基于CDIO 導(dǎo)向的應(yīng)用型本科高校單片機課程改革研究★

孫曉雪， 雷立群

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機械與土木工程學(xué)院， 吉林 吉林 132101）

1 《單片機原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

以吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院為例進行相關(guān)調(diào)研和研究，該校是一所具有悠久歷史的百年學(xué)府，學(xué)校是教育部專業(yè)綜合改革試點院校、國家級卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃改革試點院校、吉林省首批整體轉(zhuǎn)型試點院校?！秵纹瑱C原理與接口技術(shù)》是機械設(shè)計制造及其自動化、機械設(shè)計制造及其自動化（中外）、智能制造工程、機械電子工程等本科專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。課程特點是應(yīng)用性強，內(nèi)容抽象，知識涉及多課程交叉。

1.1 教學(xué)方式枯燥

該課程理論部分系統(tǒng)地講授單片機的結(jié)構(gòu)和原理、單片機的指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、單片機串行通信、單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)、單片機C51 程序設(shè)計方法等的相關(guān)知識和應(yīng)用技能。往往授課過程中教師是以PPT 的形式進行，還有的老教師是以黑板板書、學(xué)生記筆記的方式進行，看似按照教學(xué)計劃由淺入深有序推進，實際教學(xué)則會出現(xiàn)滿堂灌現(xiàn)象，對于基礎(chǔ)差的學(xué)生可能就像聽天書一樣根本聽不明白，對于基礎(chǔ)好的學(xué)生認(rèn)真聽了筆記也記了，但是由于課程內(nèi)容較抽象，這種教學(xué)方式學(xué)生理解和掌握的內(nèi)容也及其有限[1]。

1.2 實踐形式單一

單片機是一門實踐性很強的專業(yè)課，學(xué)完課程后，如果學(xué)生只掌握了理論知識而不會應(yīng)用，那么課程的效果是不理想的，沒有達到課程的教學(xué)目標(biāo)?；诖耍虒W(xué)大綱安排本課程64 學(xué)時中有32 學(xué)時的實驗學(xué)時。實驗學(xué)時部分，主要是利用普中的開發(fā)板套件，授課內(nèi)容以驗證性實驗為主，對于相應(yīng)的實驗普中有例程資料，學(xué)生只需照葫蘆畫瓢簡單連線后即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。這樣的實踐形式不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且理論和實踐聯(lián)系不緊密，開發(fā)板內(nèi)部連線都已接好，學(xué)生對于單片機的硬件資源使用一知半解，因而很多同學(xué)在學(xué)完課程后，在實際比賽和工作中，并不能很好地應(yīng)用單片機[2]。

1.3 考核內(nèi)容不全面

一直以來，單片機考核重理論輕應(yīng)用現(xiàn)象突出，大綱考核方式為考試，平時成績占40%，包括到課率、課堂態(tài)度、實驗報告、作業(yè)、筆記，期末考試為閉卷占60%，題型包括填空題、選擇題、簡答題和設(shè)計題。這種考核方式并不能全面衡量學(xué)生單片機知識和應(yīng)用的掌握情況，且未融入德育考核內(nèi)容。

2 基于CDIO 導(dǎo)向的單片機課程改革思路

2.1 CDIO 概念闡釋

CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，以CDIO 為導(dǎo)向的單片機課程改革目的是讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)。

2.2 整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方式

系統(tǒng)梳理教學(xué)內(nèi)容，將知識點融入幾個項目中。采用項目式教學(xué)法，在項目中自然的引出相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)，同時對于涉及到的電子技術(shù)、計算機基礎(chǔ)等有關(guān)課程知識進行及時復(fù)習(xí)和鞏固。例如，第一個項目為彩燈管理，項目的開始先給學(xué)生展示常見各種彩燈效果視頻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后以最簡單的點亮一個LED 燈為例開始內(nèi)容的講解，因為用到先修課程模擬電子技術(shù)中的二極管知識，需要對其點亮原理進行回顧，能夠自然的想到要想用單片機控制LED 亮滅，那就得學(xué)會控制單片機的I/O 口輸出高低電平，進而講解控制方法和原理，學(xué)生掌握了原理后，布置學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生思考和實踐點亮多個LED，并實現(xiàn)如流水燈、跑馬燈等花樣效果。整個學(xué)習(xí)過程教師只起到領(lǐng)路人的作用，學(xué)生作為課堂真正的主人，充分發(fā)揮其主觀能動性，而且每個項目分小組完成，在進行過程中增強了學(xué)生的團結(jié)協(xié)作意識。

2.3 虛實結(jié)合，軟硬兼施

KEIL 是高校單片機學(xué)習(xí)中普遍使用的一款編譯軟件，兼容C51 和匯編兩種語言，界面簡潔，操作簡單。選定好單片機的型號后，可查看PSW、A 等特殊功能寄存器的狀態(tài)，有反匯編窗口，能查看存儲器的使用情況，程序單步執(zhí)行的狀態(tài)，方便檢查程序。將電腦用一根數(shù)據(jù)線和普中開發(fā)板相連后，可把KEIL 軟件編譯好的HEX 文件燒錄到單片機中，即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能。這種實踐學(xué)習(xí)方式對于線下教學(xué)比較容易實現(xiàn)，但是近年來受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，單片機課程由線下教學(xué)轉(zhuǎn)為線上授課，學(xué)生手里沒有開發(fā)板供學(xué)習(xí)使用，這對實踐教學(xué)造成了一定困難。同時，即使線下教學(xué)，如果不用開發(fā)板，學(xué)生自己搭建電路學(xué)習(xí)的話，很容易出現(xiàn)電路有誤，燒損元器件和單片機的情況，這樣既不經(jīng)濟也不安全?；诖耍谟布嵨锊僮髦?，若能先利用虛擬實驗平臺PROTEUS 進行仿真，有問題及時調(diào)整，直至達到理想的效果后，再進行實物操作，可大大節(jié)省時間和金錢，而且線上實踐課也可順利進行。

在進行PROTEUS 仿真時，需要學(xué)生自行設(shè)計并畫出硬件電路，能畫出電路的前提一定是理解了，硬件電路和軟件聯(lián)合才能出現(xiàn)現(xiàn)象，所以需要學(xué)生對軟件編程也要熟悉，因此先采用KEIL 和PROTEUS 軟件聯(lián)調(diào)實現(xiàn)項目要求，線下再利用實物實現(xiàn)，這個過程既加強了學(xué)生對理論知識的理解和吸收，充分體現(xiàn)出主觀能動性，也增強了學(xué)生應(yīng)用單片機進行相關(guān)設(shè)計的能力。

2.4 考核方式和評價標(biāo)準(zhǔn)多樣化

課程考核不以試卷為唯一合格標(biāo)準(zhǔn)，注重德育元素的考核以及實踐能力的考核。允許在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等權(quán)威比賽中，取得優(yōu)異成績的同學(xué)申請課程免修且成績定為優(yōu)秀。在保證大多數(shù)學(xué)生學(xué)到知識的條件下，鼓勵學(xué)生課后走進實驗室進行自主學(xué)習(xí)和實踐操作，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出，根據(jù)難易程度制定不同分?jǐn)?shù)等級的考核項目。

3 課程改革實施過程

3.1 構(gòu)建基于CDIO 的單片機課程體系

將傳統(tǒng)的單片機課程知識體系拆解，重構(gòu)基于CDIO 的課程體系。將課程知識安單片機產(chǎn)品開發(fā)過程有機融入，針對不同的環(huán)節(jié)講授課程相關(guān)內(nèi)容，使得理論知識的總量不變，將理論知識與實踐開發(fā)有機結(jié)合。教學(xué)過程采用項目式進行，教師結(jié)合應(yīng)用實例引出子項目，指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，根據(jù)設(shè)計要求分組完成產(chǎn)品開發(fā)過程，在學(xué)習(xí)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識、工匠精神、創(chuàng)新思維等。

3.2 項目式教學(xué)模式

課程教學(xué)以實際應(yīng)用的項目為主線，采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，建立“做中學(xué)”的教學(xué)模式，將枯燥的理論知識融入到項目中進行學(xué)習(xí)，每個項目都按照CDIO 的過程進行，即確定產(chǎn)品功能；準(zhǔn)備相關(guān)資料；硬件電路設(shè)計；軟件程序設(shè)計；仿真調(diào)試；軟硬件聯(lián)調(diào)；產(chǎn)品制作與測試。每個項目開始前教師僅對必要的知識點進行講解，項目進行中設(shè)計3 個左右的小任務(wù)，學(xué)生以團隊形式自主分析設(shè)計并完成任務(wù)，團隊成員分工協(xié)作。整門課程拆分了6 個子項目，2 個綜合項目和1 個擴展項目。所有學(xué)生需完成6 個子項目，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生完成綜合項目，優(yōu)秀的學(xué)生完成擴展項目。單片機原理與接口技術(shù)課程項目式教學(xué)體系，見表1。

表1 單片機原理與接口技術(shù)課程項目式教學(xué)體系

3.3 改革實踐

以20 級機械設(shè)計制造及其自動化1 班的單片機課程改革實踐為例。受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，教學(xué)實施過程中，采用線上授課模式。充分利用超星學(xué)習(xí)通平臺資源，同時教師團隊自建單片機課程，將關(guān)鍵知識點以微課、資料庫等的形式上傳云端，方便學(xué)生隨時查看。線上授課的優(yōu)點是可方便軟硬件仿真的演示，缺點是學(xué)生無法真實操作實物硬件。但是從考核效果看，學(xué)生對單片機課程的學(xué)習(xí)情況比傳統(tǒng)教學(xué)還是有所提升。下面以項目三廣告牌控制為例，對改革實踐過程進行詳細(xì)說明。

3.3.1 課堂導(dǎo)入

以愛國主義元素引出授課內(nèi)容，在線分享建黨100 周年聯(lián)歡會慶祝視頻，重點展示點陣屏幕上“中國共產(chǎn)黨”“愛你中國”等顯示畫面，激發(fā)學(xué)生的愛國愛黨情懷，進而引入主題廣告牌控制。

3.3.2 關(guān)鍵知識講授

首先以8×8LED 點陣屏為例講解顯示原理，說明各種尺寸的廣告牌均可由基礎(chǔ)點陣屏拼接而成。8×8LED 點陣屏由64 個點狀LED 構(gòu)成8 行8 列的分布，每一行陽極連接起來，共用一個引腳，每一列陰極連接起來，共用一個引腳。通過單片機的I/O 口空著這8 個行引腳和8 個列引腳的電平高低，就可顯示特定的圖形。

回顧前面兩個項目涉及的LED 燈和數(shù)碼管，對比分析這些顯示器的特點和使用場合，進而引出辯證思想即“否定之否定”規(guī)律[3]。LED 燈是最早也是最簡單的顯示，為單個獨立點狀LED，通常用來作為指示燈使用；隨后人們發(fā)現(xiàn)LED 燈展示的不夠直觀，又發(fā)明了條狀LED 構(gòu)成的數(shù)碼管，數(shù)碼管可以形象地顯示0 到9，以及一些字母和字符，常用來做電子鐘、儀表數(shù)據(jù)等的顯示，但是顯示的內(nèi)容還是有限；后來人們又發(fā)明了LED 點陣屏，點陣屏能展示更多更豐富的內(nèi)容，常用來做廣告牌，提示牌等，點陣屏其實就是陣列式排布的點狀LED。這樣看來LED 顯示器，經(jīng)歷了點狀—條狀—點狀的過程，也經(jīng)歷了兩次否定后，才得到了更好的應(yīng)用。

最后在大部分同學(xué)掌握了顯示圖形的方法后，擴展介紹字模生成器的使用，方便日后制作復(fù)雜動畫使用。

3.3.3 分組協(xié)作，共同學(xué)習(xí)

要求小組同學(xué)根據(jù)所學(xué)知識自行設(shè)計廣告牌，對于設(shè)計方案不做具體要求，但要能體現(xiàn)出愛國情懷。以某一小組為例，團隊成員先討論要設(shè)計的產(chǎn)品，確定好后，分工協(xié)作，有負(fù)責(zé)收集技術(shù)資料的，有負(fù)責(zé)軟件編程的，有負(fù)責(zé)硬件設(shè)計的，對于教師布置的項目小任務(wù)，同學(xué)們共同探討最終完成。由于是線上學(xué)習(xí)，同學(xué)們對于PROTEUS 和KEIL 軟件的使用和聯(lián)調(diào)要很熟練，對于完成的作品需要線上共享屏幕進行講解，這無形之中又鍛煉了負(fù)責(zé)講解同學(xué)的語言表達能力，對于這樣的作品展示過程，同學(xué)們表現(xiàn)的很積極，愿意和大家分享自己在項目過程中取得的成績，當(dāng)說到遇到的難題時，其他組的同學(xué)會共同探討并想辦法解決。

3.3.4 教學(xué)效果

通過課改的實施，明顯感覺課堂氛圍活躍了，考核內(nèi)容增加了仿真硬件作圖和德育內(nèi)容，增加了平時作品展示環(huán)節(jié)，同學(xué)普遍反映學(xué)習(xí)變得不那么枯燥了，而且通過仿真軟件的使用對知識的掌握更明了了。雖然是新型冠狀病毒肺炎疫情期間學(xué)生不能走進實驗室進行實踐，但這樣的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有些同學(xué)自行購買了相關(guān)元器件在家進行了實踐操作，并且有一組同學(xué)參加了第十二屆全國大學(xué)生電子商務(wù)“創(chuàng)新、創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽，獲得了校級特等獎和吉林省二等獎的好成績，還有兩組同學(xué)參加了第十屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽，分別獲得了省級一等獎和二等獎的好成績。由于新型冠狀病毒肺炎疫情原因全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽沒能如期舉行，但是目前來看課改班級學(xué)生報名踴躍程度比以往有所提升，期待比賽能取得好成績。

4 結(jié)語

基于CDIO 導(dǎo)向的單片機課程改革，對于改善應(yīng)用型本科學(xué)生學(xué)完單片機后，應(yīng)用設(shè)計能力不強，甚至低于部分高職院校學(xué)生水平的現(xiàn)象有一定的作用。采用項目式教學(xué)，將知識點融入項目中，避免了理實分家的現(xiàn)象，提高了學(xué)生的實踐能力。此改革模式可為相關(guān)或相近課程改革提供一定的參考方向和思路，相信疫情結(jié)束后，線下實踐的融入將會使課改效果更好。