CDIO模式下單片機原理及應用教學改革與探索

蘇淑靖

摘要：單片機原理及應用課程是工科專業(yè)重要的基礎課，具有很強的綜合性和實踐性。本文針對單片機課程教學存在特點和問題，引入了CDIO的新型工程教育模式于教學中，并對其教學方式和內(nèi)容、教學模式和課程考核等方面進行了改革和探索。實踐效果證明，該教學方式有效激發(fā)了學生的學習興趣和熱情，培養(yǎng)了學生的團隊意識和創(chuàng)新能力，符合單片機課程的教學目標。

關鍵詞：單片機原理;CDIO模式;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0101-02

單片機由于其結構簡單、易于控制及價格低廉等優(yōu)點，使得其廣泛應用在儀器儀表、工業(yè)控制和自動化控制等領域中。隨著電子技術的飛速發(fā)展，企業(yè)對單片機應用型人才的需求越來越多，而且越來越看重具有動手能力、團隊意識和創(chuàng)新能力的學生。因此，理工科學校的教育工作者和學生越來越重視單片機原理及應用課程的教學成果。然而該課程作為高等工科院校電子、機械和測控等專業(yè)重要的專業(yè)必修課，是一門綜合性、實踐性很強的課程。對于工科學生來說，很好地掌握單片機技術，不僅有助于深入地學習專業(yè)知識技能，提高自身的整體專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)動手能力與團隊意識，更重要的是能夠獲得實用的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力，增強就業(yè)競爭力。

面對市場對人才日益嚴峻的要求，如何培養(yǎng)出適應社會需求的創(chuàng)新型和專業(yè)型人才，是教師面臨的一項緊迫而艱巨的任務。這不僅僅要求教師提高自身水平和積累工程項目經(jīng)驗，還要求不斷反思教學過程，在教學方法上進行改革和探索。

一、單片機教學特點及存在的問題

單片機原理及應用課程教學與其他理論科目教學方式不完全相同，這門課程強調(diào)的是專業(yè)知識的應用，要求學生能夠?qū)⒒纠碚撆c實際工程相結合，達到解決工程問題的基本能力。因此，在重視理論教學的同時，必須重視實驗教學。但是，在具體的教學過程中，不但學生普遍感到難學，授課教師也存在許多困惑，這些都是由于課程特點引起的。

它的主要特點[1]有：（1）概念多，專有名詞多，內(nèi)容抽象，對于初學者來說難以適應，由此會感覺入門較難。（2）編程語言指令多，且需要掌握每條指令的功能及操作數(shù)來源。（3）邏輯性和完整性強，各部分知識銜接緊密。（4）課程的圖示說明多。（5）綜合性強，涉及內(nèi)容較多，涵蓋了模擬電路、數(shù)字電路、自動控制系統(tǒng)等諸多基礎課程的內(nèi)容。（6）解決實際問題的能力強。單片機教學的這些特點，使得學生在開始學的時候難以入門，難以了解單片機的整體結構，從而對單片機的學習失去信心，以至于出現(xiàn)學生普遍認為課程難學、教師普遍認為課程難教的局面。

多年的單片機教學經(jīng)驗表明很多學生學完課程之后并沒有達到預期的效果，不能將學到的知識應用于實踐，或無法將知識點連成知識面進而形成知識體系。另外傳統(tǒng)的實驗教學以驗證性的實驗為主，學生在規(guī)定的時間內(nèi)，用統(tǒng)一的模式，按照指導書上規(guī)定的步驟做相同的實驗。對于包含工程開發(fā)的軟硬件協(xié)同設計難以開展，學生對基礎知識的綜合應用能力較差，自主設計和創(chuàng)造能力也普遍存在問題。

二、CDIO模式下課程教學改革探索

1.CDIO工程教育模式。CDIO是一種國際化高等工程教育的創(chuàng)新模式，是由麻省理工學院（MIT）、瑞典皇家工學院（Royal Institute of Technology）等四所跨國大學合作開發(fā)的一整套工程教育理念和實施體系[2，3]。它以產(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[4-6]。主要包括技術知識與推理、個人和職業(yè)能力與態(tài)度、人際交往能力，團隊合作和交流、企業(yè)和社會環(huán)境下的構思設計實施運行系統(tǒng)等四個層面，這種模式不僅注重培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)技術知識，更關注團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，并通過“做中學”和“基于項目的教育和學習”的教學模式培養(yǎng)既有扎實的專業(yè)技能，又有良好的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的國際化工程師。國內(nèi)外的經(jīng)驗都表明CDIO“做中學”的理念和方法是先進可行的，適合工科教育教學過程各個環(huán)節(jié)的改革。

2.以項目為導向，改進教學方式和教學內(nèi)容。教學方式上，將本專業(yè)有著豐富科學研究和教學經(jīng)驗的教師組織成一個項目實施團隊，建立相對穩(wěn)定的承擔單片機原理及應用課程教學和實踐環(huán)節(jié)的教師隊伍。研究CDIO高等工程教育模式的理念和本質(zhì)，轉變觀念，改革教學內(nèi)容、教學方式和教學手段，緊密結合有關科研項目，將CDIO理念和教師在科研中的實踐經(jīng)驗和體會融入教學內(nèi)容、課堂教學和實驗教學環(huán)節(jié)中。項目中每位成員根據(jù)自己承擔的科研項目，每學年提出一個適合單片機項目化教學的項目，并將學生進行分組，每組4人，每組都包含1～2名興趣比較濃厚、學習動手能力較強的同學，每個小組選擇一個項目，該項目貫穿于單片機教學內(nèi)容和過程的始終。最后再完成一個綜合性強的實踐環(huán)節(jié)。通過這種方法提高學生學習的積極性和主動性、動手實踐能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

3.改革教學模式。在實際的教學中，將提出的適合單片機項目化教學的項目分配給學生小組，讓學生以團隊的形式完成整個項目的設計，包括方案設計、軟件實現(xiàn)、硬件設計以及測試和調(diào)試等整個過程。使項目貫穿于單片機原理及應用課程教學內(nèi)容和過程的始終，學生分組完成，教師提供輔導。選用的項目可分步實現(xiàn)，彼此關聯(lián)，從小到大，從簡到繁，從局部到整體，層層推進，形成一個完整、全面的單片機應用系統(tǒng)的教學項目。在實際的教學改革中，我們依托于“RS232串口通信”、“數(shù)控式直流電流源設計”、“智能負載”、“溫濕度測量系統(tǒng)”、“數(shù)控直流穩(wěn)壓電源”等項目，將以包含能力訓練的項目教學方式讓學生深入理解專業(yè)知識和提升其專業(yè)技能。將教學內(nèi)容相關的知識分解到各個教學項目當中，這樣可以增強學生學習單片機課程的興趣，培養(yǎng)他們的團隊意識和創(chuàng)新能力以及提高在嚴峻就業(yè)環(huán)境下的競爭力。

4.考核方式的改革。傳統(tǒng)的單片機的期末成績主要由學生的平時成績和卷面成績按照一定的比例構成（一般為3∶7），卷面成績則全部由試卷考試的形式?jīng)Q定。這種傳統(tǒng)的考核方式評價不了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，也不能完全作為掌握單片機基礎知識的判斷依據(jù)。而CDIO工程教育則要求學生在掌握專業(yè)知識的基礎上，具備一定的工程實踐能力，也符合廣大學生的學習目的。

因此，在本次改革中，為了確保考核方式的合理性、公平性和有效性，單片機的成績將以CDIO工程教育基本理念為指導，與項目結合的形式完成對學生能力的綜合評價，并采取教師點評和學生互評等各種方式（如表1）進行。這種以“過程”為基礎開展，關注學生知識、技能的學習過程，關注實踐環(huán)節(jié)及工程應用能力，力求知識與能力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的教學考核，不僅增強了衡量學生掌握知識的依據(jù)，而且有利于引導學生注重動手實踐能力和自身綜合素質(zhì)的提高。

三、教學改革的實際效果

1.激發(fā)了學生的學習興趣。以項目化方式指導學生學習的教學方式，增強了學生學習單片機的興趣和熱情。工程教學中始終貫穿著項目，學生需要按照項目的任務和要求系統(tǒng)地學習基礎知識和應用能力，有助于學生明確學習目標。這種由傳統(tǒng)單調(diào)的課程教學到靈活的項目教學方式，也極大地提高了學生的學習氛圍和興趣。

2.培養(yǎng)了學生綜合運用知識的能力。要完成CDIO項目中的工程任務，必須運用諸如數(shù)字電路、模擬電路、自動化控制和單片機技術等多學科的基礎知識。學生需要綜合運用所學知識來解決項目中遇到的問題，使學生綜合運用知識的能力得到培養(yǎng)。通過完成遇到問題到解決問題的過程，學生也加深了對知識的掌握。

3.鍛煉了學生的團隊協(xié)作精神。由于在整個工程項目的學習過程中，學生被分為3～4人一組，在分散學習、查閱資料、討論及實踐活動的過程中，都是以小組的形式進行，每個小組都是一個小團體，全體組員共同參與學習環(huán)節(jié)中的各項活動。彼此互相配合，廣泛交流的過程，鍛煉了學生的團隊協(xié)作精神和團隊意識。

4.提高了學生的思維、實踐動手能力。CDIO教學模式“做中學”的理念，強調(diào)教學與實踐的統(tǒng)一。在教學過程中安排的大量項目實踐活動，需要學生親自動手完成項目要求的各個實踐任務，并參與到項目開發(fā)的始終。參與工程的開發(fā)能夠發(fā)散學生的思維，提高實踐動手能力。從項目完成的情況來看，此次改革有效地提高了學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

四、結語

經(jīng)過全體課題組教師的不斷努力，“單片機原理及應用”課程教學改革已經(jīng)取得了初步成效，教學效果得到了顯著提高。通過單片機教學改革的實踐，結果證明，在CDIO工程教學模式下，采用以項目為驅(qū)動的教學方式不僅生動有趣，還能提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。而且理論與實踐緊密結合的教學改革，激發(fā)了學生學習的興趣，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力和團隊意識。

參考文獻：

[1]李曉林，牛昱光，閻高偉.單片機原理與接口技術[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]馬衛(wèi)國.基于CDIO的單片機原理及應用課程教學改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（19）：70-72.

[3]張翼成，劉美，王濤.CDIO模式下“單片機原理及應用”課程教學改革[J].計算機教育，2012，（32）：22.

[4]顧學雍.聯(lián)結理論與實踐的CDIO——清華大學創(chuàng)新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009，（1）：11-23.

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