林國漢，李曉秀，王迎旭

（湖南工程學院 電氣信息學院，湖南 湘潭411101）

單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點，在自動控制、智能儀表、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，國內(nèi)高校都將單片機原理與應(yīng)用這門課程設(shè)置為電氣信息類專業(yè)的專業(yè)必修課程。該課程具有很強的實踐性與綜合性，課程學習目標主要是讓學生通過學習，掌握單片機的基礎(chǔ)知識，具備單片機系統(tǒng)工程開發(fā)的能力。傳統(tǒng)的單片機原理與應(yīng)用的教學方法多為課堂理論教學與實驗教學相結(jié)合的模式。按照教材的內(nèi)容講解相關(guān)的理論知識，配合一定學時的實驗課。然而由于單片機的基礎(chǔ)理論知識比較抽象，很多學生感到枯燥，缺乏主動學習的熱情。實驗學時占的比重不大，實驗主要集中在某一段時間，很多學生不能獨立解決實驗過程中出現(xiàn)的問題。因此這種傳統(tǒng)的教學方法不利于對學生工程能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。［1］

為了適應(yīng)應(yīng)用型本科培養(yǎng)需要，結(jié)合湖南工程學院卓越計劃，負責全校單片機課程教學的課程組教師將CDIO工程教育模式引入單片機原理與應(yīng)用課程，對單片機課程教學進行教學改革，開展以項目教學為主的CDIO模式教學，讓學生在做中學，在做中學，在有限的時間內(nèi)，既能掌握單片機理論基礎(chǔ)知識，又能培養(yǎng)實際工程問題解決能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

一 CDIO模式下的單片機教學方法探索

CDIO（conceive，design，i mplement，operate；構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作）是由麻省理工學院聯(lián)合瑞典的皇家工學院、林雪平大學、查爾姆斯理工大學等高校通過多年的探索與實踐建立起來的一種工程教育模式，CDIO工程教育模式以項目為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學生工程實踐創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力為主要目標，以從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品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。在能力要求方面，CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個方面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個方面達到預(yù)定目標。［2］

二 CDIO工程教育模式

（一）CDIO工程教育模式下的項目教學法

項目教學法［3］是一種以學生為中心的教學方法。與其它教學方法不同，項目教學法以學生為中心，以教師為主導(dǎo)，以項目為中心，以課本為基礎(chǔ)，以工程實踐為中心。CDIO工程教學模式中對項目教學法進行了系統(tǒng)化，既注重專業(yè)知識，又能切實培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作能力。設(shè)計－實現(xiàn)經(jīng)驗是CDIO 12條標準中的一條。該標準的具體要求包括培養(yǎng)計劃是否包含至少兩個設(shè)計－實現(xiàn)經(jīng)歷（其中一個為基本水平 ，一個為高級水平）？在課內(nèi)外活動中學生有多少機會參與產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行。針對單片機原理和應(yīng)用課程實踐性強的特點以及應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，我們在CDIO工程教育模式下從以下幾個方面出發(fā)，嘗試對該課程進行了一些改革，在進行項目驅(qū)動教學時，按照CDIO標準，根據(jù)學生及學校條件精心設(shè)計項目內(nèi)容。

1．項目設(shè)計。在CDIO工程教育模式下，采取項目驅(qū)動法進行教學的關(guān)鍵是設(shè)計合適的項目。我們在進行項目設(shè)計時，盡可能使該項目覆蓋更多的知識點，能夠體現(xiàn)“做中學”和“學中做”的原則；同時注意應(yīng)用型本科學生的培養(yǎng)特點，充分考慮學生的基礎(chǔ)、興趣及能力，設(shè)計項目具有層次性，以滿足不同層次的學生需求；所設(shè)計項目具有通用性，能夠培養(yǎng)學生進行單片機產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)的CDIO能力；項目選擇盡量貼近企業(yè)需要，產(chǎn)學研相結(jié)合，讓學生學到技術(shù)之外的許多東西。項目設(shè)計完成后，在課程的開始，我們對課程項目進行分析，讓學生了解清楚他們需要掌握什么知識和技能，在課堂上將進行哪些方面能力的培養(yǎng)。在進行課程教學時，不再采取按章節(jié)順序進行教學的傳統(tǒng)方式，而是通過課程項目進行擴展，把每個課程項目分成幾個單元項目，單元項目隨著課程項目的推進逐一解決并進行整合，最終形成課程項目。

由于參與的學生較多，我們將企業(yè)項目、學生自選的有意義的項目、有社會和市場價值的項目進行整合，以便使學生有足夠的機會學習和訓(xùn)練。［5］最終設(shè)計的部分項目如表一所示。

表一 學習和訓(xùn)練的部分項目表

續(xù)表一

2．項目實施。在實施項目教學法過程中，為了在提高學習效率與效果的同時降低學習成本，課程組老師自行研制了功能齊全的單片機學習板（見圖1）。

圖1 自制的單片機學習板

該學習版主要包括具有ISP功能的單片機、4X4矩陣鍵盤、DIP開關(guān)、四位一體LED顯示器、繼電器、電源模塊、串行通信模塊、紅外控制模塊、串行E2PROM模塊等。單片機所有的I／O口都預(yù)留了擴展端口，且預(yù)留一部分面包板以便進行系統(tǒng)設(shè)計。單片機的主要知識點，如I／O端口操作，定時器／計數(shù)器，中斷，串行口、存儲器、人機接口等，都可以在開發(fā)板上進行實踐和驗證，再輔以小車模塊、電機模塊等其它部件，可以進行相關(guān)項目的學習與訓(xùn)練。相對于傳統(tǒng)的實驗箱，單片機學習版結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉但功能齊全，適合初學者；攜帶方便，適合在課堂上使用；預(yù)留接口豐富，便于進行系統(tǒng)擴展和設(shè)計。

按照CDIO工程教育模式，項目的具體實施如圖2所示。

圖2 CDIO項目實施

項目具體實施包括以下幾個階段：

（1）項目構(gòu)思階段。以3個學生為一組，學生可以從老師提供的項目組中選擇項目，也可由學生通過查找資料，根據(jù)自己的興趣，自行設(shè)計一些有一定難度的，知識覆蓋面較廣的項目。學生根據(jù)項目具體要求，列出項目所需元器件清單，擬定設(shè)計思路，制定好系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并繪制軟件程序流程圖。通過這個階段，可以培養(yǎng)學生的自學能力、獨立思考和分析能力。

（2）項目設(shè)計階段。學生查找資料，在宿舍或?qū)嶒炇液附雍糜布娐罚肅語言或者匯編語言編寫程序。對于一些復(fù)雜項目，學生可先利用PROTEUS等軟件進行仿真，然后再進行硬件設(shè)計。這一階段不僅使學生知道各種類型的組件，了解硬件電路原理，還可以培養(yǎng)學生的硬件電路調(diào)試能力。在這一階段期間教師隨時引導(dǎo)學生去解決所遇到的問題，也可對基礎(chǔ)較差的學生進行重點指導(dǎo)。通過設(shè)計階段的鍛煉，可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。

（3）項目實施階段。學生自行對硬件電路和程序設(shè)計進行檢查，采用不同測試方法進行調(diào)試，學生分析遇到的問題，尋找問題的解決辦法。學生互相交流，取長補短，完善設(shè)計的系統(tǒng)，并根據(jù)調(diào)試結(jié)果撰寫精煉的項目設(shè)計報告。這個階段主要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及項目總結(jié)能力。

（4）項目運行階段。每個小組按照項目的任務(wù)要求進行答辯，并進行相應(yīng)的實物操作演示，教師及其它組的學生對該項目的設(shè)計方案、設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)、難點等進行評價，然后進行自評、小組互評和教師評價，根據(jù)考核評價表給出學生的綜合成績。

3．項目的評價總結(jié)。對每個學生完成的項目，教師從以下6個方面對其項目進行考核：

（1）設(shè)計方案合理性與創(chuàng)造性；

（2）學習板焊接工藝及調(diào)試完成情況以及軟件設(shè)計的規(guī)范性；

（3）軟硬件結(jié)合調(diào)試情況；

（4）項目說明書的質(zhì)量；

（5）答辯中的綜合表現(xiàn)；

（6）工作能力。

教師只要在項目評價環(huán)節(jié)進行嚴格把關(guān)，學生就可以在完成項目的過程中既掌握硬件設(shè)計和軟件程序編寫，又掌握如何撰寫精煉的項目總結(jié)報告，同時在互動答辯環(huán)節(jié)中還能鍛煉口頭表達能力，完成一個完整的項目過程訓(xùn)練［6］。

（二）CDIO項目教學與科技創(chuàng)新活動、學科競賽相互促進

為了更好地促進CDIO項目教學法的實施，同時檢驗學生應(yīng)用單片機進行實際系統(tǒng)設(shè)計的能力，學校采取多種方式，鼓勵學生積極參加科技創(chuàng)新活動，加強科研能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。一是學校每年撥出專門經(jīng)費，設(shè)立100項大學生科技創(chuàng)新項目，每個項目資助800－1000元，學生通過查閱資料，了解科學領(lǐng)域中有哪些需要解決的工程技術(shù)問題，有哪些新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)計等，將CDIO項目進行擴展，結(jié)合實際工程問題形成科技創(chuàng)新項目；二是加強產(chǎn)學研合作，與企業(yè)聯(lián)合組織電子設(shè)計競賽：如與廣州凌凱電子有限公司、《電子制作》雜志社聯(lián)合舉辦電子設(shè)計大賽；與天煌科技有限公司聯(lián)合舉辦“天煌杯”電子設(shè)計大賽；與臺灣義統(tǒng)電子股份有限公司舉辦“義統(tǒng)杯”趣味電子設(shè)計大賽等。不少學生就是因為在參賽同學的帶領(lǐng)和影響下，提高了單片機學習興趣，形成了良好的學習氛圍；三是利用湖南工程學院電氣信息類創(chuàng)新訓(xùn)練中心現(xiàn)有資源，同時購進相關(guān)的儀器設(shè)備，建立常用電子元器件庫，成立常態(tài)化的學生科技創(chuàng)新小組，形成了以學科競賽賽促進CDIO項目教學、以CDIO項目教學增強學生競賽能力的良性循環(huán)。這些都進一步培養(yǎng)了學生的科研實踐和技術(shù)創(chuàng)新能力。

三 教學效果

近年來基于CDIO的項目驅(qū)動教學法的實施，取得了較好的教學效果，主要有以下幾點：

（一）克服了部分學生對單片機的畏難心理

通過CDIO項目教學，大部分學生的學習興趣都有一定的提高，由于很多學生不僅能夠在實驗室進行設(shè)計，也能在寢室里進行設(shè)計，同學之間相互影響，共同進步，軟硬件設(shè)計能力、軟件調(diào)試和硬件測試能力、新技術(shù)應(yīng)用能力以及查找和運用資料能力也都得到提高。

（二）學生利用單片機在課后進行各種訓(xùn)練，綜合素質(zhì)明顯加強

工程能力和創(chuàng)新精神得到提高，尤其是通過將實際企業(yè)工程項目引入CDIO項目教學，實現(xiàn)了企業(yè)需求與學生學習的無縫連接，學生肯干、實干、會干，求職和創(chuàng)業(yè)等社會適應(yīng)能力顯著加強，就業(yè)崗位層次也有較大提升。

（三）學生的團隊協(xié)作能力得到良好訓(xùn)練，其應(yīng)用單片機進行系統(tǒng)設(shè)計和研究的能力也相應(yīng)提高

近年來學生踴躍參加國家級、省級電子設(shè)計大賽，取得優(yōu)良成績，從2007年到2013年，共獲得全國大學生電子設(shè)計競賽全國一等獎1項、全國二等獎2項、湖南省一等獎6項、二等獎3項和三等獎2項。這些成果的取得，與基于CDIO項目教學法的單片機原理及應(yīng)用為骨干課程的電子類基礎(chǔ)課程密不可分。

四 結(jié) 語

將CDIO工程教育模式引入單片機原理與應(yīng)用教學，以CDIO標準設(shè)計課程教學項目，將教學內(nèi)容項目化，改變傳統(tǒng)的單片機實踐教學方法，利用實驗室設(shè)備與自制單片機學習版，實現(xiàn)了在“做中學”和“學中做”的良好結(jié)合，很好地培養(yǎng)了學生的單片機系統(tǒng)設(shè)計能力、工程實踐能力、團隊協(xié)作及創(chuàng)新能力，取得良好的教學效果。

［1］ 謝 楠．CDIO項目教學法在單片機課程中的應(yīng)用［J］．浙江水利水電?？茖W校學報，2013（1）：89－91．

［2］ Ed ward Crawley，Johan Mal mqvist，Soren Ostlund．Rethinking engineering education：the CDIO approach［M］．New York：Springer，2007：6－45．

［3］ 張迎輝．任務(wù)驅(qū)動項目教學法在“單片機應(yīng)用技術(shù)”教學中的運用［J］．教育探索，2013（6）：43－44．

［4］ 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）：1－9．

［5］ 朱向慶，胡均萬，曾 輝．CDIO工程教育模式的微型項目驅(qū)動教學法研究［J］．實驗技術(shù)與管理，2012（11）：159－162．

［6］ 張國旭，張雅靜．單片機原理課程項目教學法研究與實踐［J］．電子世界，2013（4）：169－170．