融合CDIO理念的單片機綜合實驗教學案例開發研究

余新栓 康金輝 宋瀟

[摘 要] 綜合實驗是工科學生實踐能力培養的重要環節。在單片機綜合實驗課程設計中引入CDIO工程教育理念，通過角色區分、團隊合作形式對學生進行分組，圍繞具體單片機產品模型開發案例，從產品構思、功能設計、安轉制作、關聯應用等過程培養學生的專業技術知識、個人能力、工程能力、職業態度、團隊協作和交流能力，提高具有創新精神的應用型人才培養能力。

[關鍵詞] CDIO;單片機;項目教學;工程能力

[基金項目] 2019年陜西理工大學一流專業培育項目子項目（實踐教學類）“以培養目標達成度為導向的課程設計教學研究與實踐”

[作者簡介] 余新栓（1973—），男，陜西寶雞人，碩士，陜西理工大學電氣工程學院講師，主要從事電力系統自動化與計算機應用系統研究;康金輝（1967—），男，陜西岐山人，學士，陜西理工大學電氣工程學院副教授，主要從事電力系統自動化與計算機應用系統研究;宋 瀟（1992—），女，陜西西安人，碩士，陜西理工大學電氣工程學院助教，主要從事電力系統自動化研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0383-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-20

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構思—設計—實施—運作）已經成為一種得到國際廣泛認可的工程教育模式。CDIO模式具有大工程理念，是工程教育改革的一種主流體系，強調能力培養的針對性，密切聯系產業實踐，注重培養綜合素質。該模式讓學生進入主動實踐，通過體驗產品從研發到運行的整個生命周期，借鑒在社會環境下企業的生產開發過程，從系統構思、設計、實施、運作四個層面培養學生的工程能力。

單片機原理及應用是電氣信息類專業普遍開設的一門專業技術基礎核心課程，融合了電子技術分析、信號與系統測試、電路設計與程序設計等諸多工程應用能力的培養，具有實踐性強、適應面廣等特點。單片機應用產品往往以嵌入式形式出現，其中以單片機為核心的應用系統相對獨立，可以作為電路控制器等微小型電器產品的形式單獨存在，因此單片機綜合實驗課程適宜于以CDIO模式為方法論，結合項目式教學方法來開展。本文結合對CDIO工程教育模式的探索，嘗試將其融入單片機綜合實驗教學案例開發工作，提高實驗教學效果。

一、項目案例設計模式及要求

現今工程專業人才培養過程中存在的問題意識淡薄，專業興趣不濃，創新能力缺乏等問題，都與教學內容設計脫離實際有關系。CDIO工程教育模式與項目式教學具有固有關聯性。為了貼近企業生產環境，可以借助慕課、云學習、翻轉課堂等虛擬課堂和網絡交互學習平臺，創設項目學習環境。在單片機綜合實驗教學案例實踐中，遵循一些基本開發原則：題目的難度、知識覆蓋面要符合課程要求和培養定位，避免出現實踐能力要求弱、脫離學生實際的“軟項目”;應該闡述較為完整的工程案例設計的完整步驟，突出真實案例選擇和案例分解與重構環節，力戒項目教學中出現的案例選擇不當、缺乏具體設計等問題，為切實增強學生實踐動手能力和創新能力做好鋪墊。總之，指導教師在項目初期選題和構思階段應起到足夠的引導作用。

CDIO能力培養分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，為使學生在這四個層面達到預定目標，分階段將項目團隊學生分為系統分析、電路設計、軟件開發與測試、項目維護等角色進行實踐訓練。比如，進行系統分析的同學負責系統需求分析和構架設計，進行軟件設計的同學負責程序設計與編碼調試，進行項目維護的同學負責系統軟硬件測試與維護。各組之間相互交流協作，在溝通中不但增進了對技術問題的理解，也培養了系統工程的能力。根據項目進展，一段時間后再進行角色調整。這樣可以使學生輪流體驗到不同工作定位和能力要求，以便學生增強自我意識，發現自身優勢與不足，有效提高學生工程能力和個人自主學習能力，加強協作，提高工程創新意識，培養人際溝通與團隊合作能力。

在項目運行階段，指導教師平時要有意識與學生的多接觸，傾聽學生的創意，認同學生的努力付出，激發學生與指導教師交流的意愿，形成師生能力互補，與學生共同投入項目學習。特別要注重項目創新情況，為學生提供資料，指導學生進行調研，并管理實驗進程，成為學習資源的提供者和學習活動的參與者。

二、案例項目教學的實施過程

以萬年歷電子時鐘設計題目為例，提出基本功能要求和設計流程的整體安排，以單片機為控制器，設計具有數據顯示、溫度采集、時間處理和調整設置功能的功能電路。預期產品模塊可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償、時間校準等多種功能。在顯示器上同時顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息。設計要求用較少的按鍵實現所有功能，計時準確;可以設定鬧鐘功能;有陽歷、農歷對照功能，平年閏年準確無誤。對設計的具體細節則由學生根據構思在后續環節中調整優化。比如，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。

構思階段涉及構思產品形式與功能定位。產品定位包括：產品形式可以是消費電子系列的桌面擺件式、嵌入臺燈式、戶外大屏幕LED點陣顯示式、公共建筑室內LED燈箱式等產品形式。鼓勵學生構思各種功能，比如語音播報、整點報時、無線遙控、網絡校準等。

設計階段引導學生提煉設計中的主要技術問題，提出擬解決的思路，以不同的技術路線做出技術方案和實現辦法。比如，計時及校準功能是電子時鐘的基本功能，設計可以采用判斷模式，定義一個用于模式調整的按鍵，其他兩個為加減按鍵，為了能對按鍵按下的次數進行相應的操作，設計一個按鍵變量以存儲相應的按鍵次數。計時是對計數器進行操作，可以使用片內定時器、片外日歷時鐘芯片等方式，具體實現過程中學生需要考慮不同的月份對應的天數、了解閏年與平年，根據判斷值選擇相應的數據。校準模式下當調整數據被選中時相關數據位閃爍顯示。調整時間時，根據按鍵次數進行選擇，當按鍵次數為設定值時，進入調年模式，然后進入閃爍狀態，直至調整其他時間。當進入閃爍模式時，可以進行加或減的操作，其他調整方法類似，包括調整鬧鐘。

從項目實施角度看，電氣工程師必須掌握電氣工程制圖、元器件參數運算與選擇、硬軟件實驗、系統測試、工藝操作、應用計算機進行文檔撰寫等知識和技能。將CDIO實施分解成若干設計過程，分階段完成功能結構設計、系統功能劃分與設計工具選擇。經過電路設計與制作、程序設計、調試與維護，最后加入一定推廣與宣傳文檔撰寫任務，進行行業應用與市場調查，有條件的情況下可以完成調查報告。

三、案例項目教學的成績考核

為避免出現工科教育“理科化”，最終考核注重工程特性，注意培養訓練和考查工程專業技能和實操能力。要求提供芯片資料、原件清單、原理圖及設計程序。把項目教學課程植入實驗室體系之中，促使學生重視包括實驗仿真、PCB電路設計、制作安裝設計的整個設計過程中，促使學生工程設計的實現。

參照CDIO理念標準，以創新訓練為主線，通過層次遞進的項目學習環節考查，建立較為科學和全面的評價體系，不僅考核學生課堂表現情況與課后思考題完成的質量，同時還兼顧實驗項目中對專業知識的掌握、創新思維以及團隊溝通與協作情況等綜合表現，有利于促進教師進行教學改進，完善教學方法，從而提高教學質量。

四、結語

以產品生產流程從研發到運行的生命周期為載體，融入CDIO教育理念，使學生具備較強的工程應用能力。順應工程教育發展趨勢，找準學校培養具有創新精神應用型人才的定位，縮短工程能力與工業產業要求之間的差距，符合現代工程技術人才培養的一般規律，促進培養目標達成度的提升。

參考文獻

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