基于CDIO理念下《單片機原理與應用》核心素養的教學設計研究

康之訥　徐陶祎

摘 要：隨著計算機與信息技術的飛速發展與進步，單片機系統在人類社會中的應用變得越來越廣泛。《單片機原理與應用》作為單片機系統的主要專業課程，一直是各大高等院校電類專業的主干課程。該課程要求學生對單片機的硬件組成、原理有一定的了解，同時需要掌握相關軟件、指令及編程相關的知識。教學過程中，重點、難點較多，理論與實踐、硬件與軟件的結合不夠緊密等問題容易導致學生出現缺乏興趣、難以掌握的情況。本文結合作者長期的課程教學經驗，探討該課程的核心素養，并結合CDIO理念改進教學方法并應用于實踐教學當中，起到了提高教學效果的作用。

關鍵詞：單片機原理與應用 核心素養 CDIO

Research on the Teaching Design of Core Literacy of "Single Chip Microcomputer Principles and Applications" Based on the CDIO Concept

Kang Zhine Xu Taoyi

Abstract：With the rapid development and progress of computer and information technology， the application of single-chip microcomputer systems in human society has become more and more extensive. "Principle and Application of Single Chip Microcomputer" as the main professional course of single chip microcomputer system， has always been the main course of electrical majors in universities. This course requires students to have a certain understanding of the hardware composition and principles of single-chip microcomputers， as well as knowledge of related software， instructions and programming. In the teaching process， there are many key points and difficulties， and problems such as insufficient integration of theory and practice， hardware and software can easily lead to students' lack of interest and difficulty in grasping. This article combines the author's long-term course teaching experience， explores the core qualities of the course， and combines the CDIO concept to improve teaching methods and apply them to practical teaching， which has played a role in improving teaching effects.

Key words：principle and application of single chip microcomputer， core quality， CDIO

1 引言

《單片機原理與應用》是一門典型的硬件、軟件并重的課程。課程學習過程中，要求學生既要對CPU、存儲器、I/O口、中斷等硬件的原理有充分的了解，又要熟練掌握使用對應硬件資源時的指令與編程方式。正是基于以上這個特點，作者在教學過程中所接觸的教材大多采用匯編語言及C語言兩種編程語言同時進行單片機編程教學。其中匯編語言更貼近單片機的工作原理，能夠加深學生對硬件工作過程的理解;C語言作為學生必修的前置課程，更貼近自然語言與邏輯，突出了對外部工作過程的描述，便于學生掌握對單片機相應資源的控制[1]。《單片機原理與應用》同時也是一門對理論與實踐相結合要求比較高的課程。該課程的規劃中，實驗與實踐環節占據了比較大的比重。無論是使用模擬仿真軟件進行相關內容的練習，還是進行單片機實物操作練習，都對學生掌握該門課程的重要內容起到了至關重要的作用。

除了高等院校提供的相關課程，一些培訓、線上教學也涵蓋了與單片機相關的內容。結合二者來看，高等院校在該課程的教學中，容易出現理論、實踐脫節的情況，即所學的知識并沒有為實際應用中需要掌握的能力提供相應的支持;而培訓、線上教學容易出現原理性內容掌握不牢靠的情況，從而影響學生更深層次的發展。作為長期從事該門課程教學的教師，從高等院校教學的出發點來看，需要結合二者的優點，從學生未來從事相關行業所需要具備的能力出發，基于該課程的核心素養針對性的提出改進方法。

2 《單片機原理與應用》課程的核心素養

一門課程的核心素養是指學生通過在學校內接受該課程的對應教育后，所形成的解決該課程相關領域專業問題的素養與能力。這種素養與能力應涵蓋扎實的理論知識積累、解決實際問題的方式方法、遇到復雜問題后的自我探究與學習的能力等諸多良好素質[2]。以側重培養學生未來在單片機相關領域解決專業問題的素養與能力為出發點，并結合上文對《單片機原理與應用》課程的特點分析可知，學生在學習這門課程的過程中應具備的核心素養可以概括為：掌握足夠的單片機硬件原理、編程等相關知識及學習方法以具備設計能夠解決實際問題的單片機系統的能力。這就要求該課程在進行教材編寫、課程設計時，將理論知識與實踐結合的更加緊密，同時兼顧硬件原理、編程等相關知識的傳授。

3 CDIO教學模式簡介

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），遵循產品從研發到投入運行的流程，強調對學生解決實際問題能力的培養，是一種非常符合上文中所探討的關于《單片機原理及應用》課程的核心素養的教育模式[3]。本人在教學過程中發現，學生在學習過程中對動手實踐環節的興趣普遍高于對理論知識的學習。一種可行的方案為：以實踐環節為整個課程的出發點，以教材中的引例為知識的切入點，教師將理論知識貫穿其中，引導學生完成單片機系統設計，解決引例中提出的實際問題。整個教學過程可簡要分為如下幾個步驟：（1）課程開始時以動手實踐的方式激發學生學習單片機的興趣;（2）設計難度適當的實際問題，引導學生構思解決問題的方法（在這個過程中學生會意識到相關理論知識的缺乏）;（3）由教師結合實例講解對應的知識點;（4）學生應用所學知識點設計單片機系統并基于之前實踐所得（單片機實物開發板或模擬仿真軟件）將該系統實現，解決之前提出的實際問題。

4 CDIO模式在《單片機原理與應用》教學中的應用

以作者承擔的《單片機原理與應用》課程為例，該課程的實訓內容要求學生將一款51系列單片機的開發板散件焊接完成后，配以一系列的輸入、輸出模塊，解決了一些具有針對性的實際問題，簡要模擬了實際生活中單片機系統的開發過程。下面以講解單片機I/O口的操作的教學過程舉例來簡要說明一下CDIO模式在該課程中的應用。

（1）學生完成了電路原理、C語言等前置課程的學習，并具備了一定的電路板焊接能力。該課程的開始階段，每兩位學生組成一個小組，共同完成一款51系列單片機開發板散件的焊接，如圖1所示。其間教師簡要介紹各部分的功能和原理，該開發板包含51系列單片機所需要的外圍電路和一些基本輸入/輸出（5個按鍵、8個LED小燈等），便于進行接下來的教學安排。學生在焊接過程中，對硬件電路的組成及其原理有了基本的了解，同時產生了進一步學習和使用單片機的興趣。

（2）以I/O口的操作為例，教師給出的引例為：請同學們為一間超市設計一款安裝在入口處的設備，每當有顧客進門，就給出適當的提示音。隨后教師簡要介紹可供參考的傳感器、蜂鳴器等設備的相關信息，學生分組構思并討論可行的方案。

（3）在這個實例的設計過程中，核心知識點是I/O口的操作，即如何讀取指定的輸入端口的信號與如何在指定的端口輸出正確的信號。附加的知識點（其中某些知識點在之前的引例中曾涉及過）包括輸入/輸出設備的接線方式、通信方式、分支程序設計等知識點，教師應根據具體情況進行安排。由于學生普遍具備C語言編程的基礎，在教學過程中，可適當側重匯編語言程序設計的講解，便于加深學生對單片機硬件資源的理解。在此基礎上，再使用C語言進行程序改寫，學生的掌握程度普遍較好。

（4）搭建完成的系統如圖2所示：其中左上角為避障傳感器，可以檢測到指定范圍內存在物體遮擋;右下角為蜂鳴器，可以根據需求輸出特定聲音提示。學生在完成單片機系統設計并調試成功后，可以將樣機嘗試安裝在適當位置，以進一步調試設備的運行效果，并給出可行的改進方案。指導教師根據每一組學生的完成程度進行打分，也可以在課堂上進行作品展示，有助于小組之間交流溝通、相互學習。此外，相同的原理可應用于設計其他場景下的同類型智能設備，如：公共廁所自動沖水裝置、自動水龍頭、自動烘手機、簡易倒車雷達等，指導教師可以根據課堂需求增加實訓項目、課后練習、項目考核等環節，以求達到使學生能夠獨立進行原理設計、傳感器選型、完成系統搭建等項目設計相關環節的目的。

在這種模式的教學理念下，學生在課程開始階段就能產生濃厚的學習興趣，讓自己精心焊接的開發板“跑”起來是他們最大的目標;知識點不再是空洞乏味的概念，而是解決實際問題的武器：掌握了單片機I/O口的操作方式，就能為超市設計有實用價值的小設備;課堂中，對未來從事相關工作可能面對的工作過程有了大致的了解，同時提前培養了分工協作、團隊合作的能力。總體來說，這一過程不僅是對《單片機原理與應用》一門課程的深入學習，更是對學生全面素養的整體提升。

5 總結

由上文分析可知，將CDIO理念應用于《單片機原理與應用》核心素養的教學設計之中，能夠起到提高教學效果的作用。與此同時，這種教學方式對教材的編寫、課程的安排提出了很高的要求。例如教師給出的引例（或教材給出）應經過精心的設計，以求達到新知識點的引入由易到難，舊知識點適當重復出現達到鞏固的目的，切忌隨意穿插章節，不利于學生形成良好的知識體系。高校在培養學生的過程中，應重視每一門課程的核心素養，采用合理的教學模式，提高教學效果，促進學生全面進步。

基金項目：

2019年度地方高校省級大學生創新創業訓練項目（No.S201913235005）

參考文獻：

[1]徐涢基，黃建華.單片機原理及應用[M].北京：航空工業出版社，2016.

[2]陸和平.淺談基于核心素養的《機床電氣控制》教學[J].當代教育實踐與教學研究，2017（09）：83.

[3]趙海茹，周慧，趙盛萍.基于CDIO的《自動控制原理》課程教學模式探究[J].智庫時代，2019（31）：191+194.