高校的混合式CDIO教學*——以“高校單片機原理”課程為例

王志強 管恩京 鞏秀鋼 韓 慧

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高校的混合式CDIO教學*——以“高校單片機原理”課程為例

王志強1管恩京2[通訊作者]鞏秀鋼1韓 慧1

（1．山東理工大學計算機科學與技術學院，山東淄博 255049；2．山東理工大學信息與教育技術中心，山東淄博 255049）

CDIO是近年來國際工程教育改革的最新成果，但當課程引入CDIO教育模式后，面臨大容量、系統化的工程教學內容與有限的課堂教學時間和資源之間的矛盾?；旌鲜綄W習將傳統課堂學習與網絡學習相融合，優化了教學資源配置。文章將CDIO與混合式學習相結合，以“高校單片機原理”課程為應用研究對象，提出了一種以CDIO工程教育為內容、以混合式學習為手段，融合課內外實踐、線上線下學習為一體的立體化教學體系——混合式CDIO教學體系。研究結果表明，該體系能夠有效提高工程教育的教學效率，培養學生的自主學習能力、創新意識、團隊合作能力和綜合工程素養。

CDIO；混合式學習；實踐教學；課程體系

一混合式CDIO教學體系

CDIO代表工程中的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運行（Operate）等四個步驟。CDIO教育的核心思想是通過完整工程項目的實施，來推動學生在工程基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統能力等四個方面的提高[4]。混合式學習則強調在“適當的”時間，通過應用“適當的”學習技術與學習風格，為學習者傳遞“適當的”能力，其核心思想是根據學科特點，科學合理地對各類學習資源進行組織分配[5]。因此，CDIO工程教育與混合式學習的結合，本質上是一種利用現代信息化教育技術與工程教育理念對課程教學進行的改革。本研究將CDIO工程化的教學內容與混合式學習多元化的學習方法相結合，依托多種教學手段和實踐平臺，設計了混合式CDIO教學體系，如圖1所示。

圖1 混合式CDIO教學體系的設計

圖1顯示，混合式CDIO教學體系由工程化教學內容、混合式教學組織形式、臺階式實踐教學體系以及網絡學習支撐平臺等四方面組成。該體系以層次化的工程項目教學為基礎，融合課堂學習和網絡自學兩種形式，在網絡資源平臺的支撐下，通過E-learning將教學的課前、課中、課后三個階段有機串聯起來，同時通過多元化的課上、課下、課外實踐教學活動，形成了以科學知識為基礎、應用創新為目標、實踐能力為重點的新型教學模式，并在此基礎上建立了以形成性評價和結果性評價為基礎的綜合化課程考核方式。

二混合式CDIO教學內容

工程教育要求將理論教學內容滲透到實際的工程項目中，使學生在真實的情境中循序漸進地掌握知識[6]。通過對企業中的典型單片機相關工程項目進行歸類、解剖和合理簡化，本研究將“高校單片機原理”課程精煉出三個層次的模塊化工程項目教學內容，如表1所示。

1 基礎驗證層

將1.00g沉積物樣品放于50mL三角瓶中，然后加入0.2mL甲苯、4mL pH=11的緩沖溶液和1mL對硝基苯磷酸二鈉溶液，輕搖混勻塞上瓶蓋，在37℃下培養1h。加入1mL CaCl2溶液和4mL NaOH溶液，輕搖幾秒鐘后，鋁制過濾。用分光光度計在400～420nm進行比色，測定溶液的吸光值。同時測定無泥及無底物對照。實際APA用每小時每千克干重沉積物產生對硝基苯酚的毫克數計算。

該層次項目在傳統實驗驗證的基礎上添加了創新和自設計元素，目的是使學生掌握單片機系統的基本工作原理和實驗技能，夯實理論基礎，引導學生建立起課程的核心知識框架。同時，該層次項目通過對單片機最小系統及其基本輸入輸出功能的設計實現，培養學生在工程“O-運行”和“I-實現”能力的提高，使學生在驗證理論的同時，逐步掌握單片機運行和使用的技能并初步具備基礎的系統設計能力。

2 應用實踐層

該層次項目來源于單片機工程中較為獨立的應用功能模塊，內容側重于對單片機內部各類資源的使用和系統擴展設計能力的提高。該層次項目注重培養學生的“D-設計”和“I-實現”能力，即通過單片機功能產品的研發，使學生逐步掌握單片機產品設計流程和軟硬件協作開發模式，培養學生的個人工程應用能力、自主探究能力、分析解決問題的能力和創新性思維。

3 綜合創新層

該層次項目融合了原有的課程設計，以提升產品的“C-構思”與“D-設計”能力為核心，通過對前期所學知識的整合和創新，借助個人探究和團隊協作，完成系統級單片機產品的構思、設計、實現和運行全過程，重點培養學生的多學科交叉能力、團隊合作能力和綜合工程素養。

表1 模塊化工程項目教學內容

三個層次的模塊化項目之間存在很強的知識關聯性，前一層項目均可作為后一層項目的構成部件，而后一層項目則是前一層項目的擴展和創新——這種“搭積木”的學習方式，可使學生在動手實踐過程中逐步建立起完整的課程知識體系，并最終用來解決綜合問題。此外，項目設計中強調多學科的交叉滲透，以構建完整的工程產品。如在智能三表和生產線過程控制項目中，要求單片機系統與桌面應用軟件和數據庫相結合，實現采集信息的批量存儲與可視化界面操作；在基于物聯網的監控系統設計中，則要求實現單片機系統的Socket網絡通訊和數據動態ASP頁面操控。

三混合式CDIO教學組織

基于建構主義學習理論，以問題為導向（Problem Based Learning），課程將學習過程分解為課前、課內、課后三個階段[7]。在此過程中，根據知識認知的不同維度，“高校單片機原理”課程采用混合式CDIO教學模式展開，其教學流程如圖2所示。

圖2 課程的混合式CDIO教學流程

1 項目導入

項目導入在項目開始前兩周進行，以網絡微課形式完成。一節微課主要包含五個方面的內容：介紹項目的設置情景、明確具體任務目標、說明設計流程、提供學習資料和自學資源、明確分組辦法和日程安排。通過微課的學習，使學生首先對項目產生一個直觀的了解和整體的認識，然后借助教材、文獻、網絡資料等開展自主探究式學習，逐步形成自己的設計思路，最后借助仿真實驗對設計方案進行初步驗證。

2 課內教學

課內教學全面采用“小組協作學習法”。以山東理工大學計算機科學與技術專業的三年級學生為例，本研究根據學生的學業基礎、興趣愛好、個人能力、性別差異等，將處于同一專業的2個班共84人劃分成3～4人的小組。分組時按照“同組異質、異組同質”的原則進行優化組合，從而形成組內互補、組間競爭的局面。每個小組指定一名組長，全面負責組織本組內的協作互動學習。組員按照崗位分工，分別完成軟件設計、硬件設計和項目級聯測試任務。項目教學實施按照工程的構思、設計、實現、運行等四個步驟來組織。教師首先對學生上交的設計方案進行反饋評價，對設計中的重點、難點和典型錯誤予以講解。小組成員隨后討論，完善設計方案并通過分工協作的方式實現設計。之后，小組成員對設計細節和實驗結果進行講解演示，并接受同學和教師的提問。最后，項目組之間、項目組成員之間以及教師分別對項目的完成情況給予量化評價。

3 課后自學

課后全面依托網絡學習，來完成知識的鞏固和總結。按照工程實施規范，每個項目均制定時間任務節點表。學生嚴格按照任務節點，定時將文獻調研報告、方案設計說明、仿真實驗報告、項目實驗報告、項目總結等上傳至網絡平臺，教師及時給予批閱和反饋。每個項目完成后，學生通過網絡教學平臺進行知識點的回顧和在線測試，從而構建完整的知識認知體系。

四混合式CDIO實踐教學

實踐教學是增強學生感性認識，培養學生動手能力、解決問題能力和構建創新意識的重要環節[8]?！案咝纹瑱C原理”課程以理實一體化、多教學情景融合、優化教學資源為出發點，建立了“課上實踐教學—課下虛擬實驗—課外實訓”三個步驟的臺階式實踐教學體系，使學生真正做到在學中做、在做中學。

1 課上實踐教學

課堂教學采用教、學、做一體化的“實驗室授課”模式，不再區分理論和實驗學時。根據項目教學的要求，建設了實踐教學一體化平臺。該平臺的硬件采用工業傳感器、信號發生器、采集和變送模塊；軟件采用Keil、IAR等單片機工程開發環境以及Proteus、Multisim等EDA仿真軟件，可以滿足學生實驗驗證、項目教學、畢業設計等不同層次的需求；教學則采用“邊學邊做、講完就做、做后總結”的方式。教師首先講解演示并布置教學任務，學生隨后進行系統軟硬件的設計和調試。在此過程中，教師全程跟蹤學生的項目執行情況，對暴露的問題當場予以解決，克服了“先授課后實驗”模式因理論與實踐環節相隔離而造成的諸多弊端。

2 課下虛擬實驗

虛擬實驗是一種借助信息技術和虛擬現實技術發展起來的新型混合式學習模式。為解決大容量的工程實踐教學與有限的實驗課時和硬件條件之間的矛盾，“高校單片機原理”課程借助仿真軟件Proteus和Keil構建了單片機虛擬實驗系統。其中，Proteus提供了多款單片機，各類數字、模擬、交流、直流電路的仿真功能，以及信號發生器、示波器、邏輯分析儀等虛擬儀器資源；Keil則是一款集成了匯編和C語言編譯器、庫函數和仿真調試等工具的主流單片機開發環境。在項目教學的過程中，學生按照時間任務節點要求，分別采用Proteus、Keil完成系統的硬件設計和軟件編程，然后將兩者級聯運行并使用虛擬儀器查看仿真結果。學生帶著自己的方案和想法進入課堂，通過教師講解和小組討論，逐步修正、完善方案，并最終將其移植到實際的硬件電路運行中。采用這種虛實結合的方式，以任務為驅動，通過學生的課后自主實踐，能較好地克服傳統實驗教學受時間、場地、設備、人員等的諸多限制，提高了工程教學效率。

3 課外實訓

“高校單片機原理”課程依托各類大學生科技創新競賽活動，建立了內容豐富的開放式第二課堂，拓展和延伸了單片機課程的教學空間。如通過組織、培訓學生參加大學生物聯網設計競賽、電子設計競賽、機電設計競賽、嵌入式設計競賽等科技創新活動，培養了學生自主分析解決問題的能力以及樂于動手、團隊協作和勇于創新的精神，從而為今后的課程實踐乃至工作提前“熱身”。與此同時，以產業需求為培養導向，山東理工大學分別與山東師創軟件工程有限公司、山東科匯電力自動化股份有限公司等相關企業合作，建立了工程實訓基地。按照“請進來、走出去”的理念，學校還邀請企業技術骨干作為指導專家，從工程的角度向學生傳授企業開發習慣、項目分析管理經驗、企業開發規范等知識，并定期組織學生參加生產實訓，使學生在真實的工程情境中開展學習和實踐，為他們將來從事嵌入式相關領域的工作打下堅實基礎。

五網絡支撐平臺與教學評價體系

混合式學習的有效開展，離不開優良網絡平臺的支持。“高校單片機原理”課程依托校園網，采用B/S架構，建立了集教學、自學、交流、服務、管理等功能于一體的在線教學平臺。該平臺包括課程門戶、教學資源、實驗教學、在線測試、在線互動和系統管理等多個模塊，在資源管理上采用共享共建機制，學生既是信息的使用者，也是信息的提供者，并通過考核機制來激勵學生參與網絡互助、資源上傳和協作學習。該平臺還提供了課程BBS、課后答疑模塊、興趣討論組等多種形式的師生和生生交流渠道，為學生的在線自主學習提供全面的信息支持。

隨著課程教學體系的改變，考核方式必須向更為綜合化、多元化的方向轉變?；旌鲜紺DIO教學的考核由三部分構成：①網絡自學成績占總成績的20%，考核內容包括學生的網絡學習時長、網絡學習活躍度（如討論參與度、資料上傳、網絡作業）和在線測試成績；②項目考核成績占總成績的40%，考核內容包括教師評價成績、組間互評成績、組內互評成績和設計報告成績；③期末考試成績占總成績的40%。新的考核體系采用“過程評價＋結果評價”的模式，淡化了卷面考試成績，強化了學生在自主學習和協作學習過程中體現出來的學習態度、交流合作、工程素養等方面的能力考核。此外，還引入了“組間互評＋組內自評＋教師評價”的多元化評價機制。其中，組間互評可以培養學生的批判性思維，并拓展其思維深度和廣度；組內互評則可以防止學生在項目完成過程出現等、靠、要、“搭順風車”等現象，實現學生的相互監督。

六效果與總結

為了調查混合式CDIO教學的效果，本研究在結束“高校單片機原理”課程后，采用網絡教學平臺對3個年級共217名參課學生進行了匿名問卷調查。學生分別從教學內容、教學形式、實踐環節、考核方式和教學效果等五個方面對課程體系進行了評價，結果顯示：絕大多數學生對這種新的教學體系表示認同，各環節滿意度分別為92.4%、96.7%、88.3%、93.5%、92.2%。在調查中，學生普遍反映新的教學體系很好地調動了自己的學習積極性，促進了自己與老師和同學之間的交流，提高了自己的知識應用能力——這與在日常教學活動中觀察到的學生出勤率高、課堂氣氛活躍以及課后有豐富的實踐作品等情況一致。從課程實施效果來看，混合式CDIO教學體系對比傳統的“理論＋實驗”教學模式的優勢主要體現在以下幾個方面：

1 提升了學生的實踐應用能力

學生通過在項目教學過程中的深度參與，實現了從傳統的“看中學”、“教中學”向“做中學”、“學中做”的轉變。在這一轉變過程中，學生潛移默化地提升了自己的工程實踐技能，其效果體現為課程實踐教學成果的“豐收”：近3年來，山東理工大學計算機科學與技術專業的學生在全國大學生電子設計競賽、挑戰杯、嵌入式大賽等相關科技創新活動中獲得國家級獎勵7項、省部級獎勵21項；學生參與申請各類創新、創業計劃12項，申請發明、實用新型專利15項；教師帶領學生承擔單片機類社會企業合作研究課題20余項。

2 提高了學生的自主學習能力

在信息時代，知識的爆炸性增長要求學習者必須具備良好的自主學習能力和自我提升意識。混合式CDIO教學體系按照認知規律，將知識的傳遞、內化、鞏固和拓展過程分別放在課前、課中和課后完成，借助多樣的微課、網絡資源、交流互動、節點任務和網絡測評等手段，引導、幫助和促進學生的自主學習。自“高校單片機原理”課程改革方案實施近3年來，課程網絡資源的利用率達到98%以上，學生每學期平均累計在線學習時長達65小時，人均在討論區發起提問或回復信息達40余條，上傳或下載資料800MB，上交作業、實驗報告、項目總結50余項，可見學生的自主學習和探究能力得到了明顯提升。

3 培養了學生的團隊合作能力

社會化大生產需要高校培養具有良好團隊協作能力和溝通能力的工程技術人才?；旌鲜紺DIO教學體系以項目為引導，將團隊教育貫穿在整個項目的規劃設計、討論改進、資源共享、協作完成以及答辯考核的過程中，并通過交流溝通激發學生的思想碰撞、通過互助互動培養學生的合作意識、通過分工協作增強學生的責任感。這種團隊精神培養的效果既直觀地體現在更加融洽的同學關系、和諧競爭的課堂氛圍中，也間接地反映在畢業生的就業情況中。近3年來，山東理工大學計算機科學與技術專業畢業生的初次就業率連續達95%以上，學生從事測控、物聯網等相關研發崗位的比例逐步提升，企業普遍反映畢業生具有較好的職業素養和較快的團隊融入能力。

工程教育是目前高校培養應用創新型人才的必然發展趨勢，但當前工程技術知識的泛化和更新常態化對高校的常規教學方法提出了嚴峻的挑戰?；旌鲜綄W習能夠對各類教學資源、教學過程進行優化配置，并突破時空限制，提高課程教學效率，因此混合式學習是CDIO工程教育的必然選擇。而混合式學習借助工程項目教學，可以將各個學習環節和學習情景關聯起來，能防止學習中知識的碎片化和非結構化。因此，CDIO工程教育與混合式學習具備很強的內在契合性和互補性，兩者互相倚重、互相促進。教學實踐證明，混合式CDIO教學體系能夠很好地提高學生的自主學習能力、團隊合作能力、創新意識和工程應用能力，促進學生“知識、能力、素質”的協調發展，這對面向工程實踐類的高校課程改革而言具有一定的普適性和參考性。

[1]王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究,2009,(5):86-87.

[2]趙國棟,原帥.混合式學習的學生滿意度及影響因素研究——以北京大學教學網為例[J].中國遠程教育,2010,(6):32-38、79.

[3]何克抗.從“翻轉課堂”的本質,看“翻轉課堂”在我國的未來發展[J].電化教育研究,2014,(7):5-16.

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[6]邱學青,李正,吳應良.面向“新工業革命”的工程教育改革[J].高等工程教育研究,2014,(5):5-14、45.

[7]吳峰,朱錫芳,鄒全,等.基于翻轉課堂的應用型本科實驗教學方法研究[J].現代教育技術,2015,(5):91-96.

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編輯：小米

Research on Blended CDIO Teaching of Universities——Taking the College Curriculum of “Single-chip Microcomputer Principle” for Example

WANG Zhi-qiang1GUAN En-jing2[Corresponding Author]GONG Xiu-gang1HAN Hui1

CDIO is the latest reforming achievement of international engineering education. However, the introduction of CDIO into the curriculum could brings about the contradiction between the massive, systematized engineering teaching content and limited class teaching time and resource. It well known that blended learning combines the traditional classroom learning with the e-learning, which optimizes the allocation of teaching resources. By taking the college curriculum of “Single-chip Microcomputer Principle” as research object, a three-dimensional blended CDIO teaching system was proposed through the combination of CDIO with blended learning, which took CDIO engineering education as content, utilized blended learning as learning tool, fused class inside and outside practice, and merged the online and offline learning into one. Actual practice demonstrated that this system can effectively improve the teaching efficiency of engineering teaching, cultivate the learners’ autonomous learning ability, innovation consciousness, teamwork skill and comprehensive engineering quality.

CDIO; blended learning; practical teaching; curriculum system

G40-057

A

1009—8097（2016）09—0113—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.09.017

本文受教育部在線教育研究中心在線教育研究基金“高?；旌鲜浇虒W效果評價指標體系構建研究”（項目編號：2016YB147）、國家級大學生創新創業訓練計劃項目“基于嵌入式的智能家居系統”（項目編號：201510433042）資助。

王志強，副教授，博士，研究方向為嵌入式系統教學研究，郵箱為zbwzq77@sina.com。

2016年2月1日