融合CDIO理念的單片機綜合實驗教學(xué)案例開發(fā)研究

余新栓 康金輝 宋瀟

[摘 要] 綜合實驗是工科學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。在單片機綜合實驗課程設(shè)計中引入CDIO工程教育理念，通過角色區(qū)分、團隊合作形式對學(xué)生進行分組，圍繞具體單片機產(chǎn)品模型開發(fā)案例，從產(chǎn)品構(gòu)思、功能設(shè)計、安轉(zhuǎn)制作、關(guān)聯(lián)應(yīng)用等過程培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)知識、個人能力、工程能力、職業(yè)態(tài)度、團隊協(xié)作和交流能力，提高具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才培養(yǎng)能力。

[關(guān)鍵詞] CDIO;單片機;項目教學(xué);工程能力

[基金項目] 2019年陜西理工大學(xué)一流專業(yè)培育項目子項目（實踐教學(xué)類）“以培養(yǎng)目標(biāo)達成度為導(dǎo)向的課程設(shè)計教學(xué)研究與實踐”

[作者簡介] 余新栓（1973—），男，陜西寶雞人，碩士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要從事電力系統(tǒng)自動化與計算機應(yīng)用系統(tǒng)研究;康金輝（1967—），男，陜西岐山人，學(xué)士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化與計算機應(yīng)用系統(tǒng)研究;宋 瀟（1992—），女，陜西西安人，碩士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院助教，主要從事電力系統(tǒng)自動化研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0383-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-20

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作）已經(jīng)成為一種得到國際廣泛認可的工程教育模式。CDIO模式具有大工程理念，是工程教育改革的一種主流體系，強調(diào)能力培養(yǎng)的針對性，密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)實踐，注重培養(yǎng)綜合素質(zhì)。該模式讓學(xué)生進入主動實踐，通過體驗產(chǎn)品從研發(fā)到運行的整個生命周期，借鑒在社會環(huán)境下企業(yè)的生產(chǎn)開發(fā)過程，從系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作四個層面培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

單片機原理及應(yīng)用是電氣信息類專業(yè)普遍開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)核心課程，融合了電子技術(shù)分析、信號與系統(tǒng)測試、電路設(shè)計與程序設(shè)計等諸多工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，具有實踐性強、適應(yīng)面廣等特點。單片機應(yīng)用產(chǎn)品往往以嵌入式形式出現(xiàn)，其中以單片機為核心的應(yīng)用系統(tǒng)相對獨立，可以作為電路控制器等微小型電器產(chǎn)品的形式單獨存在，因此單片機綜合實驗課程適宜于以CDIO模式為方法論，結(jié)合項目式教學(xué)方法來開展。本文結(jié)合對CDIO工程教育模式的探索，嘗試將其融入單片機綜合實驗教學(xué)案例開發(fā)工作，提高實驗教學(xué)效果。

一、項目案例設(shè)計模式及要求

現(xiàn)今工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中存在的問題意識淡薄，專業(yè)興趣不濃，創(chuàng)新能力缺乏等問題，都與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計脫離實際有關(guān)系。CDIO工程教育模式與項目式教學(xué)具有固有關(guān)聯(lián)性。為了貼近企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可以借助慕課、云學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等虛擬課堂和網(wǎng)絡(luò)交互學(xué)習(xí)平臺，創(chuàng)設(shè)項目學(xué)習(xí)環(huán)境。在單片機綜合實驗教學(xué)案例實踐中，遵循一些基本開發(fā)原則：題目的難度、知識覆蓋面要符合課程要求和培養(yǎng)定位，避免出現(xiàn)實踐能力要求弱、脫離學(xué)生實際的“軟項目”;應(yīng)該闡述較為完整的工程案例設(shè)計的完整步驟，突出真實案例選擇和案例分解與重構(gòu)環(huán)節(jié)，力戒項目教學(xué)中出現(xiàn)的案例選擇不當(dāng)、缺乏具體設(shè)計等問題，為切實增強學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力做好鋪墊?？傊笇?dǎo)教師在項目初期選題和構(gòu)思階段應(yīng)起到足夠的引導(dǎo)作用。

CDIO能力培養(yǎng)分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，為使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標(biāo)，分階段將項目團隊學(xué)生分為系統(tǒng)分析、電路設(shè)計、軟件開發(fā)與測試、項目維護等角色進行實踐訓(xùn)練。比如，進行系統(tǒng)分析的同學(xué)負責(zé)系統(tǒng)需求分析和構(gòu)架設(shè)計，進行軟件設(shè)計的同學(xué)負責(zé)程序設(shè)計與編碼調(diào)試，進行項目維護的同學(xué)負責(zé)系統(tǒng)軟硬件測試與維護。各組之間相互交流協(xié)作，在溝通中不但增進了對技術(shù)問題的理解，也培養(yǎng)了系統(tǒng)工程的能力。根據(jù)項目進展，一段時間后再進行角色調(diào)整。這樣可以使學(xué)生輪流體驗到不同工作定位和能力要求，以便學(xué)生增強自我意識，發(fā)現(xiàn)自身優(yōu)勢與不足，有效提高學(xué)生工程能力和個人自主學(xué)習(xí)能力，加強協(xié)作，提高工程創(chuàng)新意識，培養(yǎng)人際溝通與團隊合作能力。

在項目運行階段，指導(dǎo)教師平時要有意識與學(xué)生的多接觸，傾聽學(xué)生的創(chuàng)意，認同學(xué)生的努力付出，激發(fā)學(xué)生與指導(dǎo)教師交流的意愿，形成師生能力互補，與學(xué)生共同投入項目學(xué)習(xí)。特別要注重項目創(chuàng)新情況，為學(xué)生提供資料，指導(dǎo)學(xué)生進行調(diào)研，并管理實驗進程，成為學(xué)習(xí)資源的提供者和學(xué)習(xí)活動的參與者。

二、案例項目教學(xué)的實施過程

以萬年歷電子時鐘設(shè)計題目為例，提出基本功能要求和設(shè)計流程的整體安排，以單片機為控制器，設(shè)計具有數(shù)據(jù)顯示、溫度采集、時間處理和調(diào)整設(shè)置功能的功能電路。預(yù)期產(chǎn)品模塊可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償、時間校準(zhǔn)等多種功能。在顯示器上同時顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息。設(shè)計要求用較少的按鍵實現(xiàn)所有功能，計時準(zhǔn)確;可以設(shè)定鬧鐘功能;有陽歷、農(nóng)歷對照功能，平年閏年準(zhǔn)確無誤。對設(shè)計的具體細節(jié)則由學(xué)生根據(jù)構(gòu)思在后續(xù)環(huán)節(jié)中調(diào)整優(yōu)化。比如，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。

構(gòu)思階段涉及構(gòu)思產(chǎn)品形式與功能定位。產(chǎn)品定位包括：產(chǎn)品形式可以是消費電子系列的桌面擺件式、嵌入臺燈式、戶外大屏幕LED點陣顯示式、公共建筑室內(nèi)LED燈箱式等產(chǎn)品形式。鼓勵學(xué)生構(gòu)思各種功能，比如語音播報、整點報時、無線遙控、網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)等。

設(shè)計階段引導(dǎo)學(xué)生提煉設(shè)計中的主要技術(shù)問題，提出擬解決的思路，以不同的技術(shù)路線做出技術(shù)方案和實現(xiàn)辦法。比如，計時及校準(zhǔn)功能是電子時鐘的基本功能，設(shè)計可以采用判斷模式，定義一個用于模式調(diào)整的按鍵，其他兩個為加減按鍵，為了能對按鍵按下的次數(shù)進行相應(yīng)的操作，設(shè)計一個按鍵變量以存儲相應(yīng)的按鍵次數(shù)。計時是對計數(shù)器進行操作，可以使用片內(nèi)定時器、片外日歷時鐘芯片等方式，具體實現(xiàn)過程中學(xué)生需要考慮不同的月份對應(yīng)的天數(shù)、了解閏年與平年，根據(jù)判斷值選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)模式下當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)被選中時相關(guān)數(shù)據(jù)位閃爍顯示。調(diào)整時間時，根據(jù)按鍵次數(shù)進行選擇，當(dāng)按鍵次數(shù)為設(shè)定值時，進入調(diào)年模式，然后進入閃爍狀態(tài)，直至調(diào)整其他時間。當(dāng)進入閃爍模式時，可以進行加或減的操作，其他調(diào)整方法類似，包括調(diào)整鬧鐘。

從項目實施角度看，電氣工程師必須掌握電氣工程制圖、元器件參數(shù)運算與選擇、硬軟件實驗、系統(tǒng)測試、工藝操作、應(yīng)用計算機進行文檔撰寫等知識和技能。將CDIO實施分解成若干設(shè)計過程，分階段完成功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能劃分與設(shè)計工具選擇。經(jīng)過電路設(shè)計與制作、程序設(shè)計、調(diào)試與維護，最后加入一定推廣與宣傳文檔撰寫任務(wù)，進行行業(yè)應(yīng)用與市場調(diào)查，有條件的情況下可以完成調(diào)查報告。

三、案例項目教學(xué)的成績考核

為避免出現(xiàn)工科教育“理科化”，最終考核注重工程特性，注意培養(yǎng)訓(xùn)練和考查工程專業(yè)技能和實操能力。要求提供芯片資料、原件清單、原理圖及設(shè)計程序。把項目教學(xué)課程植入實驗室體系之中，促使學(xué)生重視包括實驗仿真、PCB電路設(shè)計、制作安裝設(shè)計的整個設(shè)計過程中，促使學(xué)生工程設(shè)計的實現(xiàn)。

參照CDIO理念標(biāo)準(zhǔn)，以創(chuàng)新訓(xùn)練為主線，通過層次遞進的項目學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)考查，建立較為科學(xué)和全面的評價體系，不僅考核學(xué)生課堂表現(xiàn)情況與課后思考題完成的質(zhì)量，同時還兼顧實驗項目中對專業(yè)知識的掌握、創(chuàng)新思維以及團隊溝通與協(xié)作情況等綜合表現(xiàn)，有利于促進教師進行教學(xué)改進，完善教學(xué)方法，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語

以產(chǎn)品生產(chǎn)流程從研發(fā)到運行的生命周期為載體，融入CDIO教育理念，使學(xué)生具備較強的工程應(yīng)用能力。順應(yīng)工程教育發(fā)展趨勢，找準(zhǔn)學(xué)校培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神應(yīng)用型人才的定位，縮短工程能力與工業(yè)產(chǎn)業(yè)要求之間的差距，符合現(xiàn)代工程技術(shù)人才培養(yǎng)的一般規(guī)律，促進培養(yǎng)目標(biāo)達成度的提升。

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