基于CDIO 工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究

王洪濤，何益宏

(五邑大學信息工程學院，廣東 江門 529020)

1 CDIO工程教育模式概述

CDIO代表構思－設計－實現(xiàn)－運行(Conceive－Design－Implement－Operate)，是近年來國際工程教育改革的最新成果［1］.從2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2 000萬美元巨額資助，經(jīng)過4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國際合作組織.CDIO是“做中學”和“基于項目的教育和學習”(Project based education and learning簡稱PBL)的集中概括和抽象表達［2］.它以工程項目從研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程.CDIO提出的12條標準如圖1所示，描述了CDIO模式下工程教學的必要特性，為工程教學改革提供了最佳實踐的參照模型.

準則1說明了CDIO教學模式的基本理念，即“以CDIO為基本環(huán)境”;準則2、3、4說明了課程設置要求，包括學習目標、集成化課程設置和工程導論;準則5、6說明了“設計－實現(xiàn)”經(jīng)驗和工作場所;準則7、8說明了以“綜合性、主動學習”為特點的新型教學方法;準則9、10說明了教師自身能力和教學能力的發(fā)展;準則11、12說明了學生和專業(yè)的考核評價方法［3－5］.正值我國高等教育提高本科質(zhì)量工程之際，CDIO傳到國內(nèi)高等教育界后引起了強烈的反響，也是近年國外教育模式被國內(nèi)教育主管部門和高等學校接納較為廣泛的一次.很多高校相繼展開學習、研究和實踐，成立CDIO交流協(xié)作組織.五邑大學作為全國首批參加試點的18所高校之一，參與機械、電子電氣等兩類專業(yè)的試點工作.

圖1 CDIO的12項標準

CDIO創(chuàng)新工程教育模式倡導問題驅(qū)動，注重實踐性教學和實際動手能力，主張課程實驗教學應該從具體實踐出發(fā)，然后上升至理論，最后再回到實際操作中來，以創(chuàng)作最終產(chǎn)品為教學目標.CDIO以工程項目設計為導向，以培養(yǎng)個人能力——包括自學能力和創(chuàng)新能力、團隊能力和系統(tǒng)調(diào)控能力為主要目標;以項目設計為載體，以項目學習促進能力培養(yǎng).CDIO教育模式的實踐和實質(zhì)性的展開，將對我國本科教育的改革產(chǎn)生深刻的影響.

2 CDIO工程教育的必要性

我國高等院校長期延續(xù)蘇式人才培養(yǎng)模式，高校改革多年，課程改革始終走不出脫離市場和社會發(fā)展需求的怪圈.80%以上的本科畢業(yè)生不能隨即上崗適應現(xiàn)代企業(yè)的崗位競爭機制，企業(yè)要進行職業(yè)性培訓后才能適應工作要求.目前教學過程中由于原理性釋義較多，工藝流程實踐訓練較少，學生系統(tǒng)的工程化概念和實踐教育相對不足，至多有前半程C、D(創(chuàng)意、設計)訓練，沒有后半程I、O(實現(xiàn)、運作)訓練.導致學生在校沒能完成原發(fā)產(chǎn)品制作的全過程訓練，畢業(yè)后把后半程訓練留給企業(yè)增加培訓負擔，造成企業(yè)招聘時寧可錄用層次稍低、動手能力強的高職學生.因此，現(xiàn)代本科教育應該培養(yǎng)能及時上手勝任工作，能獨立完成崗位項目全過程的工程型應用人才，這也正是開展基于CDIO工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究與探索的目的與意義所在.

CDIO模擬現(xiàn)代工程師的真實工作環(huán)境，在工程教育背景環(huán)境下，參照工業(yè)界的要求，并對培養(yǎng)計劃、教學方法、學生考核以及學習構架提出了全面的指導和要求，突顯了CDIO工程教育在工程師知識和能力兩方面并重培養(yǎng)的特征.迄今已有幾十所世界著名大學加人了CDIO國際組織，通過國際合作的方式，多個國家、大學、專業(yè)可以并行探索，集國際智慧，大大加快改革步伐和保證改革方向的正確性.

《單片機原理及應用》是一門實踐性很強的專業(yè)基礎課，主要面向五邑大學信息工程學院電子信息工程、通信工程、自動化、電氣工程及其自動化和交通工程專業(yè)學生，涉及3個系、近5個專業(yè)、數(shù)10個班級，并面向全校開設公選課.該課程的重要程度已超出了一門專業(yè)基礎課的范圍，并成為公認的電類專業(yè)所設置課程中最受歡迎的課程之一.

基于CDIO工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究，以工程項目設計為導向，以培養(yǎng)學生能力——包括自學能力、創(chuàng)新能力、團隊能力和系統(tǒng)調(diào)控能力為主要目標;以項目設計為載體，以項目學習促進能力培養(yǎng)，以行動導向組織教學，以學生為中心、教師引導、教學做一體的工學結(jié)合教育模式，以解決學生知識、技能、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展問題.CDIO教育模式的實踐和開展，將對我國本科教育的改革產(chǎn)生深刻的影響.

3 課程研究思路

3.1 課程設計理念

以單片機系統(tǒng)研發(fā)和滿足行業(yè)企業(yè)的需求為前提，以學生能力培養(yǎng)和工程素養(yǎng)為主線，以企業(yè)真實項目的實現(xiàn)全過程為教育教學背景，以構建高技能人才培養(yǎng)“做中學”專業(yè)課程體系為重點，以與行業(yè)企業(yè)共建教學環(huán)境為條件，以“雙師”結(jié)構協(xié)同教學團隊建設為保障，以校企合作、工學結(jié)合的共享型資源建設為手段，以培養(yǎng)面向自動化工程設計的高技能應用型人才為目標，按照崗位和職業(yè)能力培養(yǎng)的要求，將學生能力培養(yǎng)的基本規(guī)律與課程系統(tǒng)化、以及學生專業(yè)能力、方法能力和社會能力相結(jié)合，形成以企業(yè)真實生產(chǎn)項目為載體，以行動導向組織教學，以學生為中心、教師引導、教學做一體的工學結(jié)合教育模式，解決學生知識、技能、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展問題［6］.

3.2 課程內(nèi)容以項目為藍本

課程內(nèi)容以行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)與技術服務需求為導向，以培養(yǎng)學生能力為主線.對項目(系統(tǒng)功能要求)涉及到單片機教學知識點進行分析，以相對完整的產(chǎn)品模塊作為教學項目，將相關的教學知識點融入到課程的教學項目中.教學成果以產(chǎn)品形式提供給企業(yè)，進而提升企業(yè)生產(chǎn)效益.教學項目的形成示意圖如圖2所示.

3.3 企業(yè)專家參與課程設計

根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品初步確定教學項目后，邀請行業(yè)企業(yè)專家對擬定的教學項目從以下方面進行分析論證.

1)企業(yè)產(chǎn)品的實現(xiàn)方案是否合理及改進方案;

2)教學項目是否涵蓋企業(yè)產(chǎn)品的技術需求;

3)教學項目是否具有通用性，是否能夠培養(yǎng)學生單片機產(chǎn)品設計與研發(fā)的CDIO能力.

聽取企業(yè)專家的分析論證后，對教學項目進行完善、修整.

圖2 教學項目來自企業(yè)產(chǎn)品需求

4 課程教學主要內(nèi)容

4.1 教學內(nèi)容

《單片機原理及應用》主要包括兩方面教學內(nèi)容:一是硬件資源的運用，包括單片機內(nèi)部資源(定時、計數(shù)、中斷、存儲、通信等)與外部資源的運用;二是開發(fā)平臺的運用，包括集成開發(fā)軟件Keil(uVision2)和仿真軟件Proteus等的運用.

4.2 教學項目選取

教學項目以江門市士禮機械有限公司需求的產(chǎn)品——壓配焊接機智能控制器［7］(簡稱:壓力控制器)如圖3作為教學載體，該壓力控制器以單片機作為控制核心，由單片機最小系統(tǒng)電路、按鍵與數(shù)碼管顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動電路、串行通信電路5個模塊構成.

圖3 壓配焊接機智能控制器

我們將液壓壓力控制器各模塊與單片機教學知識點進行有機結(jié)合，設計了5個CDIO教學項目，如圖4所示.

圖4 《單片機原理及應用》課程教學項目

通過教學項目，能夠使學生掌握單片機的基本原理和應用方法，重點培養(yǎng)學生單片機系統(tǒng)設計開發(fā)能力.

4.3 教學內(nèi)容組織

每一個教學項目都是一個完整的CDIO實施過程，在該過程中既訓練了學生的單片機應用產(chǎn)品設計與開發(fā)能力，同時培養(yǎng)了學生的職業(yè)素質(zhì).每個教學項目的實施過程示意圖如圖5所示.每個教學項目都通過“構思(C)→設計(D)→實施(I)→運作(O)”4個典型環(huán)節(jié)進行實施，進行基于單片機產(chǎn)品開發(fā)工作過程的能力訓練.

4.4 教學內(nèi)容及對應學時

本課程采用項目式教學，將課程所需知識融入到5個教學項目中.教學項目分2個教學模塊實施，如表1和表2所示，其中模塊1側(cè)重構思和設計，主要完成電路實現(xiàn)方案的構思(C)、電路原理圖的仿真與繪制及程序設計(D);模塊2側(cè)重實施(I)和運作(O)，主要完成電路板的焊接、調(diào)試.

圖5 教學項目的實施過程

表1 教學實施計劃(模塊1:側(cè)重構思與設計)

教學實施計劃(模塊2:側(cè)重實踐與運作)

4.5 CDIO教學模式設計

為真正實現(xiàn)“教、學、做一體化”教學，體現(xiàn)學生在教學過程中的主題地位，針對《單片機原理及應用》課程的教學目標，構建了CDIO教學模式，如圖6所示.

圖6 基于項目導向的CDIO教學模式

在基于項目向?qū)У腃DIO教學模式中，學生在教師引導下對企業(yè)提出的產(chǎn)品需求進行任務構思、方案對比和任務分解，然后學生每兩人一組對分解后的任務進行軟、硬件設計與仿真，仿真通過后進行電路板的焊接與調(diào)試，最后將調(diào)試好的產(chǎn)品進行模擬現(xiàn)場下的調(diào)試、運行與維護.

4 總結(jié)

通過基于項目導向的CDIO教學，以企業(yè)真實項目的實現(xiàn)全過程為教育教學背景，以構建高技能人才培養(yǎng)“做中學”專業(yè)課程體系為重點，以校企合作、工學結(jié)合的共享型資源建設為手段，培養(yǎng)學生扎實的單片機系統(tǒng)研發(fā)專業(yè)知識與技能，增強了學生參加科技創(chuàng)新活動的興趣［8］，提高學生分析問題、解決問題的能力，使學生逐步養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，具備良好的職業(yè)素養(yǎng)，以實現(xiàn)培養(yǎng)面向自動化工程設計的高技能應用型人才的目標.

［1］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考［J］.中國高教研究，2009(5):86－87.

［2］朱張青，趙佳寶.以學科滲透思想建設自動化專業(yè)的創(chuàng)新實驗體系［J］.中國科教創(chuàng)新導刊，2009(1):21－25.

［3］查建中.論“做中學”戰(zhàn)略下的CDIO模式［J］.高等工程教育研究，2008(3):38－45.

［4］花秋玲.大學生素質(zhì)教育的三大要素［J］.科教平臺，2008(7):67－72.

［5］劉經(jīng)偉.大學生素質(zhì)教育的思考，教書育人［J］.高教論壇，2008(7):41－46.

［6］石家莊鐵路職業(yè)技術學院信息工程.單片機控制系統(tǒng)開發(fā)實訓［EB/OL］.(2010－05－06)［2011－04－16］.http://www.sirt.edu.cn/content/xjjpk/2009/dpj/default.asp.

［7］王洪濤，伍廣勝，陳錫勇，等.基于Atmega128單片機數(shù)字壓力表設計［J］.江漢大學學報，2010(1):54－59.

［8］任其亮，李淑慶.提高大學生創(chuàng)新能力的對策研究［J］，重慶文理學院學報:自然科學版，2011(2):97－100.