《微控制器技術(shù)》云課堂+虛擬仿真的CDIO教學(xué)模式改革初探

張曉峰 解朦 趙歡

摘?要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能、云平臺等技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代職業(yè)教育的課堂教學(xué)模式、信息化教學(xué)手段也在不斷創(chuàng)新。本文以我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)《微控制器技術(shù)及應(yīng)用》課程實施的“云課堂+虛擬仿真的CDIO教學(xué)模式改革”為例，對有關(guān)做法進(jìn)行梳理、總結(jié)，經(jīng)過實踐探索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過云課堂課程預(yù)習(xí)、自學(xué)、仿真，正式課堂的CDIO教學(xué)模式實踐，較好地解決了傳統(tǒng)課程難教難學(xué)，學(xué)完了不會實際應(yīng)用的問題，學(xué)習(xí)效果得到提高，同時學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和崗位應(yīng)用能力有效增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：微控制器（單片機(jī)）技術(shù);云課堂;虛擬仿真;CDIO

一、背景說明

《微控制器技術(shù)》也稱為“單片機(jī)技術(shù)”，是高職電子信息、裝備制造等大類專業(yè)開設(shè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)而言，在1+X傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)職業(yè)技能等級證書考試大綱中明確提出了單片機(jī)知識與技能的基本要求。但傳統(tǒng)的課程教學(xué)仍存在一些問題：一是理論與實踐相互獨立，課程學(xué)完后學(xué)生不具備相應(yīng)的硬件設(shè)計和編程能力，不會實際應(yīng)用;二是理論講授過多，實踐太少，特別是缺乏綜合性、開發(fā)性實踐項目，不能有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不能培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性、主動性、協(xié)作精神;三是教學(xué)方法運用不當(dāng)，教學(xué)與學(xué)習(xí)效率低。課堂上以老師講授為主，缺乏生動、直觀的輔助手段，與實際聯(lián)系不夠密切，致使學(xué)生學(xué)得吃力，老師教得辛苦，效果不夠理想。

“云課堂”是基于云計算技術(shù)的一種高效、便捷、實時互動的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)（學(xué)習(xí)）課堂形式，它由一系列“云”載體構(gòu)成?！霸普n堂”可及時獲取學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)方法以及學(xué)習(xí)成果等相關(guān)數(shù)據(jù)，把握學(xué)生學(xué)習(xí)需求，診斷教學(xué)問題，支持教法改進(jìn)。虛擬仿真技術(shù)，就是用一個虛擬系統(tǒng)模仿一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，它是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，可以是現(xiàn)實場景的再現(xiàn)，也可以是構(gòu)想出的情景。運用虛擬仿真技術(shù)，能解決實驗儀器不足、易損壞以及實驗現(xiàn)象不易重現(xiàn)等問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。CDIO模式是“基于項目教育和學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，它把“做中學(xué)”貫穿整個工程項目構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運轉(zhuǎn)（Operate）的四個過程，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生主動參與每一個具體的環(huán)節(jié)，體會產(chǎn)品設(shè)計的挑戰(zhàn)與樂趣，能有效培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和團(tuán)隊協(xié)作精神。

二、改革探索

（一）《微控制器技術(shù)》內(nèi)容界定

本文所謂的微控制器是指經(jīng)典的8051系列，實際上微控制器內(nèi)涵要豐富得多。雖然目前經(jīng)典51單片機(jī)的市場空間在不斷萎縮，也有一些人建議物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)可以直接將增強(qiáng)內(nèi)核的CC2530或高性能嵌入式STM32（系列）作為微控制器技術(shù)的入門課程。但現(xiàn)實的問題是，即使是基礎(chǔ)較好、學(xué)習(xí)熱情較高的高職學(xué)生，也較難從這兩種器件入手進(jìn)行微控制器的學(xué)習(xí)。主要原因有：第一，CC2530和STM32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對于經(jīng)典51內(nèi)核更加復(fù)雜，寄存器眾多，短時難于理解;第二，STM32的嵌入式編程涉及結(jié)構(gòu)體、枚舉、指針等C語言知識點也要求較高，函數(shù)之間調(diào)用關(guān)系繁雜。先在一個較為簡單的8051架構(gòu)上帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入微控制器技術(shù)的大門，以后再擴(kuò)展學(xué)習(xí)BasicRF的CC2530、嵌入式微控制器STM32等物聯(lián)網(wǎng)的核心控制技術(shù)，使學(xué)生形成一定的面對復(fù)雜對象的嵌入式C語言編程能力，就會水到渠成。

（二）課程改革理念

按照“成果導(dǎo)向、學(xué)生中心和素質(zhì)提升”的理念進(jìn)行課程設(shè)計，具體實施基于“云課堂+虛擬仿真的CDIO教學(xué)模式改革”，通過云課堂課前預(yù)學(xué)（自主學(xué)習(xí)）、正式課堂的合作探索，完成設(shè)計、仿真、運作等學(xué)習(xí)過程。課程注重思想政治教育與技術(shù)技能培養(yǎng)的融合統(tǒng)一，充分挖掘并融入勞動教育、職業(yè)道德、創(chuàng)新意識等社會主義核心價值觀元素，突出育人價值。

CDIO教學(xué)模式是否能成功運用，很大程度上取決于“課前預(yù)學(xué)”，這是學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)階段，教師需要準(zhǔn)備兩方面內(nèi)容。一是學(xué)習(xí)導(dǎo)航。包括項目（任務(wù)）名稱、要達(dá)成的目標(biāo)、學(xué)習(xí)方法建議和課堂活動預(yù)告（明確自主學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)的關(guān)系，便于主動完成學(xué)習(xí)）;二是具體預(yù)習(xí)任務(wù)。包括要看（學(xué)、做）的視頻、課件、動畫、文檔、圖片，測試題等資源，要求學(xué)生以筆記形式寫出自學(xué)過程的困惑問題或建議，完成初步的電路圖繪制、流程圖設(shè)計等。為了能達(dá)到理想效果，在成績評定上要增加自學(xué)部分占比，引起學(xué)生的重視。在教學(xué)方法上

主要運用任務(wù)驅(qū)動法、項目教學(xué)法、講授法、討論法、實驗法、探究法、演示法等，配合線上線下混合教學(xué)模式、小組合作開展學(xué)習(xí)，利用keil+proteus虛擬仿真信息化技術(shù)進(jìn)行調(diào)試和探索，實現(xiàn)“學(xué)做合一”。

（三）云課堂的選擇

當(dāng)前，教育信息化已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然趨勢。云課堂系統(tǒng)由大容量、高可靠的教育云平臺和簡單易用的教學(xué)智能終端組成，具有多場景、多功能、靈活易用等特點，能為師生帶來“教-管-學(xué)”全方位的沉浸式教學(xué)與學(xué)習(xí)體驗。云課堂系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、服務(wù)和教學(xué)資源的共享，同時能根據(jù)教學(xué)活動進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，為管理者、學(xué)習(xí)者提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐。目前，有多種云課堂APP，包含各行業(yè)各專業(yè)的課程，使用者可以方便地利用等公交地鐵的碎片化時間觀看老師、行業(yè)大佬的視頻或參與課程活動。本課程采用的“云課堂”是——智慧職教，這是由高等教育出版社建設(shè)、運營的職教數(shù)字教學(xué)資源共享和在線教學(xué)服務(wù)平臺。師生通過手機(jī)端下載安裝云課堂——智慧職教APP，注冊之后即可在手機(jī)端（當(dāng)然也可以在電腦端）免費使用。

（四）虛擬仿真軟件的選擇

微控制器（單片機(jī)）課程的最大特點是實踐性強(qiáng)，課程實踐環(huán)節(jié)對學(xué)生理解微控制器知識至關(guān)重要。目前多數(shù)院校課程的實驗主要是采用傳統(tǒng)的物理實體實驗箱，實驗項目相對固定，并且設(shè)備比較陳舊，不能體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展要求。利用虛擬仿真軟件作為硬件仿真和調(diào)試平臺，相當(dāng)于學(xué)生把單片機(jī)實驗室搬到了電腦桌面上，能形象、生動地感受單片機(jī)的特性與作用，消除學(xué)生與單片機(jī)之間的“隔閡”，擺脫硬件的束縛，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。Proteus是英國Lab Center Electronics公司的EDA工具軟件，支持8051、PIC、AVR、ARM、MSP430，Cortex和DSP系列多種處理器，支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器，可實現(xiàn)從原理圖設(shè)計、代碼編譯調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真，可方便地生成PCB文件，真正能實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。Keil C51是51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)環(huán)境，支持所有8051系列衍生產(chǎn)品，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語言程序設(shè)計。先在Proteus中設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路，在Keil中編寫、編譯、調(diào)試程序，然后在Proteus中仿真調(diào)試?？梢造`活地開發(fā)不同類型的、實驗設(shè)備無法完成的大型綜合實驗項目，降低實驗室的建設(shè)和維護(hù)成本，對提高學(xué)生實踐動手能力、樹立工程意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力起到非常重要的支撐作用。本課程要求學(xué)生先進(jìn)行基于Proteus+Keil的聯(lián)合仿真，獲得正確結(jié)果后，再根據(jù)條件進(jìn)行必要的實際硬件操作驗證，體現(xiàn)“虛實結(jié)合，方便快捷，經(jīng)濟(jì)安全，互為補(bǔ)充”的實用原則。

（五）CDIO教學(xué)模式實施

CDIO教學(xué)與項目式教學(xué)都是以產(chǎn)品的生產(chǎn)服務(wù)生命周期為教學(xué)載體，強(qiáng)調(diào)“基于項目的學(xué)習(xí)”和“做中學(xué)”。微控制器技術(shù)課程的CDIO改革要點如下：

（1）課程標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)容的優(yōu)化。首先是根據(jù)崗位調(diào)研情況，結(jié)合職業(yè)崗位能力和1+X證書要求修訂課程標(biāo)準(zhǔn)，以工作崗位實際的典型產(chǎn)品作為載體，將傳統(tǒng)課程體系中的知識、技能、素質(zhì)內(nèi)容由易到難序化為廣告燈、搶答器、電子秒表、LED點陣屏、LCD電子鐘、交通燈、智能小車、電池電量檢測、智能溫室系統(tǒng)等項目，再將每一項目分解成1～3個具體工作任務(wù)。各項目的任務(wù)內(nèi)容在授課順序上符合前后知識的連貫性，前面的內(nèi)容為后面的做準(zhǔn)備，后面的內(nèi)容在注入新知識的同時，也對前面學(xué)過的知識與技能進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹貜?fù)和鞏固。選用電子工業(yè)出版社的全國高等院校+互聯(lián)網(wǎng)系列精品教材——《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》C語言版（第4版）作為主要參考書。

（2）課程平臺資源建設(shè)。智慧職教——職教云網(wǎng)頁版本身已具備課程資源框架，每門課程都有今日課堂、待批作業(yè)、待批考試等主窗口，還有班級、導(dǎo)學(xué)、教材、課程設(shè)計、題庫、作業(yè)、考試、成績、統(tǒng)計分析等欄目用來上傳資源、添加與開展課堂活動，其中最重要的是課程視頻講解、課件及課堂活動設(shè)計。為了能調(diào)動同學(xué)的學(xué)習(xí)積極性，課程預(yù)習(xí)及參與課程活動可以設(shè)置較大積分權(quán)重。學(xué)生既可以通過電腦端進(jìn)入課程平臺，也可以用更加方便的移動端（手機(jī)、平板）的云課堂智慧職教（APP）參與學(xué)習(xí)。

（3）學(xué)生、教師課前準(zhǔn)備。要向?qū)W生提出明確要求，本課程必須進(jìn)行課前學(xué)習(xí)。多數(shù)學(xué)生具有筆記本電腦，第一周就要幫助他們安裝好Proteus、Keil仿真與開發(fā)軟件，保證他們業(yè)余時間能在自己的電腦中進(jìn)行仿真訓(xùn)練。特別是開始階段，教師一定要做好指導(dǎo)，從能完成簡單的LED亮滅控制開始，讓他們建立學(xué)習(xí)興趣與信心。同時教師要在平臺中布置好下周（次）預(yù)習(xí)的任務(wù)，提前學(xué)習(xí)云課堂的課程視頻、課件的知識和技能點，初步完成方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計、電路軟件設(shè)計、調(diào)試仿真、實物制作及調(diào)試，給出成績評定標(biāo)準(zhǔn)，并要利用課程QQ或微信群及時解答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的問題。

（4）CDIO教學(xué)模式的實施。開學(xué)后第3～4周左右，就可以正式進(jìn)入CDIO模式了。正式課堂上每3～4個學(xué)生組成一個團(tuán)隊，每個團(tuán)隊在不同的項目中可確定不同的項目主管、工程師（助理工程師），以“協(xié)作+競爭”的方式展開學(xué)習(xí)。由于教師事先安排了課程任務(wù)，正式上課時教師主要充當(dāng)引領(lǐng)者的角色，除了對項目中應(yīng)掌握的基本技能、基本概念和基本分析方法、難點與重點等進(jìn)行必要的精講或答疑以外，主要是組織學(xué)生實施CDIO各個流程，即對各團(tuán)隊的整體構(gòu)思（C），具體的設(shè)計方案（D），設(shè)計的硬件電路與代碼實現(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，然后各團(tuán)隊加以討論修改，并進(jìn)行項目（作品）展示。由任課教師和同學(xué)分別擔(dān)任“項目經(jīng)理”“客戶”對每個作品加以評價，并給出參考意見（I）。為了提高其他成員的參與度，作品展示時要求其他團(tuán)隊至少要對匯報內(nèi)容提出一個問題，由發(fā)言人或本隊其他人員回答或補(bǔ)充。在正式課堂上根據(jù)情況可以重點準(zhǔn)備三次左右翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)，前提是學(xué)生必須下大力氣進(jìn)行課前準(zhǔn)備，教師也要在課中設(shè)計更為合理的教學(xué)活動，使課前的任務(wù)與課中的活動相呼應(yīng)。最后，每個團(tuán)隊再次綜合各方意見繼續(xù)完善方案（O），再次獲得“項目經(jīng)理”和“客戶”雙方的認(rèn)可。如果硬件條件允許，可以將仿真結(jié)果在硬件環(huán)境中實現(xiàn)。通過構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作等環(huán)節(jié)（步驟），把課堂學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變成與實際工作任務(wù)相關(guān)的職業(yè)技能操作，讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊訓(xùn)練，切身體會和領(lǐng)悟“工程項目”的概念。

（5）課程考核與評價方式。改革原來“理論考試+實踐考試”的成績評定方式，以CDIO模式倡導(dǎo)的“過程評價”為考察主線，從知識、技能、素養(yǎng)等三方面入手，以“課前評價+課中評價+課后評價”的動態(tài)方式進(jìn)行綜合評價，既有教師評價（占70%，包括整個課程的電路設(shè)計、程序設(shè)計、仿真效果、演示匯報、文檔規(guī)范等），也有學(xué)生本身的自評（占30%，包括課程準(zhǔn)備、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成等的小組評價），把終結(jié)性評價轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程化評價，提高了學(xué)生對學(xué)習(xí)過程的重視，也提高了學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力及進(jìn)取精神，在潛移默化中提高了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

三、主要觀點

（一）云課堂是教育信息化的重要載體

信息技術(shù)的不斷發(fā)展，使得傳統(tǒng)的以教師為主體的教學(xué)模式被建構(gòu)主義的教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的“雙主”模式取代，教材也被多種形式的學(xué)習(xí)資源所取代。學(xué)習(xí)資源的多媒體化、直觀化，學(xué)生的學(xué)習(xí)時間和空間從連續(xù)、固定、封閉，走向開放、多元，到隨時隨地使用電腦、手機(jī)等終端的網(wǎng)絡(luò)碎片化學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)成為趨勢，云課堂正是應(yīng)對這種學(xué)習(xí)需求而產(chǎn)生的必然結(jié)果。智慧職教云課堂可以方便地將電腦端或APP中的內(nèi)容投屏、動態(tài)進(jìn)行“簽到”，及時進(jìn)行“測驗”，在觀看視頻或課件過程中可以加入活動，能有效避免學(xué)生刷課，實現(xiàn)真正的教學(xué)互動。將線上線下、課內(nèi)課外的學(xué)習(xí)資源優(yōu)化整合，既能發(fā)揮正式課堂教學(xué)的優(yōu)勢，也能發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺（云課堂）的作用，符合時代發(fā)展潮流。

（二）使用虛擬仿真技術(shù)有效提高課程學(xué)習(xí)效果

用Proteus搭建單片機(jī)電路和外圍電路，C程序在Keil上編譯和鏈接生成.hex文件，用Proteus進(jìn)行下載，模擬單片機(jī)程序燒寫，在搭建好的電路上運行燒寫的程序，對運行現(xiàn)象進(jìn)行分析觀察，方便找出硬件或程序的漏洞。用Proteus和Keil構(gòu)建的極其逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬單片機(jī)實驗室，學(xué)生可借助電腦反復(fù)仿真調(diào)試，有效地解決了儀器更新慢、設(shè)備不足、易損壞以及實驗現(xiàn)象不易重現(xiàn)等問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高單片機(jī)開發(fā)效率。

（三）采用CDIO教學(xué)模式提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和工程實踐能力

CDIO理念是“做中學(xué)”和“基于項目教與學(xué)”模式的概括集中體現(xiàn)，CDIO的核心是將教學(xué)與工程實踐緊密結(jié)合，通過工程應(yīng)用強(qiáng)化理論內(nèi)容，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，通過項目幫助學(xué)生加深對單片機(jī)知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)?！段⒖刂破骷夹g(shù)》課程“云課堂+虛擬仿真”的CDIO教學(xué)模式改革，構(gòu)建了線上課前自主學(xué)習(xí)、線下課堂翻轉(zhuǎn)教學(xué)、課中課后CDIO實踐、線上線下共同評價、以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的新型教學(xué)模式。這種改革使得教師不再“滿堂灌”，更加關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的體驗和成長，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性及學(xué)習(xí)成效，增強(qiáng)了學(xué)生的實踐動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊意識、工程意識和職業(yè)素養(yǎng)。

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課題項目：本文是黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院2020年院級教學(xué)改革課題“基于云課堂+虛擬仿真的《微控制器技術(shù)》CDIO教學(xué)模式改革與實踐”階段性成果

作者簡介：張曉峰（1964—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)碩士，教授，研究方向：嵌入式技術(shù)。