運用CDIO的應(yīng)用型本科課程改革
——以《單片機原理及應(yīng)用》課程為例

陳文輝

（福建技術(shù)師范學(xué)院 a. 海洋研究院；b.無損檢測技術(shù)福建省高校重點實驗室 ，福建福清 350300）

教育部引導(dǎo)部分本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變[1],為地方本科高校改革指明了方向.而課程改革是學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展的基礎(chǔ),因此,需要開展適應(yīng)工程教育特點的課程改革.

基于CDIO的工程教育模式,可有效提升學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[2].將基于CDIO的工程教育模式運用于《單片機原理及應(yīng)用》課程改革中,采用“任務(wù)驅(qū)動、項目教學(xué)”的教學(xué)理念,以工程案例為載體,以工作過程為導(dǎo)向,學(xué)生通過“做中學(xué)、學(xué)中做”,提高理論水平、實踐能力和綜合素質(zhì),培養(yǎng)工程基礎(chǔ)能力,增強就業(yè)創(chuàng)新能力.

1 開展課程改革的背景

1.1 地方本科高校需要轉(zhuǎn)型發(fā)展

2018年,全國各類高等教育在學(xué)總規(guī)模達到3833萬人,高等教育毛入學(xué)率達到48.1%[3].依據(jù)高等教育社會學(xué)家馬丁·特羅的高等教育發(fā)展三階段論[4],我國己經(jīng)處在大眾化高等教育階段.大眾化的高等教育是新興的教育發(fā)展?fàn)顟B(tài),需要新的標(biāo)準(zhǔn)和體系來評價和估量[5].

隨著我國的經(jīng)濟與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的巨大變化,企業(yè)對高級專門創(chuàng)新型工程人才需求劇增[6].地方本科高校急需轉(zhuǎn)型發(fā)展[7]以適應(yīng)這種需求變化.2015年,教育部等三部委聯(lián)合下發(fā)[教發(fā)〔2015〕7號]文件,引導(dǎo)地方本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變,文件要求應(yīng)用型本科高校推行案例教學(xué)、項目教學(xué),實現(xiàn)教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接,以培養(yǎng)應(yīng)用型人才,增強學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力[1].

具有工程師基本素質(zhì)是提高工程類學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的有效途徑,即工程類學(xué)生應(yīng)具有學(xué)習(xí)應(yīng)用能力、思維分析能力、工程實踐能力、表達交流能力和團隊協(xié)作意識等[8].因此,應(yīng)用型本科高校應(yīng)開展基于工程教育模式[9]的教學(xué)改革.

1.2 傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式急需改革

《單片機原理及應(yīng)用》是電類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,理論性和實踐性都很強.而傳統(tǒng)的《單片機原理及應(yīng)用》課程教學(xué)存在很多不足之處,造成學(xué)生畢業(yè)后需要較長時間才能適應(yīng)工程實踐環(huán)境.這些不足包括：理論與實踐教學(xué)脫節(jié),理論講授比例較大,學(xué)生實踐不足；教學(xué)與工程實踐脫節(jié),實驗多針對實驗箱,硬件實踐不足；實驗代碼較少,代碼的規(guī)范性、可讀性和移植性不好[10].

因此,在應(yīng)用型本科高校,《單片機原理及應(yīng)用》必須進行課程改革,以培養(yǎng)出符合工程需要的,與工程實踐相結(jié)合的應(yīng)用型人才[11].

1.3 基于CDIO的工程教育模式可有效提升工程能力

基于CDIO的工程教育模式,包含構(gòu)思(Conceive)、 設(shè) 計 (Design)、 實 現(xiàn) (Implement)和運作(Operate)四個階段,可有效提升學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[12],在世界范圍得到廣泛應(yīng)用[13].21世紀(jì)初，麻省理工學(xué)院等高校提出CDIO工程教育模式,促進了工程教育理論,為美國培養(yǎng)了更多優(yōu)秀的工程人才,促進了經(jīng)濟發(fā)展[14].2005年,汕頭大學(xué)引入CDIO工程教育模式[15],并結(jié)合自身的辦學(xué)模式,形成本校的培養(yǎng)特色,取得明顯成效.隨后CDIO理念的教育改革在國內(nèi)外高校迅速展開.

2 基于CDIO的課程設(shè)計與學(xué)習(xí)資源

在《單片機原理及應(yīng)用》課程改革中運用基于CDIO的工程教育模式,以培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[16].

2.1 學(xué)習(xí)進程設(shè)計

為引導(dǎo)學(xué)生掌握單片機系統(tǒng)知識,順利開展項目教學(xué),課程設(shè)計分為兩個階段：“教師引導(dǎo)性項目學(xué)習(xí)階段”和“學(xué)生自主式項目實施階段”.在“教師引導(dǎo)性項目學(xué)習(xí)階段”,通過設(shè)定的工程項目的學(xué)習(xí),學(xué)生在老師引導(dǎo)下“學(xué)著做”,完成項目構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的整個過程.通過項目學(xué)習(xí),學(xué)生掌握《單片機原理與應(yīng)用》的理論知識,理解工程項目自構(gòu)思至運行的全過程,為下一階段自主實施項目做好準(zhǔn)備.“學(xué)生自主式項目實施階段”安排在第二階段,在“教師引導(dǎo)性項目學(xué)習(xí)階段”完成的前2周預(yù)先布置.在這一階段,學(xué)生己掌握必備的單片機系統(tǒng)知識和相關(guān)的操作技能,通過自主完成工程項目,實現(xiàn)由“學(xué)著做”向“自主做”過渡,以進一步強化專業(yè)知識和操作技能,學(xué)習(xí)并掌握工程基礎(chǔ)知識,提升工程實踐能力.

《單片機原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)進程設(shè)計如圖1所示.

圖1 《單片機原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)進程設(shè)計圖

2.2 精心選擇工程案例

選擇“智能家居系統(tǒng)”作為“教師引導(dǎo)性項目學(xué)習(xí)階段”的工程項目.該系統(tǒng)是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界的一個熱門課題,具有實際的工程價值,容易激發(fā)學(xué)生興趣；且采用單片機可以基本實現(xiàn)該系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,具有項目實現(xiàn)的可行性.學(xué)生通過工程實踐,接觸工程實際項目,一方面使學(xué)生掌握單片機必備的理論基礎(chǔ)知識,另一方面,建立起必備的工程理論知識和工程實踐能力,快速形成工程思維.

“智能家居系統(tǒng)”包括四大部分,分別是：系統(tǒng)基礎(chǔ)、傳感輸入、輸出控制和通訊傳輸,共分為19個子項目,各子項目各自獨立形成模塊.模塊化結(jié)構(gòu)是單片機系統(tǒng)的重要特點,各個模塊相對獨立,也稱“電子積木”,可以像搭積木一樣形成整個單片機系統(tǒng).

“智能家居系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 “智能家居系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)圖

在項目實施過程中,尤其是學(xué)生開展自主項目過程中,需要豐富的課程資源的支撐.為了順利開展項目教學(xué),筆者與課題組成員按照“智能家居系統(tǒng)”的項目結(jié)構(gòu),開發(fā)了配套的課程資源,包括：特色教材、電子課件、配套視頻和微課資源.這些課程資源均通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺與所有學(xué)生共享,方便學(xué)生課外學(xué)習(xí).在課程資源組織中,把19個子項目分為基礎(chǔ)篇和拓展篇兩個部分.基礎(chǔ)篇是系統(tǒng)必備模塊,在課堂教學(xué)中完成,是必修內(nèi)容；拓展篇是拓展內(nèi)容,供學(xué)生課外學(xué)習(xí).學(xué)生在開展項目過程中,可以借助配套的課程資源進一步學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)知識和工程項目知識,提高其學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力.

3 課程設(shè)計實施

按照開展工程項目的工作順序,依次完成構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作4個階段.

3.1 構(gòu)思階段

構(gòu)思階段主要成果是形成項目開發(fā)方案.項目以小組為單位進行,每個小組3～4人,小組成員的分工由小組討論確定.采用小組方式開展項目,可以增強學(xué)生交流溝通能力,也可以增強學(xué)生團隊協(xié)作意識.

各項目小組通過文獻檢索,開展小組討論,自主選定項目、探討項目的功能及需求、確定系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu),最終形成項目開發(fā)方案.項目小組根據(jù)自身的能力水平,可在教師指定的范圍內(nèi)選擇項目,也可自行確定項目.

在構(gòu)思階段,老師完成以下工作：為各項目小組提供必要的指導(dǎo),幫助其完成項目構(gòu)思；為需要的小組提供項目范圍,協(xié)助其完成項目選擇；點評各小組的項目開發(fā)方案并給予建議.項目開發(fā)方案經(jīng)老師點評通過后,進入設(shè)計階段.

3.2 設(shè)計階段

設(shè)計階段的主要任務(wù)是完成項目的軟硬件設(shè)計并通過仿真調(diào)試.單片機系統(tǒng)是硬件與軟件相結(jié)合而工作的,項目設(shè)計工作借助Proteus +Keil C軟件開發(fā)平臺開展.通過Proteus軟件來設(shè)計項目的硬件電路,通過Keil C軟件來設(shè)計項目的軟件程序,兩者相互結(jié)合,聯(lián)調(diào)聯(lián)試,實現(xiàn)項目的功能.采用Proteus + Keil C軟件開發(fā)平臺,可以實現(xiàn)虛擬設(shè)計、仿真調(diào)試,設(shè)計效果可視,設(shè)計內(nèi)容易改,調(diào)試工作高效.項目設(shè)計過程中,采用規(guī)范的編程模板簡化編程過程,實現(xiàn)規(guī)范編程,提高程序的可讀性與可移植性.這種軟件開發(fā)平臺組合聯(lián)調(diào)的方式也廣泛應(yīng)用于實際的工程設(shè)計工作中,通過項目訓(xùn)練,學(xué)生可以熟悉實際工程設(shè)計環(huán)境,培養(yǎng)工程意識.

在設(shè)計過程中,學(xué)生可以隨時利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提供的課程資源進行學(xué)習(xí),也可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺等各種交流平臺與教師進行交流互動,及時解決設(shè)計過程中存在的問題.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的課程教學(xué)資源為學(xué)生進一步的學(xué)習(xí)提供了便利條件,也可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力及應(yīng)用能力.

3.3 實現(xiàn)階段

在Proteus + Keil C軟件開發(fā)平臺上設(shè)計并聯(lián)調(diào)成功后,進入實現(xiàn)階段.在該階段,各項目小組根據(jù)設(shè)計圖,焊接制作實物作品.其中項目的硬件電路可采用兩種方式制作：焊錫過線法和自制PCB板.焊錫過線法是在萬能板上按照設(shè)計電路進行逐點焊接,形成項目硬件電路.這種方法可以強化釬焊等基本技能,能讓學(xué)生進一步細(xì)化、理解硬件電路.項目小組也可以自制PCB板,在PCB板上焊接元器件,形成項目硬件電路.形成項目的硬件電路之后,把Keil C軟件中生成的HEX文件燒錄到單片機芯片中,進行硬件調(diào)試,形成單片機系統(tǒng)教學(xué)項目的實物作品.

硬件電路的制作過程包含釬焊和PCB板制作等多方面技能,可有效提高學(xué)生的動手實踐能力；在硬件調(diào)試過程中,需要分析電路、軟硬件聯(lián)調(diào),可進一步加強學(xué)生分析問題、解決問題的能力,有效提高工程素質(zhì).

3.4 運作階段

在運作階段,各項目小組進行項目總結(jié)并演示作品,開展項目考核.項目總結(jié)包括：制作過程、遇到的問題、解決的思路和實施項目的心得體會.

4 結(jié)語

基于CDIO的工程教育模式的《單片機原理及應(yīng)用》課程改革方案通過幾年的實踐,取得較好效果.通過項目的開展,學(xué)生較好地掌握單片機的理論知識,理解單片機系統(tǒng)軟硬件配合工作機制,掌握單片機系統(tǒng)的工程項目的工程環(huán)境；有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)應(yīng)用能力、思維分析能力、工程實踐能力、表達交流能力和團隊協(xié)作意識.為學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、就業(yè)創(chuàng)業(yè)打下堅實基礎(chǔ).但是一個課程改革需要較長的時間持續(xù)改進與完善：一是課程資源尚需進一步充實；二是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的應(yīng)用尚需進一步積累經(jīng)驗.