基于CDIO理念的單片機(jī)教學(xué)模式研究

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摘要：在分析單片機(jī)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將先進(jìn)的CDIO工程教育理念應(yīng)用到單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，對(duì)課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排、選題、組織實(shí)施、考核等方面進(jìn)行改革與創(chuàng)新，構(gòu)建新的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，并對(duì)該模式進(jìn)行詳細(xì)闡述，以提高學(xué)生的工程能力和課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：CDIO；單片機(jī)；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)模式

0引言

單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)是高校電氣、電子、自動(dòng)化等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性較強(qiáng)。單片機(jī)課程主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和利用單片機(jī)以及所學(xué)知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力，課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，顯得尤為重要。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入CDIO先進(jìn)教學(xué)理念，對(duì)其進(jìn)行改革和創(chuàng)新，以便能更好地提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、工程思維、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等，從而提高教學(xué)效果。

1單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題和提升學(xué)生動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)。目前單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)主要存在以下幾個(gè)方面的問題[3]。

1.1時(shí)間安排不合理

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)通常安排在學(xué)期末的最后一周，時(shí)間短，再加上學(xué)生花時(shí)間進(jìn)行期末考試復(fù)習(xí)，往往疏于做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

1.2單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題單一

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題來源單一，沒有讓學(xué)生參與，題目通常由老師布置給學(xué)生，題目數(shù)量少，往往一個(gè)班多個(gè)學(xué)生共用一個(gè)題目，忽略了學(xué)生間的個(gè)體差異，沒有讓不同能力的學(xué)生發(fā)揮所學(xué)之長，不能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.3單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的組織實(shí)施不合理

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)往往由老師統(tǒng)一組織實(shí)施，雖然有的也進(jìn)行了分組，但是小組沒有有效的組織，沒有培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力；由于課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，學(xué)生通常只在Proteus軟件中進(jìn)行仿真，并沒有進(jìn)行實(shí)物制作，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力沒有得到有效的提高，課程設(shè)計(jì)的作用沒有得到有效的體現(xiàn)。

1.4單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的考核方式不合理

考核是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要手段，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的考核方式單一且不合理，課程設(shè)計(jì)的成績通常由課堂出勤和設(shè)計(jì)報(bào)告組成，不能全面、客觀地反映學(xué)生的真實(shí)情況。

2CDIO工程教育理念

CDIO理念是一種先進(jìn)的工程教育理念，其包含構(gòu)思（concept）—設(shè)計(jì)（design）—實(shí)施（implement）—運(yùn)行（operate）4個(gè)方面，也是這4個(gè)英文單詞首字母的縮寫。CDIO理念是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教與學(xué)（PBL）”模式的概括集中體現(xiàn)，它以實(shí)際的工程項(xiàng)目為背景，以產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，將理論知識(shí)融入工程項(xiàng)目實(shí)踐中，讓學(xué)生在工程實(shí)踐中對(duì)知識(shí)理解并應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、工程思維、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[4-8]。

3基于cdio理念的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐

將CDIO先進(jìn)的工程教育理念應(yīng)用到單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，從課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排、選題、組織實(shí)施、考核等方面進(jìn)行改革。將項(xiàng)目構(gòu)思、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目運(yùn)行貫穿課程設(shè)計(jì)全過程，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，通過課程設(shè)計(jì)幫助學(xué)生加深對(duì)單片機(jī)和相關(guān)課程知識(shí)的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

3.1課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排

以往的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)通常安排在學(xué)期末最后一周集中時(shí)間進(jìn)行，由于設(shè)計(jì)時(shí)間短、任務(wù)重，加上學(xué)生還要進(jìn)行期末考試課程的復(fù)習(xí)，不能專注單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，導(dǎo)致效果不理想，因此將單片機(jī)課程設(shè)計(jì)提前3周布置給學(xué)生，讓學(xué)生有充足的時(shí)間去完成。第1周：學(xué)生查閱相關(guān)資料，確定實(shí)施方案并交老師進(jìn)行可行性審核；第2周：進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，并在Proteus中仿真，仿真通過后方可進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)；第3周：實(shí)物制作，發(fā)放項(xiàng)目所需的電子元器件，學(xué)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(xué)生匯報(bào)演示作品，教師提問1~2個(gè)問題，答辯結(jié)束后，學(xué)生上交作品和設(shè)計(jì)說明書[9]。

3.2課程設(shè)計(jì)選題

選題是單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)不同于課程實(shí)驗(yàn)，也不同于畢業(yè)設(shè)計(jì)，因此，選題既要結(jié)合單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，盡可能覆蓋單片機(jī)課程的主要知識(shí)點(diǎn)，又要注意與其他課程的銜接。選題還要充分考慮學(xué)生個(gè)體差異，在難易程度上要有層次性，以滿足不同層次學(xué)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(xiàng)目或企業(yè)項(xiàng)目中選取，也可以參考電子設(shè)計(jì)競賽題目；②學(xué)生自主選題，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自主選擇題目，經(jīng)與指導(dǎo)老師協(xié)商后確定?？蛇x課題有交通燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、波形發(fā)生器、數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)與制作、電機(jī)轉(zhuǎn)速測量與控制、數(shù)字鐘等。課題確定后，教師設(shè)計(jì)好課程設(shè)計(jì)任務(wù)書發(fā)放給學(xué)生，讓學(xué)生了解項(xiàng)目具體要求。表1是以波形發(fā)生器為例，將CDIO理念融入學(xué)生的知識(shí)、能力、情感等方面的培養(yǎng)。

3.3課程設(shè)計(jì)組織實(shí)施

課程設(shè)計(jì)采用分組方式進(jìn)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(xiàng)目方案設(shè)計(jì)到項(xiàng)目完成的各項(xiàng)工作，如組織討論設(shè)計(jì)方案、遇到的問題以及硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)物制作、設(shè)計(jì)說明書撰寫等組內(nèi)分工。教師從旁指導(dǎo)，讓學(xué)生自我組織、自我管理，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。組織實(shí)施過程以學(xué)生為主、教師為輔，將CDIO理念充分融入課程設(shè)計(jì)的全過程。根據(jù)CDIO工程教育理念組織項(xiàng)目實(shí)施，實(shí)施流程。

根據(jù)CDIO理念，以波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作為例，項(xiàng)目的具體實(shí)施過程如下。

（1）項(xiàng)目構(gòu)思階段（concept）：學(xué)生根據(jù)波形發(fā)生器的功能和具體技術(shù)指標(biāo)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(shí)施方案，由組長組織小組內(nèi)討論，初步確定實(shí)施方案。采用5個(gè)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(jī)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(jī)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(duì)小組提交的實(shí)施方案可行性進(jìn)行審核，提出指導(dǎo)性意見，最終確定實(shí)施方案。

（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段（design）：本階段包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)實(shí)施方案列出詳細(xì)的元器件清單并設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhǔn)備。

（3）項(xiàng)目實(shí)施階段（implement）：學(xué)生根據(jù)PCB圖，選擇元器件，并在萬能板上焊接實(shí)施，焊接完成后，將程序下載到單片機(jī)中，通電進(jìn)行調(diào)試，觀察能否實(shí)現(xiàn)功能要求，不能實(shí)現(xiàn)的查明原因并及時(shí)修正。焊接調(diào)試完成后，撰寫作品的設(shè)計(jì)說明書。

（4）項(xiàng)目運(yùn)行階段（operate）：硬件電路調(diào)試完成后，學(xué)生以組為單位，制作PPT，公開匯報(bào)和演示作品，重點(diǎn)匯報(bào)實(shí)施方案的形成過程、項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的問題、如何解決等。匯報(bào)后，演示相應(yīng)的作品，并回答老師和學(xué)生的提問。

3.4課程設(shè)計(jì)考核

考核是檢驗(yàn)學(xué)生課程設(shè)計(jì)完成情況的重要手段，不僅要能檢驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)掌握情況，更重要的是還要能檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、工程素養(yǎng)等。通過考核促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)、積極動(dòng)手參加實(shí)踐，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。改革傳統(tǒng)只有考勤和設(shè)計(jì)說明書成績作為學(xué)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(xué)生自評(píng)、小組內(nèi)互評(píng)、教師評(píng)價(jià)組成，過程考核貫穿項(xiàng)目實(shí)施的全過程，根據(jù)課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排，每周安排一次考核[12]。

學(xué)生自評(píng)：學(xué)生結(jié)合自身情況從學(xué)習(xí)態(tài)度、職業(yè)素養(yǎng)（是否按要求操作、維護(hù)實(shí)驗(yàn)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(duì)自己評(píng)價(jià)。學(xué)生自評(píng)占過程考核的20%。

小組內(nèi)互評(píng)：小組內(nèi)成員之間從學(xué)習(xí)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、職業(yè)素養(yǎng)（是否按要求操作、維護(hù)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)。小組內(nèi)互評(píng)占過程考核的30%。教師評(píng)價(jià)：教師根據(jù)學(xué)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(jìn)行評(píng)價(jià)。教師評(píng)價(jià)占過程考核的50%。

課程設(shè)計(jì)完成后組織答辯考核，學(xué)生制作匯報(bào)PPT，首先從設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)創(chuàng)意等方面匯報(bào)；其次進(jìn)行實(shí)物演示；最后老師、其他學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)提問。教師根據(jù)學(xué)生答辯情況、回答問題情況、作品完成情況以及設(shè)計(jì)說明書撰寫情況給學(xué)生評(píng)分。學(xué)生課程設(shè)計(jì)的成績由過程考核（70%）和答辯考核（30%）組成。

4結(jié)語

學(xué)生在考核答辯中展現(xiàn)了他們對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的過程，即完整的問題分析過程和解決過程。每名學(xué)生都參與課程設(shè)計(jì)的工作中，鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。實(shí)踐表明，改革后的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、分析問題與解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等，同時(shí)也極大地提升了課程教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、就業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該教學(xué)模式在小組分工方面存在分工不均的問題，造成學(xué)生工作量不同，引發(fā)其他學(xué)生不滿，或有的學(xué)生參與不夠，對(duì)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(xué)中可以采取每個(gè)過程小組分工的模式，確保小組成員都參與每個(gè)過程中，盡量使每個(gè)學(xué)生工作量均等。

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作者：祖一康 徐妙婧 徐純輝 單位:黃岡師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院 黃岡師范學(xué)院 物理與電信學(xué)院