)學生的團隊合作能力；由于課程設(shè)計時間短，學生通常只在Proteus軟件中進行仿真，并沒有進行實物制作，學生的實踐動手能力沒有得到有效的提高，課程設(shè)計的作用沒有得到有效的體現(xiàn)。

1.4 單片機課程設(shè)計的考核方式不合理

考核是檢驗學生學習情況的重要手段，單片機課程設(shè)計的考核方式單一且不合理，課程設(shè)計的成績通常由課堂出勤和設(shè)計報告組成，不能全面、客觀地反映學生的真實情況。

2 CDIO工程教育理念

CDIO理念是一種先進的工程教育理念，其包含構(gòu)思（concept）—設(shè)計（design）—實施（implement）—運行（operate）4個方面，也是這4個英文單詞首字母的縮寫。CDIO理念是“做中學”和“基于項目教與學（PBL）”模式的概括集中體現(xiàn)，它以實際的工程項目為背景，以產(chǎn)品從研發(fā)到運行的生命周期為載體，將理論知識融入工程項目實踐中，讓學生在工程實踐中對知識理解并應(yīng)用，培養(yǎng)學生的實踐動手能力、工程思維、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力[4-8]。

3 基于CDIO理念的單片機課程設(shè)計教學改革與實踐

將CDIO先進的工程教育理念應(yīng)用到單片機課程設(shè)計實踐教學環(huán)節(jié)中，從課程設(shè)計的時間安排、選題、組織實施、考核等方面進行改革。將項目構(gòu)思、項目設(shè)計、項目實施和項目運行貫穿課程設(shè)計全過程，以學生為主體，以教師為主導，通過課程設(shè)計幫助學生加深對單片機和相關(guān)課程知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)。

3.1 課程設(shè)計時間安排

以往的單片機課程設(shè)計通常安排在學期末最后一周集中時間進行，由于設(shè)計時間短、任務(wù)重，加上學生還要進行期末考試課程的復習，不能專注單片機課程設(shè)計，導致效果不理想，因此將單片機課程設(shè)計提前3周布置給學生，讓學生有充足的時間去完成。第1周：學生查閱相關(guān)資料，確定實施方案并交老師進行可行性審核；第2周：進行硬件和軟件設(shè)計，并在Proteus中仿真，仿真通過后方可進入下一個環(huán)節(jié)；第3周：實物制作，發(fā)放項目所需的電子元器件，學生在萬能板上完成制作并調(diào)試；第4周：答辯考核環(huán)節(jié)，學生匯報演示作品，教師提問1～2個問題，答辯結(jié)束后，學生上交作品和設(shè)計說明書[9]。

3.2 課程設(shè)計選題

選題是單片機課程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，課程設(shè)計不同于課程實驗，也不同于畢業(yè)設(shè)計，因此，選題既要結(jié)合單片機應(yīng)用領(lǐng)域，盡可能覆蓋單片機課程的主要知識點，又要注意與其他課程的銜接。選題還要充分考慮學生個體差異，在難易程度上要有層次性，以滿足不同層次學生的需要。選題來源主要有[10-11]：①教師自選，教師可以從自己的科研項目或企業(yè)項目中選取，也可以參考電子設(shè)計競賽題目；②學生自主選題，學生可以根據(jù)自己的興趣自主選擇題目，經(jīng)與指導老師協(xié)商后確定?？蛇x課題有交通燈遠程控制系統(tǒng)、波形發(fā)生器、數(shù)字溫度計設(shè)計與制作、電機轉(zhuǎn)速測量與控制、數(shù)字鐘等。課題確定后，教師設(shè)計好課程設(shè)計任務(wù)書發(fā)放給學生，讓學生了解項目具體要求。

表1是以波形發(fā)生器為例，將CDIO理念融入學生的知識、能力、情感等方面的培養(yǎng)。

表1 波形發(fā)生器設(shè)計與制作

3.3 課程設(shè)計組織實施

課程設(shè)計采用分組方式進行，每組3人，設(shè)組長1名，每組自由選題，共同完成。每組由組長組織組員完成從項目方案設(shè)計到項目完成的各項工作，如組織討論設(shè)計方案、遇到的問題以及硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、實物制作、設(shè)計說明書撰寫等組內(nèi)分工。教師從旁指導，讓學生自我組織、自我管理，充分調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的能力以及團隊協(xié)作能力。組織實施過程以學生為主、教師為輔，將CDIO理念充分融入課程設(shè)計的全過程。根據(jù)CDIO工程教育理念組織項目實施，實施流程如圖1所示。

根據(jù)CDIO理念，以波形發(fā)生器的設(shè)計與制作為例，項目的具體實施過程如下。

圖1 基于CDIO理念的項目實施流程

（1）項目構(gòu)思階段（concept）：學生根據(jù)波形發(fā)生器的功能和具體技術(shù)指標要求（能生成的波形種類、周期等）查閱相關(guān)資料，組內(nèi)成員根據(jù)相關(guān)要求和資料提出各自的實施方案，由組長組織小組內(nèi)討論，初步確定實施方案。采用5個按鍵分別生成5種波形（正弦波、鋸齒波、三角波、方波和梯形波），采用DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器將單片機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，由于DAC0832是電流型輸出器件，需要增加I-V轉(zhuǎn)換電路，輸出波形引腳與示波器連接。具體電路模塊有單片機最小系統(tǒng)、按鍵接口電路、DAC082接口電路、I-V轉(zhuǎn)換電路等。教師對小組提交的實施方案可行性進行審核，提出指導性意見，最終確定實施方案。

（2）項目設(shè)計階段（design）：本階段包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，學生根據(jù)實施方案列出詳細的元器件清單并設(shè)計各模塊電路，編寫相關(guān)程序，調(diào)試、編譯生成HEX文件。首先在Proteus軟件上進行仿真，以熟悉各電路的具體連接，仿真通過后，再繪制原理圖，生成PCB圖，為下一階段作準備。

（3）項目實施階段（implement）：學生根據(jù)PCB圖，選擇元器件，并在萬能板上焊接實施，焊接完成后，將程序下載到單片機中，通電進行調(diào)試，觀察能否實現(xiàn)功能要求，不能實現(xiàn)的查明原因并及時修正。焊接調(diào)試完成后，撰寫作品的設(shè)計說明書。

（4）項目運行階段（operate）：硬件電路調(diào)試完成后，學生以組為單位，制作PPT，公開匯報和演示作品，重點匯報實施方案的形成過程、項目實施過程中遇到的問題、如何解決等。匯報后，演示相應(yīng)的作品，并回答老師和學生的提問。

3.4 課程設(shè)計考核

考核是檢驗學生課程設(shè)計完成情況的重要手段，不僅要能檢驗學生的知識掌握情況，更重要的是還要能檢驗學生的實踐動手能力、團隊協(xié)作能力、工程素養(yǎng)等。通過考核促進學生積極主動地學習、積極動手參加實踐，充分調(diào)動學生的積極性和主動性。改革傳統(tǒng)只有考勤和設(shè)計說明書成績作為學生最終成績的考核方式，采用過程考核方式為主、答辯考核相結(jié)合的考核方式。過程考核主要由學生自評、小組內(nèi)互評、教師評價組成，過程考核貫穿項目實施的全過程，根據(jù)課程設(shè)計的時間安排，每周安排一次考核[12]。

學生自評：學生結(jié)合自身情況從學習態(tài)度、職業(yè)素養(yǎng)（是否按要求操作、維護實驗室環(huán)境衛(wèi)生、文明禮貌等）、工作能力（資料收集能力、分析問題與解決問題能力、工作思路清晰）、階段任務(wù)完成情況等方面對自己評價。學生自評占過程考核的20%。

小組內(nèi)互評：小組內(nèi)成員之間從學習態(tài)度、團隊協(xié)作能力、職業(yè)素養(yǎng)（是否按要求操作、維護實驗室環(huán)境衛(wèi)生、文明禮貌等）、工作能力（資料收集能力、分析問題與解決問題能力、工作思路清晰）、階段任務(wù)完成情況等方面相互評價。小組內(nèi)互評占過程考核的30%。

教師評價：教師根據(jù)學生的出勤情況、操作是否規(guī)范、操作熟練程度、分析問題與解決問題的能力等方面進行評價。教師評價占過程考核的50%。

課程設(shè)計完成后組織答辯考核，學生制作匯報PPT，首先從設(shè)計方案、設(shè)計構(gòu)思、設(shè)計創(chuàng)意等方面匯報；其次進行實物演示；最后老師、其他學生對設(shè)計提問。教師根據(jù)學生答辯情況、回答問題情況、作品完成情況以及設(shè)計說明書撰寫情況給學生評分。

學生課程設(shè)計的成績由過程考核（70%）和答辯考核（30%）組成。

4 結(jié)語

學生在考核答辯中展現(xiàn)了他們對單片機課程設(shè)計的過程，即完整的問題分析過程和解決過程。每名學生都參與課程設(shè)計的工作中，鍛煉了實踐動手能力與團隊協(xié)作能力。實踐表明，改革后的單片機課程設(shè)計極大地提高了學生的實踐動手能力、分析問題與解決問題的能力、團隊協(xié)作能力等，同時也極大地提升了課程教學效果，為學生后續(xù)課程學習、畢業(yè)設(shè)計、就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。

該教學模式在小組分工方面存在分工不均的問題，造成學生工作量不同，引發(fā)其他學生不滿，或有的學生參與不夠，對能力的鍛煉有所欠缺等問題。關(guān)于這些問題，在未來的教學中可以采取每個過程小組分工的模式，確保小組成員都參與每個過程中，盡量使每個學生工作量均等。