基于CDIO模式下單片機實驗教學改革

董錚 張其林 寧彬 谷瓊

摘 要： 實驗教學是高校教學理論課的重要延伸“課堂”，其實驗效果好壞也是檢驗人才培養質量的有效手段。針對當前單片機實驗教學中教學方法、實驗考核方式等諸多問題，借鑒CDIO工程教育的評價體系，從實驗教學體系思路等方面探討了教學改革思路和方法。通過一年多的實踐檢驗，證明了CDIO工程教育模式下實驗教學改革是富有成效的。

關鍵詞： 單片機； 實驗教學改革； CDIO模式； 工程教育

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）09-75-02

Experimental teaching reform for MCU course base on CDIO

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Gu Qiong

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： Experimental teaching is an important extension of the classroom teaching， and the experimental effect is also an effective means to test the quality of personnel training. According to the current status of microcontroller teaching， the teaching and assess modes， by introducing CDIO engineering education evaluation system for reference， from the aspects of experimental teaching system， the ideas and methods of teaching reform is discussed. One year's practice shows that the CDIO mode in the experimental teaching is fruitful.

Key words： microcontroller； experimental teaching reform； CDIO mode； engineering education

0 引言

當前就業形勢的日趨嚴峻，應用型人才培養已成為高校人才教育的關鍵及教育研究的熱點。單片機原理作為一門課程，早已在各個高校開設起來。單片機實驗課程開設也較早，其理論與實踐緊密結合，要求學生對基本理論理解要深，實驗動手能力要強。如何提高學生實驗實踐能力，培養其工程創新能力，增強專業優勢，提高就業競爭力，已成為每個高校實驗教學面臨的一個難題[1]。

CDIO工程教育模式是由麻省理工學院等四所大學組成創立的一種工程教育理念，代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）四個方面的有機整體。它是以產品研發到運行作為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系在一起的一種學習工程方式[2]。CDIO采用12條標準來描述其教學大綱要求的教育目標，其具體內容包括：①以CDIO為環境背景；②CDIO教學目標；③一體化的課程設置；④工程概論；⑤設計-制作經驗；⑥CDIO實踐場所；⑦綜合性學習經驗；⑧主動學習；⑨教師CDIO能力的提升；⑩教師教學能力的提高；[11] 學生CDIO能力評價；[12] CDIO項目評估。而當前單片機實驗課程面臨的主要問題是實踐能力較弱，將CDIO模式運用到實驗教學模式中來，國內外許多大學都進行了嘗試。CDIO以其注重實驗實踐教學，逐步培養學生動手、動腦的良好習慣，并能將理解研究技術發展對社會的重要影響，與社會所提倡的”學以致用”培養目標高度吻合，受到廣大教育者的高度關注[3]。

1 單片機課程實驗教學現狀

單片機實驗課程是為進一步鞏固和擴展理論課程所學內容，通過軟件實驗、硬件實驗兩大部分內容，培養學生的系統分析能力，強調軟硬件的關聯和協同，使學生能夠較好地將程序設計、匯編語言、操作系統等課程有效穿插起來，建立起一個完整的計算機系統理念，形成一門計算機系統的實驗課程。但目前面臨如下現狀。

1.1 對整個課程缺乏相應的學習動力

由于理論與實驗課課時相差懸殊，理論課上學習知識比較生澀難懂，在做實驗時就把其他同學代碼在實驗箱上運行一遍完事，很少主動思考為什么要這樣做。由于課程一般開設在大三學期，學生有的面臨考研、考證，很少在這門課上下功夫，久而久之，對整個課程就失去了學習的動力。老師在授課時感到實驗課時少，許多綜合性實驗項目無法開展，而綜合性實驗也往往要求學生動手能力要高，這無形中導致實驗指導工作量加大，形成這種不利局面。

1.2 實驗課程設備故障率高

由于單片機應用廣泛，故實驗設備也千差萬別。一般采用廠家做好的集成度較高的實驗箱來完成實驗。這種實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗面板劃分為各個功能區域模塊。實驗時，學生連通跳線，編寫好的程序燒錄至芯片即可完成實驗。由于芯片集成，學生對于關鍵芯片引腳往往不清楚，有時出現誤插導致芯片燒毀事件時有發生。根據多年數據統計顯示，一學期下來，實驗箱故障率在20%～30%之間。但實驗箱多為廠家特殊定制，維修費用偏高，而學校維修資金緊張，導致嚴重影響實驗教學效果。

1.3 實驗課程考核流于形式

實驗課程考核一般由實驗教師對實驗效果進行打分，很少關注實驗過程，學生往往照搬實驗指導書上給出的步驟，僅僅通過結果很難看出每個學生的掌握程度。有些學生渾水摸魚，得過且過。導致實驗考核往往達不到督促學生學習的目的。

單片機技術作為計算機技術的一個重要分支，廣泛應用在各個領域，極大提高了人們的生活質量，已成為當今社會十分重要的一門技術。單片機實際應用能力也成為相關專業學生的必備技能。因此，要在有限的課時里培養學生對系統的設計及開發能力已成為當前單片機實驗教學的重點和研究熱點，這也與CDIO工程教育模式實踐標準體系不謀而合。為此，結合我院自身特點，提出基于CDIO模式下單片機實驗教學改革。

2 基于CDIO的單片機實驗課程改革與實施

2.1 創建良好實驗平臺，激發學生興趣

由于開設的單片機實驗課程，普遍具有實驗課時緊，學生反映理論課知識面寬，課后進行實驗驗證時總感覺動手難等問題。所以需要引導學生快速掌握實驗要領，使學生”興趣”實驗。在新生入學時，開展基于CDIO模式下的教育導論實驗課，每次由高年級學生或指導教師帶領其進入實驗室，參觀往屆畢業生實踐實習作品。通過展示往屆學生自己制作的作品，激發對實驗實踐課程的興趣。例如，在學習單片機課程前，讓學生對電子秤裝置有一個直觀的了解，然后再展示其內部結構，講解其中A/D轉換原理，使學生感覺很多”課程實例”就在自己身邊。

2.2 開展實驗設計創新大賽

為了最大限度地啟發和培養學生的學習主動性和創造性，讓學生在接受課堂教育的同時，提供給他們更大的空間進行學習實踐和科學研究，以提高學生獨立思考問題和解決問題的綜合能力，激發學生學習單片機的興趣。我院于2013年創辦了單片機愛好者協會，其會員都是對單片機很感興趣的學生，協會每年都定期開展形式多樣的設計創新大賽，引用CDIO中‘項目的理念[4]，將傳統的、枯燥的理論知識轉化為實際項目，激發了學生的潛力。通過引進創新大賽，設計一個個項目，學生學習積極性和主動性得到了極大提高，也同時帶動了周邊同學的學習和實踐熱情，產生了“以一帶十”的效應。

2.3 提倡”口袋”實驗，開放實驗

開放實驗項目是學校深化教育教學改革，豐富校園文化科技氛圍，培養學生創新精神與實踐能力，提高人才培養質量的重要手段。針對實驗課課時少，學生往往覺得實驗課還沒作什么就下課的實際情況，在大學三年級學生中，我們嘗試在CDIO中運用二期項目——學期項目，一學期布置若干個目標，使用”口袋”實驗教學改革，讓學生將未做完的有些實驗項目帶回寢室，讓其課下繼續”消化”實驗。教改后效果十分明顯，學生主動學習能力有很大提高，畢業時也因動手能力強而受到用人單位的青睞。實驗室平時面向全院系開放，為此專門設計了開放管理平臺，實行預約登記，為全院師生打開方便之門，組織相關人員“一幫一”指導進入實驗室的同學。經過改革，調動了廣大學生的積極性與參與熱情，也有力提高了實驗室設備的利用率。

2.4 改進實驗考核方式

實驗考核是檢查學生能否將所學理論知識運用到實踐中的一種手段，以往實驗成績最后評定以實驗課最終項目完成情況來決定實驗成績，但由于實驗課時少，有時以小組一起考核，導致一些同學把別人做的代碼拷貝過來”蒙混過關”。針對此項弊端，結合CDIO模式的構思、設計、實現和運作四個方面進行總結，找到一套行之有效的實驗考核體系?？己藭r，主要包括兩個方面。①綜合認知考核。以多種形式讓學生自己對自身認知程度的掌握情況考察，或以小組”登臺”展示階段成果，或在實驗室以辯論會形式展開討論，提供各種方式讓學生選擇，使之努力提高自身的綜合認知水平。②實踐動手能力考核。對CDIO的四個階段，分別給定相應的成績，這也是對學生平時學習主動性的一種有力督促。

2.5 加強實驗實踐，與企業聯合辦學

加強校企合作是推進院校與企業互利、共贏，共同發展的內在要求。當前單片機產業發展日益加速，學校需要尋找廠商進行廣泛深入的合作。我院現與麥博信息科技公司進行了人才訂單式的培養合作，與CDIO模式殊途同歸。讓每一個學生在公司有真實項目下動手實踐，從而進一步提高自己的實踐能力；一面派教師深入企業進行師資培訓，提高自身實力。針對學校實驗平臺更新慢，我方與麥博信息科技公司進行合作研發，一起組織編寫實驗實踐教材，即提高了師資的整體水平，促進了實踐實驗教學的進一步發展，又讓教師參與實驗平臺研發，將學生一并帶入，使學生了解當前的開發流程，為今后學生理論學習和就業/創業打下良好的基礎。

3 結束語

單片機原理實驗是一個非常具有實用價值但又需要投入大量時間才能學好的實踐類課程。經過一年多的單片機實驗教學改革與摸索，基于CDIO模式下的實驗改革在我院物聯網專業中得到不斷的更新與完善，也使廣大師生自身身心素質得以提高。學生在就業和參加學校的相關競賽中，成績顯著。我們將繼續借鑒CDIO培養模式，加強專業教育研究，走出一條具有自身特色的應用型人才培養之路。

參考文獻：

[1] 陳付龍，齊學梅，羅永龍.四維一體計算機硬件實驗教學改革與實踐[J].計算機教育，2013.3：50-53

[2] 寧彬，袁磊，谷瓊，熊啟軍.基于CDIO模式的軟件工程課程教改探討[J].計算機時代，2014.3：44-45

[3] 胡志剛，任勝兵，吳斌.構建基于CDIO理念的一體化課程教學模式[J].中國高等教育，2010.22：44-45

[4] 鄭薇薇.基于CDIO的創新型工程科技人才培養模式研究與實踐[D].大連理工大學，2011.