基于CDIO工程教育模式的单片机课程教学改革实践研究

基于 CDIO工程教育模式的单片机课程教学改革实践研究

王琴

江苏联合职业技术学院无锡机电分院，江苏无锡， 214028

摘要：针对单片机课程传统教学枯燥乏味，教学效果差强人意的现状，提出将CDIO工程教育模式引入课程教学，从教学目标制定、教学内容组织、教学过程实施、教学效果考核四个方面进行改革实践，很好的提升了学生的知识应用能力、工程实践能力和职业竞争能力，为学生今后的职业发展打下了扎实基础。

关键词：CDIO；单片机课程；工程教育模式；项目化教学

基金项目：江苏省现代化教育技术研究2019年度立项课题“新工科背景下基于现代信息技术的CDIO工程教育模式创新研究”（2019-R-69341）。

随着信息技术的飞速发展，单片机技术逐渐渗透到航空航天、医用设备、工业生产、家用电器等各个领域，成为当今社会应用最广泛的技术之一。为满足社会对单片机技术人才的需求，单片机已成为五年制高职学校电子信息工程、自动化技术等专业的专业骨干课程。单片机课程有很强的理论性、实践性和工程性，而传统教学存在很多不足，很难培养出满足企业需求的、具有扎实软硬件知识和较强工程实践能力的学生。

一、单片机课程教学现状

（一）理论教学与实践教学相脱节

在传统教学中，教师更注重理论知识的传授，都是按照学科体系组织教学内容，以单片机的结构为主线开展教学。当然，为验证新教授的理论知识，老师会安排学生进行一些验证性的实验，但是这些实验项目缺乏设计性和综合性，学生只需按照指导书“依葫芦画瓢”进行实验操作，实践训练与理论知识并未真正融合，很难培养学生理论知识在实践中的综合应用能力。

（二）实践教学与工程实践相脱节

目前五年制高职单片机实践教学一般分为实验操作和课程设计两部分。实验操作大多是通过仿真软件和实验箱完成的，实验箱都是有多个独立的电路功能模块组合而成，所能进行的实验操作固定单一、缺乏系统性，与企业里实际的工程开发环境相差甚远。课程设计则往往忽略社会和产业的实际需求，多年来始终采用固定的设计选题，而没有将新技术、新方法和先进的科技成果及时补充到单片机实践教学中，教学效果差强人意，无法培养出满足企业岗位需求的学生。

（三）考核评价方式与培养目标相脱节

考核的目的是检验学生的学习情况，掌握学生学习目标的达成情况。而传统的考核方式往往以期末理论考试的卷面成绩为主，以实践项目完成情况为辅，这样的考核制度忽略了过程性评价，难以全面考核学生的系统设计能力、工程实践能力、交流沟通能力、团队合作能力。

二、CDIO工程教育模式

将CDIO工程教育模式引入单片机课程教学，可以很好解决传统教学中存在的问题。CDIO是英文单词Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实施）、Operate（运行）的缩写，代表产品从研发到运行整个生命进程的四个阶段。CDIO工程教育模式是以产品生命进程为主线，针对不同阶段创设接近实际职业活动的场景，将教学活动融入其中搭建项目训练平台，将知识学习与工程实践有机融合，能更好的培养学生的职业技能和工程素养，以满足企业对单片机人才的需求。

三、基于CDIO工程教育模式的单片机课程教学改革

（一）以企业岗位需求为依据确定课程教学目标

单片机课程应依据新的企业岗位需求，根据CDIO工程教育能力培养大纲要求，制定出适应时代发展要求的课程目标。如图1所示的单片机课程教学目标，从知识、能力和素质三个方面引领学生夯实单片机基础知识，提高单片机工程系统的构建能力，提升人际沟通和团队合作能力，培养工程意识和职业素养，逐渐完成从“学生角色”到“职业角色”的转换。

图1 单片机课程教学目标

（二）以项目为载体重组教学内容

组织有丰富教学经验和专业实践能力的教师，本着知识体系服务于人才培养目标的原则，依据单片机课程教学教学目标重组教学内容。运用CDIO工程教育理念，以工程实践为导向将单片机课程知识点融入到单片机最小系统构建、灯光控制设计、交通信号灯和抢答器设计、音乐演奏器设计、电子时钟设计、电子密码锁设计、数字电压表设计、电子屏显示设计、单片机新型串行接口技术应用等九个项目载体中。在这些项目的教学实施过程中，潜移默化的让学生既掌握了枯燥乏味的单片机理论知识，又提升了动手实践能力。

（三）以CDIO工程教育模式为指导实施教学

CDIO工程教育模式是指创设接近真实生产场景的学习情境，将单片机课程项目化教学进程划分为构思、设计、实施、运行四个环节，如图2所示在各环节的教学活动设计中，充分发挥学生的“主体”作用，老师的“主导”作用，让学生在教师的组织、引导下积极探索、主动实践，在项目完成的过程中，逐渐掌握专业知识、强化实践技能、培养工程素养，增强独立意识和团队协作精神。

图2 基于CDIO过程教育模式的教学进程

单片机课程项目化教学的实施采用小组合作的形式进行，每个项目小组由4-5名学生组成，每组推选1名专业能力较强的学生担任组长，负责任务分配和组织协调工作。下面以“电子密码锁的设计”项目为例，说明基于CDIO工程教育模式的项目化教学实施过程。

1.项目构思阶段

教师分析“电子密码锁”的市场需求，下达项目任务书，并发布学习资源。本次项目设计任务为设计一款综合密码锁，其功能为：初始化显示“HELLO”；输入密码正确时，显示“OPEN”，开锁，黄色指示灯亮；输入密码错误时，显示“ERR”，不开锁，红色指示灯亮。学生以项目小组为单位收集、查阅相关资料，根据项目功能要求和技术指标提出设计思路，并在组内进行分析讨论，确定初步的设计方案。教师对学生提交的方案进行审阅，指导学生进行修改，最后确定具体实施方案。

2.项目设计阶段

教师进行项目任务分析，剖析设计的重点和难点，讲解新授知识点。学生以项目小组为单位完成密码锁的硬件设计、软件设计和仿真调试。组长根据项目实施方案进行工作分配，一部分学生运用Proteus软件设计硬件电路模块，一部分学生运用Keil软件进行项目软件设计，然后在仿真平台上进行软硬件联调。仿真调试成功后根据原理图生成PCB图，列出元器件清单。在设计过程中，学生随时可以登陆“超星慕课”平台学习老师提供的课程资源，通过“学习通”APP与老师交流互动，及时解决遇到的各种问题。

3.项目实施阶段

学生根据元器件清单对选用的元器件进行清点检测，然后按照工艺要求根据设计图在万能板上进行实物焊接。硬件电路焊接完成后，把编译生成的HEX文件烧录到单片机芯片中，通电进行硬件调试、系统功能测试，无法实现功能的还要进行故障排查和检修。在项目实施过程中，教师主要起指导答疑的作用，引导学生分析解决遇到的问题，并记录学生项目实施过程中工作的承担情况和表现。

4．项目运行阶段

学生对项目进行总结、完善和展示。首先，组长召集组员针对项目调试运行情况进行交流讨论，分析项目构思、设计、实施阶段存在的不足，找出改进完善的方法。然后各项目小组制作PPT，在课堂上进行实物展示，汇报项目的设计创意，实施过程中遇到的问题及解决方法，以及进一步改进项目的设想，并回答老师和其他学生的提问。老师对学生作品及答辩情况进行点评，对项目的后期完善给出建议，并引导学有余力的学生课后进行“计算器”、“篮球赛计分显示屏”等项目的拓展学习。

（四）以引导学生成长为目标改革考核评价方式

CDIO工程教育模式强调学生工程能力和工程素养的培养，要求考核方式能有效考查单片机课程在知识、能力和素质三方面教学目标的达成情况，并能对学生成长和可持续发展起到积极引导作用。因而需要改革传统的评价方式，建立终结性考核与过程性考核相结合、学生评价与老师评价相结合的多维度、多视角、多元化的评价方案。

表1所示为学生的成绩评定表，其中理论知识考核占40%，主要采用期末成绩和随堂测验相结合的总结性考核方式。专业技能考核占40%，主要采用过程性评价方式，取多个CDIO项目成绩的平均分，每个CDIO项目成绩由出勤、作业、项目承担情况和项目完成质量四部分组成。综合素质考核占20%，从学生自评、学生互评和老师点评三个维度评定成绩。

表1 单片机课程成绩评定表

综上所述，将CDIO工程教育模式引入单片机课程教学，从确定课程目标、重组教学内容、重构教学过程、创新评价方式四个方面进行改革，充分调动了学生的学习积极性和主动性，让学生主动参与项目的构思、设计、实施和运作全过程，使学生在实践中学习理论知识、掌握专业技能的同时，提高资料查找与科技写作、系统分析与设计能力，提升团队协作与交流沟通的综合素质，为将来踏上工作岗位，以及职业生涯后续发展打下了很好的基础。

参考文献：

1. 周晓华,陈祖斌.CDIO理念创新“模拟电子技术”课程教学改革[J].电气电子教学学报,2018,40(05):47-51.

2. 苏佳佳,莫康信,侯俭秋.基于CDIO单片机原理课程教学模式探索与实践[J].工程技术研究,2019,4(15):195-196.

作者简介：王琴（1975.6-），女，汉族，江苏无锡人，工程硕士，江苏联合职业技术学院无锡机电分院副教授，研究方向：电子与通信。

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