余新栓 康金輝 宋瀟

[摘 要] 綜合實(shí)驗(yàn)是工科學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。在單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中引入CDIO工程教育理念，通過角色區(qū)分、團(tuán)隊(duì)合作形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，圍繞具體單片機(jī)產(chǎn)品模型開發(fā)案例，從產(chǎn)品構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、安轉(zhuǎn)制作、關(guān)聯(lián)應(yīng)用等過程培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)知識(shí)、個(gè)人能力、工程能力、職業(yè)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流能力，提高具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才培養(yǎng)能力。

[關(guān)鍵詞] CDIO;單片機(jī);項(xiàng)目教學(xué);工程能力

[基金項(xiàng)目] 2019年陜西理工大學(xué)一流專業(yè)培育項(xiàng)目子項(xiàng)目（實(shí)踐教學(xué)類）“以培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度為導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)教學(xué)研究與實(shí)踐”

[作者簡(jiǎn)介] 余新栓（1973—），男，陜西寶雞人，碩士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研究;康金輝（1967—），男，陜西岐山人，學(xué)士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研究;宋 瀟（1992—），女，陜西西安人，碩士，陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院助教，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）36-0383-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-20

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)作）已經(jīng)成為一種得到國際廣泛認(rèn)可的工程教育模式。CDIO模式具有大工程理念，是工程教育改革的一種主流體系，強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)的針對(duì)性，密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，注重培養(yǎng)綜合素質(zhì)。該模式讓學(xué)生進(jìn)入主動(dòng)實(shí)踐，通過體驗(yàn)產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期，借鑒在社會(huì)環(huán)境下企業(yè)的生產(chǎn)開發(fā)過程，從系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作四個(gè)層面培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電氣信息類專業(yè)普遍開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)核心課程，融合了電子技術(shù)分析、信號(hào)與系統(tǒng)測(cè)試、電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)等諸多工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，具有實(shí)踐性強(qiáng)、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品往往以嵌入式形式出現(xiàn)，其中以單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可以作為電路控制器等微小型電器產(chǎn)品的形式單獨(dú)存在，因此單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)課程適宜于以CDIO模式為方法論，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)方法來開展。本文結(jié)合對(duì)CDIO工程教育模式的探索，嘗試將其融入單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例開發(fā)工作，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一、項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)模式及要求

現(xiàn)今工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中存在的問題意識(shí)淡薄，專業(yè)興趣不濃，創(chuàng)新能力缺乏等問題，都與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)脫離實(shí)際有關(guān)系。CDIO工程教育模式與項(xiàng)目式教學(xué)具有固有關(guān)聯(lián)性。為了貼近企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可以借助慕課、云學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等虛擬課堂和網(wǎng)絡(luò)交互學(xué)習(xí)平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)環(huán)境。在單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例實(shí)踐中，遵循一些基本開發(fā)原則：題目的難度、知識(shí)覆蓋面要符合課程要求和培養(yǎng)定位，避免出現(xiàn)實(shí)踐能力要求弱、脫離學(xué)生實(shí)際的“軟項(xiàng)目”;應(yīng)該闡述較為完整的工程案例設(shè)計(jì)的完整步驟，突出真實(shí)案例選擇和案例分解與重構(gòu)環(huán)節(jié)，力戒項(xiàng)目教學(xué)中出現(xiàn)的案例選擇不當(dāng)、缺乏具體設(shè)計(jì)等問題，為切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力做好鋪墊。總之，指導(dǎo)教師在項(xiàng)目初期選題和構(gòu)思階段應(yīng)起到足夠的引導(dǎo)作用。

CDIO能力培養(yǎng)分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，為使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，分階段將項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)學(xué)生分為系統(tǒng)分析、電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與測(cè)試、項(xiàng)目維護(hù)等角色進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。比如，進(jìn)行系統(tǒng)分析的同學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)需求分析和構(gòu)架設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的同學(xué)負(fù)責(zé)程序設(shè)計(jì)與編碼調(diào)試，進(jìn)行項(xiàng)目維護(hù)的同學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟硬件測(cè)試與維護(hù)。各組之間相互交流協(xié)作，在溝通中不但增進(jìn)了對(duì)技術(shù)問題的理解，也培養(yǎng)了系統(tǒng)工程的能力。根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)展，一段時(shí)間后再進(jìn)行角色調(diào)整。這樣可以使學(xué)生輪流體驗(yàn)到不同工作定位和能力要求，以便學(xué)生增強(qiáng)自我意識(shí)，發(fā)現(xiàn)自身優(yōu)勢(shì)與不足，有效提高學(xué)生工程能力和個(gè)人自主學(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)協(xié)作，提高工程創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)人際溝通與團(tuán)隊(duì)合作能力。

在項(xiàng)目運(yùn)行階段，指導(dǎo)教師平時(shí)要有意識(shí)與學(xué)生的多接觸，傾聽學(xué)生的創(chuàng)意，認(rèn)同學(xué)生的努力付出，激發(fā)學(xué)生與指導(dǎo)教師交流的意愿，形成師生能力互補(bǔ)，與學(xué)生共同投入項(xiàng)目學(xué)習(xí)。特別要注重項(xiàng)目創(chuàng)新情況，為學(xué)生提供資料，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行調(diào)研，并管理實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，成為學(xué)習(xí)資源的提供者和學(xué)習(xí)活動(dòng)的參與者。

二、案例項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施過程

以萬年歷電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)題目為例，提出基本功能要求和設(shè)計(jì)流程的整體安排，以單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)顯示、溫度采集、時(shí)間處理和調(diào)整設(shè)置功能的功能電路。預(yù)期產(chǎn)品模塊可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，還具有閏年補(bǔ)償、時(shí)間校準(zhǔn)等多種功能。在顯示器上同時(shí)顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息。設(shè)計(jì)要求用較少的按鍵實(shí)現(xiàn)所有功能，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確;可以設(shè)定鬧鐘功能;有陽歷、農(nóng)歷對(duì)照功能，平年閏年準(zhǔn)確無誤。對(duì)設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)則由學(xué)生根據(jù)構(gòu)思在后續(xù)環(huán)節(jié)中調(diào)整優(yōu)化。比如，時(shí)鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時(shí)格式。

構(gòu)思階段涉及構(gòu)思產(chǎn)品形式與功能定位。產(chǎn)品定位包括：產(chǎn)品形式可以是消費(fèi)電子系列的桌面擺件式、嵌入臺(tái)燈式、戶外大屏幕LED點(diǎn)陣顯示式、公共建筑室內(nèi)LED燈箱式等產(chǎn)品形式。鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)思各種功能，比如語音播報(bào)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)、無線遙控、網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)等。

設(shè)計(jì)階段引導(dǎo)學(xué)生提煉設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問題，提出擬解決的思路，以不同的技術(shù)路線做出技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)辦法。比如，計(jì)時(shí)及校準(zhǔn)功能是電子時(shí)鐘的基本功能，設(shè)計(jì)可以采用判斷模式，定義一個(gè)用于模式調(diào)整的按鍵，其他兩個(gè)為加減按鍵，為了能對(duì)按鍵按下的次數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵變量以存儲(chǔ)相應(yīng)的按鍵次數(shù)。計(jì)時(shí)是對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行操作，可以使用片內(nèi)定時(shí)器、片外日歷時(shí)鐘芯片等方式，具體實(shí)現(xiàn)過程中學(xué)生需要考慮不同的月份對(duì)應(yīng)的天數(shù)、了解閏年與平年，根據(jù)判斷值選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)模式下當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)被選中時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)位閃爍顯示。調(diào)整時(shí)間時(shí)，根據(jù)按鍵次數(shù)進(jìn)行選擇，當(dāng)按鍵次數(shù)為設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入調(diào)年模式，然后進(jìn)入閃爍狀態(tài)，直至調(diào)整其他時(shí)間。當(dāng)進(jìn)入閃爍模式時(shí)，可以進(jìn)行加或減的操作，其他調(diào)整方法類似，包括調(diào)整鬧鐘。

從項(xiàng)目實(shí)施角度看，電氣工程師必須掌握電氣工程制圖、元器件參數(shù)運(yùn)算與選擇、硬軟件實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)測(cè)試、工藝操作、應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文檔撰寫等知識(shí)和技能。將CDIO實(shí)施分解成若干設(shè)計(jì)過程，分階段完成功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能劃分與設(shè)計(jì)工具選擇。經(jīng)過電路設(shè)計(jì)與制作、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試與維護(hù)，最后加入一定推廣與宣傳文檔撰寫任務(wù)，進(jìn)行行業(yè)應(yīng)用與市場(chǎng)調(diào)查，有條件的情況下可以完成調(diào)查報(bào)告。

三、案例項(xiàng)目教學(xué)的成績(jī)考核

為避免出現(xiàn)工科教育“理科化”，最終考核注重工程特性，注意培養(yǎng)訓(xùn)練和考查工程專業(yè)技能和實(shí)操能力。要求提供芯片資料、原件清單、原理圖及設(shè)計(jì)程序。把項(xiàng)目教學(xué)課程植入實(shí)驗(yàn)室體系之中，促使學(xué)生重視包括實(shí)驗(yàn)仿真、PCB電路設(shè)計(jì)、制作安裝設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，促使學(xué)生工程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

參照CDIO理念標(biāo)準(zhǔn)，以創(chuàng)新訓(xùn)練為主線，通過層次遞進(jìn)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)考查，建立較為科學(xué)和全面的評(píng)價(jià)體系，不僅考核學(xué)生課堂表現(xiàn)情況與課后思考題完成的質(zhì)量，同時(shí)還兼顧實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握、創(chuàng)新思維以及團(tuán)隊(duì)溝通與協(xié)作情況等綜合表現(xiàn)，有利于促進(jìn)教師進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)，完善教學(xué)方法，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語

以產(chǎn)品生產(chǎn)流程從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，融入CDIO教育理念，使學(xué)生具備較強(qiáng)的工程應(yīng)用能力。順應(yīng)工程教育發(fā)展趨勢(shì)，找準(zhǔn)學(xué)校培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神應(yīng)用型人才的定位，縮短工程能力與工業(yè)產(chǎn)業(yè)要求之間的差距，符合現(xiàn)代工程技術(shù)人才培養(yǎng)的一般規(guī)律，促進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的提升。

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