引入CDIO工程教育理念的高職院校虛擬實驗系統的建設

邱丹

摘要：在傳統的單片機應用課程實踐教學過程中，存在著硬件投入大、維護工作難、經費緊張等普遍問題，本文基于CDIO工程教育理念提出一種新的思路，即利用Proteus和Keil軟件建立單片機虛擬實驗系統，并將“構思―設計―實現―運作”的工程方法融入建設過程中。結果表明，基于CDIO工程教育模式的虛擬實驗系統具有成本低、投資小、實驗項目設置自由、接近工程實踐、容易支持課堂教學等特點，能更好地激發學生實踐課程的學習興趣，提高學生的動手能力和創新能力。

關鍵詞：CDIO;工程教育;實踐教學

中圖分類號：TP391.9;G434 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2017）16-0073-02

Absrtact： in the course of practical teaching of traditional single-chip computer application course， there are some common problems， such as large input of hardware， difficult maintenance work and shortage of funds， etc. This paper puts forward a new way of thinking based on the idea of CDIO engineering education. The virtual experiment system of single chip computer is established by using Proteus and Keil software， and the engineering method of "conception-design-realization-operation" is integrated into the process of construction. The results show that the virtual experiment system based on CDIO engineering education model has the characteristics of low cost， low investment， free setting of experimental items， close to engineering practice， easy to support classroom teaching， and can better stimulate students' practice. Course learning interest， improve students' hands-on ability and innovative ability.

Key words：CDIO;engineering education;practical teaching

1 引言

高職院校的實踐教學，是支撐人才培養質量的重要支點，也是全面提高應用型人才綜合能力的關鍵點，為保證實驗教學的效果，各院校往往采用多種手段。在電子、機電和自動化等電類學科的課程體系中，大多數的專業課程都是典型的應用性課程，主要特點就是理論和實踐需要高度結合，實踐教學所占比例較大，可以說實踐環節對整體教學是否成功起到關鍵性作用。在實踐教學過程中，不僅需要計算機進行軟件編程或者輔助設計，還需要大量配套的硬件實驗平臺和設備，一般的學校和個人經費有限，很難滿足實際需求。而且隨著電子技術不斷發展，硬件設備不斷老化，實驗儀器更新換代也很快，這就需要不斷地重建實驗室，資金耗費嚴重，常常會步入經費投入不足、設備維護困難的窘境。另一方面，傳統的硬件實驗設備通常采用實驗箱或實驗板，因硬件具有固定性、實驗項目多是驗證性實驗、不能自由變更，導致學生對相關知識點的認知流于表面，影響對學生創新能力的培養。

為能解決上述實踐教學中存在的問題和培養應用創新型人才發展的需要，本文以電類學科的核心課程“單片機應用技術”為代表，引入CDIO[其中：C表示構思（Conceive），D表示設計（Design）、I表示實現（Implement），O表示運作（Operate）]的工程教育模式，借鑒其先進的教育理念，利用Proteus和Keil進行虛擬實驗系統的建設，以彌補傳統實驗課程實踐教學的不足，提升專業課的整體教學水平。

2 單片機虛擬實驗系統的建設

2.1Proteus與Keil的簡介。在電子設計自動化軟件中，Proteus是目前能模擬單片機應用系統工作狀態的最好仿真軟件之一。除了提供原理圖設計、PCB設計和SPICE仿真基本功能外，Proteus還提供了單片機周邊設備的仿真功能，例如虛擬示波器的仿真、LED的仿真等，這樣大大節約了周邊配套設備的成本。因為是軟件模擬，使得虛擬實驗系統更容易支持課堂教學，實驗項目的設置不受硬件條件的限制，更加自由，仿真結果能接近工程實踐。

單片機應用系統的開發過程中，除必要的硬件外，同樣離不開軟件，Keil就是一個極為重要的單片機開發軟件平臺。它能提供包括C編譯器、連接器、宏匯編、庫管理及仿真調試器等完整的開發方案，再通過一個集成開發環境（uVision）將這些組合在一起，具有界面友好、易學易用、用戶群龐大的特點。

基于Proteus和Keil的單片機實驗系統，能充分地利用計算機技術對各種體系結構的單片機編程，并可以模擬單片機真實工作過程去設計、仿真、開發自己的單片機系統，強大的功能和逼真的效果，能較好地彌補實驗和工程應用間脫節的矛盾，為此，國內外很多著名大學都在致力于建立基于軟件的單片機虛擬實驗系統。

2.2 虛擬實驗系統的建設。根據高職院校的人才培養目標，在分析單片機課程特點的基礎上，結合學生的認知規律和多年的教學經驗，將整個的單片機課程實驗教學體系按功能和內容分成3個模塊，由學生根據自身的興趣和能力選擇適合自己的模塊。單片機虛擬實驗系統主要包括基礎練習模塊、綜合應用模塊和創新實踐模塊，如圖1所示。

（1）基礎練習模塊。該模塊以培養學生的基本操作能力為目標。由12個細分的小模塊組成，學生根據單片機課程中大綱要求學習單片機系統的基本原理、工作方式和模擬仿真，要求能夠掌握單片機技術的基本內容和單片機系統的仿真方法。

（2）綜合應用模塊。該模塊以培養學生的綜合設計能力為目標。由4個細分的小模塊組成，教師需要針對某一類型的微控制單元給定綜合應用的題目，要求學生按照規定內容進行硬件電路設計、軟件程序編寫和軟件仿真調試，達到綜合訓練的目的。

（3）創新實踐模塊。該模塊以培養學生的創新思維能力為目標。教師和學生可以根據自己的興趣和能力進行更高層次的系統設計或研究，例如作為畢業設計的命題、參加電子設計競賽和課題項目的實踐等。

3 引入CDIO教育理念的實踐教學

CDIO代表構思、設計、實現和運作，是高等職業教育改革的一個創新思維理念，該理念將教育過程放到工程領域的具體情境中，以產品研發到產品運行的生命周期為載體，通過貫穿整個人才培養過程的職業能力設計和創新實踐訓練，培養學生扎實的工程基礎理論和專業知識。本人將單片機課程教學中引入了CDIO的工程教育理念，構建了基于CDIO的單片機虛擬實驗系統。

傳統的單片機應用技術課程教學過程之中，單片機的硬件基礎知識和軟件編程方法相對獨立，學生在完成了大部分的課程學習后仍不能較好地將硬件和軟件知識結合，工程設計理念較淡薄。為改變這一情況，本人設計了與實際生產流程類似的應用場景，即基于CDIO的工程教育理念，將單片機應用技術的知識點以工程項目的形式貫穿課程教學始終，如表1所示。

在上述的學習過程中，學生從被動學習變為主動學習，通過工程項目引出課程的相應知識點、講解知識點，讓項目案例的理論知識從始至終地貫穿到實踐教學之中，形成“構思―設計―實現―運作”這一工程理念的單片機應用技術課程教學環節，整個過程中，學生不僅掌握了知識和技能，提高了學生的動手和實踐能力，也系統地培養了學生的職業能力、團隊協作能力、溝通交流能力，讓學生充分感受到學習的成就感，增強了學習的自信心。

結語：將CDIO理念引入到高職院校的工程教育中，再通過“Proteus + Keil”的組合模式來搭建虛擬實驗系統，不僅可以有效地解決教學資源不足的難題，還可以讓學生從工程的角度直接看單片機應用系統的工作過程和結果，彌補實驗和工程應用之間脫節的矛盾。

從這兩年的單片機虛擬實驗系統的教學實踐來看，該系統取得了良好的運行效果，學生的綜合素質也有了較大幅度的提升。其優勢主要體現在2個方面：（1）基于項目的教育和學習，讓學生在課堂上能“學中做，做中學”，教學內容更豐富，更生動，大大提高了學習的興趣和創新開發能力，是當前高職院校項目教學實施的有力保障和推動;（2）基本解決了不斷重建實驗室的資金困境，尤其適合教學經費緊張的學校，并增加了學生動手實踐的機會，提升學生系統應用的能力，具有很強的實用價值。

參考文獻：

[1]劉秀偉，汪權明，楊林. CDIO教學模式在《土木工程材料》課程中的應用[J] 石家莊：教育教學論壇 2017.5

[2]吳國文.基于Proteus與Keil的單片機項目式教學法[J].北京：中國科技信息. 2012.04

[3]紀藝娟. 利用Keil與Proteus聯調改進單片機實驗課程教學[J].上海：電子技術. 2017.12

[4]姚燁，王皖發.基于CDIO的“校企合作+”工科人才培養模式改革研究[J].太原市：現代職業教育. 2017.2

[5]管志光，苗秋華.基于 CDIO 機械電子工程專業人才培養模式改革與探索[J].北京：中國現代教育裝備，2015.12

[6]雷冬，朱飛鵬，殷德順，等.力學虛擬仿真教學實驗室建設的探討[J].北京：實驗技術與管理，2014.12