CDIO模式下單片機課程設(shè)計教學(xué)模式探討與實踐*

李曉秀，林國漢

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

?

CDIO模式下單片機課程設(shè)計教學(xué)模式探討與實踐*

李曉秀，林國漢

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

以CDIO工程教育模式為指導(dǎo)，對單片機課程設(shè)計的教學(xué)模式進(jìn)行改革和探討，從課程設(shè)計的時間安排、項目設(shè)計、教學(xué)組織和項目實施等方面進(jìn)行改革，構(gòu)建了新的單片機課程設(shè)計實踐教學(xué)模式，讓學(xué)生在學(xué)中做，在做中學(xué)，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高其發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實際問題能力、增強學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神。

CDIO；課程設(shè)計；工程教育；能力培養(yǎng)

由于單片機具有性價比高、處理能力較強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在智能儀器儀表、 醫(yī)療器械、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為電氣信息類專業(yè)一門實踐應(yīng)用性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目的主要是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和利用單片機進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的能力，因此，單片機課程設(shè)計作為單片機課程教學(xué)中重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的單片機課程設(shè)計教學(xué)模式存在一些弊端：一是學(xué)生按照老師布置的任務(wù)邊講邊做，無法充分激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造性；二是設(shè)計題目和內(nèi)容較單一，沒有充分考慮學(xué)生對單片機知識掌握的個體差異；三是沒有充分考慮對學(xué)生團(tuán)隊合作精神的培養(yǎng)。另外由于教師實踐能力和學(xué)校實驗條件的限制，使得單片機課程設(shè)計未能與實際工程問題密切銜接。

為此，針對應(yīng)用型本科自動化專業(yè)人才培養(yǎng)需要，結(jié)合湖南工程學(xué)院卓越工程師培養(yǎng)計劃，引入CDIO教育理念，對單片機課程設(shè)計模式進(jìn)行改革探索，以解決理論教學(xué)與應(yīng)用實踐之間脫節(jié)的問題，從而找到能更好地培養(yǎng)學(xué)生工程職業(yè)素質(zhì)、增強實踐動手和創(chuàng)新能力及團(tuán)體協(xié)作精神的有效途徑。

一　CDIO工程教育模式

CDIO是Conceive-Design-Implement-Operate的首字母縮寫，是由麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的皇家工學(xué)院、林雪平大學(xué)、查爾姆斯理工大學(xué)等高校經(jīng)過4年的探索與實踐于2004年創(chuàng)立的現(xiàn)代工程教育模式，代表構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行過程。CDIO以工程項目為主要教育工具，把學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊溝通和合作能力作為其主要培養(yǎng)目標(biāo)。它以工程項目的生命周期(構(gòu)思決策、工程設(shè)計、工程實施、工程運行)為載體，通過這個載體，學(xué)生以一種主動的方式學(xué)做結(jié)合，以實際工程項目為背景，并通過在不同課程之間建立有機聯(lián)系的方式獲取工程能力。在對工程畢業(yè)生的能力要求方面，CDIO將學(xué)生的能力培養(yǎng)分為四個層面，即基礎(chǔ)知識培養(yǎng)、個人能力培養(yǎng)、團(tuán)隊能力培養(yǎng)和系統(tǒng)能力培養(yǎng)。第二版的CDIO教學(xué)大綱——The CDIO Syllabus V2.0已于2011年在丹麥舉行的第七屆國際CDIO會議上發(fā)布。[1]該大綱共列舉了十二條標(biāo)準(zhǔn)，利用該標(biāo)準(zhǔn)，可以指導(dǎo)包括教師和學(xué)生的能力培養(yǎng)及項目實施過程，并可檢驗工程教育模式的成效，大綱還詳列了學(xué)生在基礎(chǔ)知識培養(yǎng)、個人能力培養(yǎng)、團(tuán)隊能力和系統(tǒng)能力培養(yǎng)層面上應(yīng)達(dá)到的預(yù)定目標(biāo)。[2]

二　CDIO模式下的單片機課程設(shè)計改革

(一) 改革的指導(dǎo)思想和實現(xiàn)目標(biāo)

單片機課程設(shè)計是電氣信息類學(xué)生能力培養(yǎng)中的重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，將CDIO理念與單片機課程設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)CDIO工程教育大綱的要求，學(xué)生作為教學(xué)活動主體，選擇或自定工程設(shè)計項目或者產(chǎn)品，通過項目構(gòu)思、項目設(shè)計、項目實現(xiàn)和運行等環(huán)節(jié)，達(dá)到學(xué)生能夠主動學(xué)習(xí)的目的，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。通過課程設(shè)計，進(jìn)一步加深學(xué)生對單片機、電子技術(shù)、控制理論、檢測技術(shù)等專業(yè)理論知識的理解，掌握利用單片機進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)或者產(chǎn)品開發(fā)的基本流程，具備應(yīng)用單片機進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品開發(fā)的初步能力，具備良好的溝通和協(xié)作精神。

(二)課程設(shè)計改革的具體措施

1.課程設(shè)計的時間安排。以往的單片機課程設(shè)計大多是在完成基本的課程理論教學(xué)后，集中安排時間(一般是兩周)進(jìn)行，這樣雖然便于教學(xué)組織管理，但存在設(shè)計內(nèi)容安排與設(shè)計時間緊張的矛盾。因此，我們將課程設(shè)計時間化整為零，在講解完第二章后，學(xué)生已經(jīng)熟悉了單片機硬件的基礎(chǔ)知識，我們將課程設(shè)計題目提供給學(xué)生進(jìn)行選擇，并提供給每個學(xué)生一個單片機課程組老師自行設(shè)計的單片機電路板和不同設(shè)計課題相應(yīng)的元器件。在整個設(shè)計過程中，學(xué)生可在課堂理論知識學(xué)習(xí)之余，以課外作業(yè)形式在一個星期之內(nèi)完成單片機開發(fā)板焊接。學(xué)生可以利用開發(fā)板，在課堂上或者課外完成單片機最小系統(tǒng)、LED動/靜態(tài)顯示、獨立式/矩陣式鍵盤接口、定時、中斷等基本模塊的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，實現(xiàn)了“學(xué)中做”和“做中學(xué)”的CDIO原則。采用這種教學(xué)與動手相結(jié)合、理論教學(xué)與課程設(shè)計融合的教學(xué)組織模式，讓學(xué)與做有機統(tǒng)一，很好地解決了以往理論教學(xué)與實踐教學(xué)不能同時進(jìn)行的問題，而且消除了部分學(xué)生對單片機學(xué)習(xí)的恐懼心理，激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣。

2.項目設(shè)計。針對應(yīng)用型本科和卓越工程師培養(yǎng)的目標(biāo)，圍繞單片機技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)教學(xué)大綱要求，課程設(shè)計的題目從統(tǒng)籌工程概念出發(fā)，使設(shè)計題目工程化，要盡可能覆蓋單片機原理及應(yīng)用課程的主要理論知識點并具有一定的工程背景，要有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨立分析問題、解決問題能力、實踐動手能力和創(chuàng)新精神，同時注意與其它課程的銜接，題目應(yīng)包含模擬電路和數(shù)字電路，設(shè)計題目充分考慮學(xué)生個體差異，具備層次性，以滿足不同層次的學(xué)生需求。因此，在選擇課程設(shè)計題目的過程中，一是根據(jù)工程實踐 (教師科研項目、校企合作企業(yè)提供項目)設(shè)計出難度適中的具有工程背景的設(shè)計題目，如運料小車自動往返控制、貨運電梯的單片機控制、采用單片機控制的3D打印等；二是參考?xì)v屆國家和湖南省大學(xué)生電子設(shè)計大賽的題目，老師在該課題基礎(chǔ)上設(shè)計符合要求的題目，如自動巡跡小車，單片機數(shù)控直流恒流源；三是從現(xiàn)實生活中尋找符合本課程教學(xué)計劃的一些有工程實踐背景的設(shè)計題目，如密碼鎖、智能交通燈控制、搶答器設(shè)計，同時允許并鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的興趣和實踐自己命題，通過這種選題方式，既可鞏固理論知識，鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力，也可為學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計大賽等課外科技活動奠定堅實的基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和協(xié)作精神。

表一是在結(jié)合CDIO 理念，在學(xué)生能力、項目開展的硬件條件下，融合知識、技能、職業(yè)能力培養(yǎng)而設(shè)計的單片機數(shù)控直流恒流源設(shè)計項目。

表一　單片機數(shù)控直流恒流源項目設(shè)計

3.教學(xué)組織。學(xué)生根據(jù)自己的情況，自由選擇組員，根據(jù)設(shè)計題目難度3-4人一組，自由選題。同時由組員自行推薦一位小組長，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)協(xié)作下，由小組長組織組員進(jìn)行設(shè)計項目分析、設(shè)計方案優(yōu)劣比較，確定設(shè)計方案。每一位組員需單獨進(jìn)行軟硬件設(shè)計，組內(nèi)成員定期開展項目討論，共同解決設(shè)計過程中遇到的問題。每隔2-3周，由指導(dǎo)教師組織，小組內(nèi)部和小組之間對項目進(jìn)行評估和檢查，通過這種方式可以充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的主動性，培養(yǎng)學(xué)生在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題、通過獨立思考分析問題和通過團(tuán)隊協(xié)作解決問題的能力。[3]

4.項目具體實施。在整個課程設(shè)計的實施過程中，以學(xué)生為主體，以設(shè)計為中心。將CDIO理念融入整個教學(xué)過程，教師在設(shè)計過程中主要起到輔導(dǎo)、答疑、評價的作用。按照CDIO模式，項目具體實施流程如圖1所示。[4]

圖1　設(shè)計項目CDIO實施流程

按照CDIO項目實施流程，以單片機數(shù)控直流恒流源項目為例，項目具體實施過程為：

(1)項目構(gòu)思階段。根據(jù)單片機數(shù)控恒流源具備的功能和具體技術(shù)指標(biāo)(客戶需求：輸出電流/電壓范圍，紋波電流、誤差等)查閱相關(guān)資料，組員可提出不同方案，對不同方案進(jìn)行優(yōu)劣討論并確定初步方案。學(xué)生根據(jù)所選項目需要和具體設(shè)計指標(biāo)，將項目按照功能模塊進(jìn)行劃分，系統(tǒng)可劃分為主電路、電源電路、恒流源電路、鍵盤顯示、輸出電流檢測等幾個模塊。在此階段，教師所做主要的工作是對學(xué)生的設(shè)計方案可行性進(jìn)行判斷。

(2)項目設(shè)計階段。此階段一般包括兩個部分：仿真與系統(tǒng)設(shè)計。對于一些復(fù)雜項目，學(xué)生可先利用PROTEUS等軟件對系統(tǒng)主電路和模塊進(jìn)行模擬仿真，以熟悉項目功能模塊和電路設(shè)計，然后再進(jìn)行硬件設(shè)計，然后根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)計算，選擇元器件，列出包括詳細(xì)參數(shù)的元器件清單，再進(jìn)行單片機最小系統(tǒng)、供電電源系統(tǒng)、恒流源電路、輸出電流檢測電路、鍵盤顯示等電路設(shè)計，繪制原理圖，然后生成PCB，進(jìn)行制板和元器件焊接，最后進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件調(diào)試。在此階段教師隨時指導(dǎo)學(xué)生去解決所遇到的問題。

(3)項目實施階段。學(xué)生對硬件電路和程序設(shè)計進(jìn)行檢查，采用不同測試方法進(jìn)行調(diào)試，檢查所設(shè)計系統(tǒng)是否達(dá)到性能指標(biāo)要求，如果沒有達(dá)到性能指標(biāo)要求，則查找原因并予以解決。

(4)項目運行階段。學(xué)生以項目組為單位，公開展示和匯報直流恒流源項目設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)、成果、整個設(shè)計過程遇到的問題及解決辦法等內(nèi)容，并進(jìn)行相應(yīng)的實物操作演示，如果條件允許可邀請有豐富項目設(shè)計經(jīng)驗的企業(yè)工程師一起參與項目運行階段，對該項目組的工作過程和成果進(jìn)行評價和指導(dǎo)。[5]通過項目的匯報與展示，可以很好地督促學(xué)生認(rèn)真完成項目任務(wù)，克服其畏難思想，提高其學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的表達(dá)能力、交流能力等得到較好的提升，創(chuàng)新能力和協(xié)作精神也得到提高。

三　結(jié)　語

打破傳統(tǒng)單片機課程設(shè)計的教學(xué)模式，將CDIO以項目為導(dǎo)向的工程教育思想融入單片機課程設(shè)計。課程設(shè)計題目和設(shè)計過程較好地融合了“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”的指導(dǎo)思想。通過CDIO項目的設(shè)計，提高了學(xué)生的工程分析能力、發(fā)現(xiàn)和解決實際工程問題的能力，學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和工程素養(yǎng)得到進(jìn)一步提高。學(xué)生作為單片機課程設(shè)計教學(xué)活動中的主體，教師成為教學(xué)過程向?qū)Ш驮u估人員，經(jīng)過在自動化卓越班的教學(xué)證明，通過在“學(xué)中做”，在“做中學(xué)”的CDIO項目設(shè)計訓(xùn)練，既能克服學(xué)生的畏懼心理，提高其學(xué)習(xí)興趣，也可促進(jìn)教師的專業(yè)實踐技能，提升應(yīng)用型本科學(xué)生教育的教學(xué)質(zhì)量。

[1]Edward F.Crawley,Johan Malmqvist S?ren ?stlund,Doris R.Brodeur Kristina Edstr?m.Rethinking engineering education:the CDIO approach[M].New York:Springer,2014：12-40.

[2]查建中.論 “做中學(xué)” 戰(zhàn)略下的 CDIO 模式[J].高等工程教育研究,2008(3): 1-9.

[3]葛浩,林其斌.單片機課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(10):138-140.

[4]汪利琴，張佳，郭麥成.基于 CDIO 理念的項目驅(qū)動教學(xué)法研究——以《數(shù)據(jù)庫應(yīng)用》課程設(shè)計為例[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，12(13)：138-141.

[5]林國漢,李曉秀,王迎旭.CDIO模式下的單片機原理課程教學(xué)方法探討[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2014,24(2):101-104.

Exploration and Practice of the Teaching Mode of Singlechip Micro-computer Curriculum Design with the CDIO Approach

LI Xiaoxiu,LIN Guohan

(College of Electrical Engineering and Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

With the guidance of the CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate) engineering education approach,the mode of curriculum design in singlechip micro-computer has been reformeal and explored from such aspects as time arrange,project design,teaching organization and project implementation.With the construction of the new curriculum design mode,“l(fā)earning to do” and “doing to learn” can be realized,the students’innovation ability can be developed,the ability to find,analyze and solve the engineering problems can be improved,and teamwork spirit can be enhanced.

CDIO; curriculum design; engineering education; ability training

2015-10-12

湖南省2013年普通高校教學(xué)改革研究項目“基于CDIO模式的‘單片機原理與應(yīng)用’課程教學(xué)方法的研究與實踐”(湘教通[2013]223號)。

李曉秀(1957-)，女，湖南郴州人， 碩士，教授，研究方向：計算機測控技術(shù)、傳動控制技術(shù)。

G642

A

1671-1181(2016)03-0097-04