《微控制器技術》云課堂+虛擬仿真的CDIO教學模式改革初探

張曉峰 解朦 趙歡

摘?要：隨著“互聯網+”、大數據、人工智能、云平臺等技術的發展，現代職業教育的課堂教學模式、信息化教學手段也在不斷創新。本文以我校物聯網應用技術專業《微控制器技術及應用》課程實施的“云課堂+虛擬仿真的CDIO教學模式改革”為例，對有關做法進行梳理、總結，經過實踐探索發現，經過云課堂課程預習、自學、仿真，正式課堂的CDIO教學模式實踐，較好地解決了傳統課程難教難學，學完了不會實際應用的問題，學習效果得到提高，同時學生的職業素養和崗位應用能力有效增強。

關鍵詞：微控制器（單片機）技術;云課堂;虛擬仿真;CDIO

一、背景說明

《微控制器技術》也稱為“單片機技術”，是高職電子信息、裝備制造等大類專業開設的重要專業基礎課。對于物聯網應用技術專業而言，在1+X傳感網應用開發職業技能等級證書考試大綱中明確提出了單片機知識與技能的基本要求。但傳統的課程教學仍存在一些問題：一是理論與實踐相互獨立，課程學完后學生不具備相應的硬件設計和編程能力，不會實際應用;二是理論講授過多，實踐太少，特別是缺乏綜合性、開發性實踐項目，不能有效調動學生的學習興趣，不能培養他們的創造性、主動性、協作精神;三是教學方法運用不當，教學與學習效率低。課堂上以老師講授為主，缺乏生動、直觀的輔助手段，與實際聯系不夠密切，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，效果不夠理想。

“云課堂”是基于云計算技術的一種高效、便捷、實時互動的網絡教學（學習）課堂形式，它由一系列“云”載體構成。“云課堂”可及時獲取學生學習興趣、學習過程、學習方法以及學習成果等相關數據，把握學生學習需求，診斷教學問題，支持教法改進。虛擬仿真技術，就是用一個虛擬系統模仿一個真實系統的技術，它是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，可以是現實場景的再現，也可以是構想出的情景。運用虛擬仿真技術，能解決實驗儀器不足、易損壞以及實驗現象不易重現等問題，激發學生的學習興趣。CDIO模式是“基于項目教育和學習”的教學模式，它把“做中學”貫穿整個工程項目構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運轉（Operate）的四個過程，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生主動參與每一個具體的環節，體會產品設計的挑戰與樂趣，能有效培養學生職業素養和團隊協作精神。

二、改革探索

（一）《微控制器技術》內容界定

本文所謂的微控制器是指經典的8051系列，實際上微控制器內涵要豐富得多。雖然目前經典51單片機的市場空間在不斷萎縮，也有一些人建議物聯網專業可以直接將增強內核的CC2530或高性能嵌入式STM32（系列）作為微控制器技術的入門課程。但現實的問題是，即使是基礎較好、學習熱情較高的高職學生，也較難從這兩種器件入手進行微控制器的學習。主要原因有：第一，CC2530和STM32的內部結構相對于經典51內核更加復雜，寄存器眾多，短時難于理解;第二，STM32的嵌入式編程涉及結構體、枚舉、指針等C語言知識點也要求較高，函數之間調用關系繁雜。先在一個較為簡單的8051架構上帶領學生進入微控制器技術的大門，以后再擴展學習BasicRF的CC2530、嵌入式微控制器STM32等物聯網的核心控制技術，使學生形成一定的面對復雜對象的嵌入式C語言編程能力，就會水到渠成。

（二）課程改革理念

按照“成果導向、學生中心和素質提升”的理念進行課程設計，具體實施基于“云課堂+虛擬仿真的CDIO教學模式改革”，通過云課堂課前預學（自主學習）、正式課堂的合作探索，完成設計、仿真、運作等學習過程。課程注重思想政治教育與技術技能培養的融合統一，充分挖掘并融入勞動教育、職業道德、創新意識等社會主義核心價值觀元素，突出育人價值。

CDIO教學模式是否能成功運用，很大程度上取決于“課前預學”，這是學生課前自主學習階段，教師需要準備兩方面內容。一是學習導航。包括項目（任務）名稱、要達成的目標、學習方法建議和課堂活動預告（明確自主學習和課堂學習的關系，便于主動完成學習）;二是具體預習任務。包括要看（學、做）的視頻、課件、動畫、文檔、圖片，測試題等資源，要求學生以筆記形式寫出自學過程的困惑問題或建議，完成初步的電路圖繪制、流程圖設計等。為了能達到理想效果，在成績評定上要增加自學部分占比，引起學生的重視。在教學方法上

主要運用任務驅動法、項目教學法、講授法、討論法、實驗法、探究法、演示法等，配合線上線下混合教學模式、小組合作開展學習，利用keil+proteus虛擬仿真信息化技術進行調試和探索，實現“學做合一”。

（三）云課堂的選擇

當前，教育信息化已經成為時代發展的必然趨勢。云課堂系統由大容量、高可靠的教育云平臺和簡單易用的教學智能終端組成，具有多場景、多功能、靈活易用等特點，能為師生帶來“教-管-學”全方位的沉浸式教學與學習體驗。云課堂系統可實現數據、服務和教學資源的共享，同時能根據教學活動進行數據分析處理，為管理者、學習者提供相關的數據支撐。目前，有多種云課堂APP，包含各行業各專業的課程，使用者可以方便地利用等公交地鐵的碎片化時間觀看老師、行業大佬的視頻或參與課程活動。本課程采用的“云課堂”是——智慧職教，這是由高等教育出版社建設、運營的職教數字教學資源共享和在線教學服務平臺。師生通過手機端下載安裝云課堂——智慧職教APP，注冊之后即可在手機端（當然也可以在電腦端）免費使用。

（四）虛擬仿真軟件的選擇

微控制器（單片機）課程的最大特點是實踐性強，課程實踐環節對學生理解微控制器知識至關重要。目前多數院校課程的實驗主要是采用傳統的物理實體實驗箱，實驗項目相對固定，并且設備比較陳舊，不能體現技術發展要求。利用虛擬仿真軟件作為硬件仿真和調試平臺，相當于學生把單片機實驗室搬到了電腦桌面上，能形象、生動地感受單片機的特性與作用，消除學生與單片機之間的“隔閡”，擺脫硬件的束縛，培養他們的創新思維。Proteus是英國Lab Center Electronics公司的EDA工具軟件，支持8051、PIC、AVR、ARM、MSP430，Cortex和DSP系列多種處理器，支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器，可實現從原理圖設計、代碼編譯調試到單片機與外圍電路的協同仿真，可方便地生成PCB文件，真正能實現從概念到產品的完整設計。Keil C51是51系列兼容單片機C語言軟件開發環境，支持所有8051系列衍生產品，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語言程序設計。先在Proteus中設計系統的硬件電路，在Keil中編寫、編譯、調試程序，然后在Proteus中仿真調試。可以靈活地開發不同類型的、實驗設備無法完成的大型綜合實驗項目，降低實驗室的建設和維護成本，對提高學生實踐動手能力、樹立工程意識、培養創新能力起到非常重要的支撐作用。本課程要求學生先進行基于Proteus+Keil的聯合仿真，獲得正確結果后，再根據條件進行必要的實際硬件操作驗證，體現“虛實結合，方便快捷，經濟安全，互為補充”的實用原則。

（五）CDIO教學模式實施

CDIO教學與項目式教學都是以產品的生產服務生命周期為教學載體，強調“基于項目的學習”和“做中學”。微控制器技術課程的CDIO改革要點如下：

（1）課程標準與內容的優化。首先是根據崗位調研情況，結合職業崗位能力和1+X證書要求修訂課程標準，以工作崗位實際的典型產品作為載體，將傳統課程體系中的知識、技能、素質內容由易到難序化為廣告燈、搶答器、電子秒表、LED點陣屏、LCD電子鐘、交通燈、智能小車、電池電量檢測、智能溫室系統等項目，再將每一項目分解成1～3個具體工作任務。各項目的任務內容在授課順序上符合前后知識的連貫性，前面的內容為后面的做準備，后面的內容在注入新知識的同時，也對前面學過的知識與技能進行適當的重復和鞏固。選用電子工業出版社的全國高等院校+互聯網系列精品教材——《單片機應用技術》C語言版（第4版）作為主要參考書。

（2）課程平臺資源建設。智慧職教——職教云網頁版本身已具備課程資源框架，每門課程都有今日課堂、待批作業、待批考試等主窗口，還有班級、導學、教材、課程設計、題庫、作業、考試、成績、統計分析等欄目用來上傳資源、添加與開展課堂活動，其中最重要的是課程視頻講解、課件及課堂活動設計。為了能調動同學的學習積極性，課程預習及參與課程活動可以設置較大積分權重。學生既可以通過電腦端進入課程平臺，也可以用更加方便的移動端（手機、平板）的云課堂智慧職教（APP）參與學習。

（3）學生、教師課前準備。要向學生提出明確要求，本課程必須進行課前學習。多數學生具有筆記本電腦，第一周就要幫助他們安裝好Proteus、Keil仿真與開發軟件，保證他們業余時間能在自己的電腦中進行仿真訓練。特別是開始階段，教師一定要做好指導，從能完成簡單的LED亮滅控制開始，讓他們建立學習興趣與信心。同時教師要在平臺中布置好下周（次）預習的任務，提前學習云課堂的課程視頻、課件的知識和技能點，初步完成方案設計、硬件電路設計、電路軟件設計、調試仿真、實物制作及調試，給出成績評定標準，并要利用課程QQ或微信群及時解答學生在學習過程中的問題。

（4）CDIO教學模式的實施。開學后第3～4周左右，就可以正式進入CDIO模式了。正式課堂上每3～4個學生組成一個團隊，每個團隊在不同的項目中可確定不同的項目主管、工程師（助理工程師），以“協作+競爭”的方式展開學習。由于教師事先安排了課程任務，正式上課時教師主要充當引領者的角色，除了對項目中應掌握的基本技能、基本概念和基本分析方法、難點與重點等進行必要的精講或答疑以外，主要是組織學生實施CDIO各個流程，即對各團隊的整體構思（C），具體的設計方案（D），設計的硬件電路與代碼實現進行現場指導，然后各團隊加以討論修改，并進行項目（作品）展示。由任課教師和同學分別擔任“項目經理”“客戶”對每個作品加以評價，并給出參考意見（I）。為了提高其他成員的參與度，作品展示時要求其他團隊至少要對匯報內容提出一個問題，由發言人或本隊其他人員回答或補充。在正式課堂上根據情況可以重點準備三次左右翻轉課堂的混合教學，前提是學生必須下大力氣進行課前準備，教師也要在課中設計更為合理的教學活動，使課前的任務與課中的活動相呼應。最后，每個團隊再次綜合各方意見繼續完善方案（O），再次獲得“項目經理”和“客戶”雙方的認可。如果硬件條件允許，可以將仿真結果在硬件環境中實現。通過構思、設計、實現、運作等環節（步驟），把課堂學習過程轉變成與實際工作任務相關的職業技能操作，讓學生邊學習邊訓練，切身體會和領悟“工程項目”的概念。

（5）課程考核與評價方式。改革原來“理論考試+實踐考試”的成績評定方式，以CDIO模式倡導的“過程評價”為考察主線，從知識、技能、素養等三方面入手，以“課前評價+課中評價+課后評價”的動態方式進行綜合評價，既有教師評價（占70%，包括整個課程的電路設計、程序設計、仿真效果、演示匯報、文檔規范等），也有學生本身的自評（占30%，包括課程準備、課堂表現、作業完成等的小組評價），把終結性評價轉變為過程化評價，提高了學生對學習過程的重視，也提高了學習興趣和熱情，同時培養了學生的團隊協作能力及進取精神，在潛移默化中提高了學生的職業素養。

三、主要觀點

（一）云課堂是教育信息化的重要載體

信息技術的不斷發展，使得傳統的以教師為主體的教學模式被建構主義的教師主導、學生主體的“雙主”模式取代，教材也被多種形式的學習資源所取代。學習資源的多媒體化、直觀化，學生的學習時間和空間從連續、固定、封閉，走向開放、多元，到隨時隨地使用電腦、手機等終端的網絡碎片化學習、終身學習成為趨勢，云課堂正是應對這種學習需求而產生的必然結果。智慧職教云課堂可以方便地將電腦端或APP中的內容投屏、動態進行“簽到”，及時進行“測驗”，在觀看視頻或課件過程中可以加入活動，能有效避免學生刷課，實現真正的教學互動。將線上線下、課內課外的學習資源優化整合，既能發揮正式課堂教學的優勢，也能發揮網絡教學平臺（云課堂）的作用，符合時代發展潮流。

（二）使用虛擬仿真技術有效提高課程學習效果

用Proteus搭建單片機電路和外圍電路，C程序在Keil上編譯和鏈接生成.hex文件，用Proteus進行下載，模擬單片機程序燒寫，在搭建好的電路上運行燒寫的程序，對運行現象進行分析觀察，方便找出硬件或程序的漏洞。用Proteus和Keil構建的極其逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬單片機實驗室，學生可借助電腦反復仿真調試，有效地解決了儀器更新慢、設備不足、易損壞以及實驗現象不易重現等問題，激發學生的學習興趣，提高單片機開發效率。

（三）采用CDIO教學模式提升學生的學習主動性和工程實踐能力

CDIO理念是“做中學”和“基于項目教與學”模式的概括集中體現，CDIO的核心是將教學與工程實踐緊密結合，通過工程應用強化理論內容，以教師為主導，以學生為主體，通過項目幫助學生加深對單片機知識的理解和應用，培養學生的工程素養。《微控制器技術》課程“云課堂+虛擬仿真”的CDIO教學模式改革，構建了線上課前自主學習、線下課堂翻轉教學、課中課后CDIO實踐、線上線下共同評價、以學生為主體、以教師為主導的新型教學模式。這種改革使得教師不再“滿堂灌”，更加關注學生在學習過程中的體驗和成長，提升了學生的學習主動性及學習成效，增強了學生的實踐動手能力，培養了學生的團隊意識、工程意識和職業素養。

參考文獻：

[1]仇清海，肖蘇慧.“云平臺+虛擬仿真”信息技術手段在高職專業課混合式教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2019（32）：235-236.

[2]鄭蓓林.基于CDIO模式的電子電路制圖與制版課程教學實踐[J].集成電路應用，2021-3，38（3）：112-113.

課題項目：本文是黑龍江農業工程職業學院2020年院級教學改革課題“基于云課堂+虛擬仿真的《微控制器技術》CDIO教學模式改革與實踐”階段性成果

作者簡介：張曉峰（1964—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工學碩士，教授，研究方向：嵌入式技術。