CDIO教育模式下電子信息專業單片機原理課程優化研究

趙陽，王立光

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院，吉林 長春 130118）

0 引言

信息類專業無論在本科高等教育還是職業高等教育領域都是一個重要的分支，據不完全統計，開設電子信息類專業的高等教育機構超過500所，各類受教育畢業生人數每年接近100萬人。在如此大規模的專業教育領域，如何提高人才培養質量、提升人才專業能力，進而促進學科專業穩定健康發展是一項十分重要的工作[1]。專業培養的核心是專業教育，而專業教育的關鍵是課程教學，由此可見課程的優化和改進在專業建設與發展領域的重要性。河北科技大學的教師認為新工科背景下工科院校應在傳統課程體系改革過程中圍繞創新性、應用型人才培養的目標，完成對課程體系的優化和構建[2]；西安建筑科技大學的教師強調要在工程認證體系和以成果為導向的教育背景下，實現課程體系對于畢業要求和畢業目標的完美支撐，著重人才創新能力和應用能力的培養[3]；長春工程學院的教師認為電子信息類專業課程教學內容要不斷優化更新，注重夯實基礎、拓寬口徑、強化能力[4]；廣東文理職業學院的教師認為高校培養的人才應適用于企業，教學內容應不斷完善，避免與工程應用脫節，注重實踐教學[5]；山西職業技術學院的老師指出單片機是實踐性強、應用廣泛的專業必修課，教學內容的完善應著重實現應用型人才培養目標，提升學生興趣的同時注重激發學生潛能[6]。本文以單片機原理課程為例，從實際教學過程入手，分析現有課程教學內容與教學方式的現狀及其存在的問題，探討CDIO工程教育模式的能力培養與評價體系下，單片機原理課程的優化思路和方法，為專業領域培養滿足學生、學校、社會（用人單位）多維度指標評價體系的人才奠定基礎。

1 課程現狀分析

作為電子信息類專業課程培養體系下一門重要的專業主干課程，“單片機原理”課程在電子信息類專業人才課程設置與人才培養體系的地位是不可替代的，單片機開發與應用是電子信息類專業人才從事相關技術研發與測試等專業領域工作的重要基礎知識和技能。眾所周知，單片機具有的優點主要包括體積小、性價比高、入門相對容易、面向應用等等，這些在與其他控制器相比較時，優勢是十分明顯的。我們以基礎的51系列和應用廣泛的STM32系列單片機為例，51系列單片機是單片機原理課程講授的對象，具有基礎易學、性價比高、學習資源豐富等多種優點。國產的51系列單片機性能優越，可很好實現小型控制系統如小型應急照明控制系統、小型溫度控制系統、多功能電子鐘、小型門禁系統等，該單片機是相關專業領域初學者和技術人員在一般應用場景的首選；STM32系列單片機屬于相對高級的單片機，是智能機器人、小型嵌入式系統如網絡電視機頂盒、網絡路由器、教學儀器等應用場景的首選。正是由于應用如此基礎、廣泛，單片機原理成為電子信息類專業教育領域的必修課。綜合多所學校課程大綱和多套教材總結得到，單片機原理課程主要介紹單片機的基本工作原理、基本結構（硬件機構）、語言程序開發（匯編語言開發設計）、硬件接口技術和相關小型應用系統原理分析與軟硬件開發等相關知識內容，與此同時會結合理論授課知識內容配備16至32學時不等的上機實驗。部分高校還會在單片機原理課程授課完成后，設置單片機原理與應用課程設計、微型單片機接口技術等課程，目的是使學生更好地理解掌握單片機基本工作原理、程序開發設計與單片機小型應用系統開發方法。

我們以某高校電子信息類專業現行的單片機原理課程教學大綱為例，該大綱是遵照工程教育論證相關標準要求編寫和完善。大綱要求學生學習該課程后至少滿足兩項畢業指標要求：①具有一定的計算機軟件和硬件、程序設計、微型計算機應用等知識與技能，了解微控制器對系統進行控制和管理的基本知識和方法；②具有控制理論、電子、信息技術等核心知識，以及較強的實踐能力，并能夠解決電子信息專業領域復雜的工程問題。從教學內容和授課學時上看，該課程安排在第五學期，即在專業基礎課程電路原理、模電、數電等課程學習完成之后，授課學時48學時，其中包括16學時上機實驗。授課內容第一章至第七章分別為單片機基本概述、單片機片內基本硬件結構、單片機指令系統與匯編語言編程基礎、（外部）中斷系統、定時器/計數器、串行通信、單片機的I/O接口，共同對應畢業指標的1和2。而16學時上機一共8組實驗：8051單片機指令系統、LED流水燈實驗、獨立鍵盤實驗、外部中斷實驗、定時器/計數器（C/T）實驗、LED數碼管動態顯示實驗、矩陣鍵盤實驗、基于點陣型發光二極管顯示控制實驗，這8組實驗對應畢業指標要求2。與此同時，結合專業整體培養方案建立6個課程目標，即課程目標1至目標6，在教學大綱中將七章教學內容與課程目標的關系進行對應和分解。

2 現有課程評價方式問題剖析

現有課程評價包括課程學生評價和課程教師評價。其中課程學生評價采用考試+考核相結合的百分制評價方式，并結合畢業指標要求達成度評價，評價過程如圖1所示；而課程教師評價采用以課程目標達成度為主、畢業指標要求達成度評價為輔的方式。

圖1 單片機原理課程學生評價示意圖

課程學生評價以60分為及格線，以分數區間對應為優、良+、良、中+、中、及+和及七個課程學生評價等級。學生通過參與日常理論教學活動獲取出勤成績+作業成績作為平時成績，參加統一期末閉卷考試獲取期末成績，參與8組課上實驗并按照實際表現和實驗報告評價獲得實驗成績。最終該課程的學生評價按照考試成績:實驗成績:平時成績的80%:10%:10%比例，得到加權得分進行百分制評價和等級評價。對于課程學生評價中畢業指標要求達成度，我們要按照課程大綱設定的畢業指標達成度分解方式；畢業指標要求一對應理論教學考核內容，評價方式為期末閉卷考試得分，畢業指標要求一的達成度計算方法為學生期末閉卷考試得分/期末閉卷考試總分；畢業指標要求二對應理論教學考核內容和課上實驗考核內容，評價方式為期末閉卷考試得分與課上實驗考核得分的加權值，即畢業指標要求二的達成度計算方法為學生期末閉卷考試得分×權值（8/9）與學生課上實驗得分×權值（1/9）之和除以考核總分值（100分）。

課程教師評價采用以課程目標達成度為主、畢業指標要求達成度評價為輔的方式，其中畢業指標要求達成度評價方法與課程學生評價中畢業指標要求達成度計算方法，如圖2所示。

圖2 單片機原理課程教師評價示意圖

課程教師評價中核心內容是課程目標達成度，該達成度計算依托期末考試試卷、實驗成績與平時成績，關鍵步驟是綜合課程大綱中各課程目標對應元素，分配試卷各試題分值、實驗成績和平時成績與各課程目標的對應關系，綜合考慮期末考試試卷、實驗成績與平時成績的權重，實現期末考試試卷、實驗成績、平時成績與各課程目標的目標值分解。依據每位學生期末考試試卷、實驗成績與平時成績實際的分值，通過加權后的求和計算得到各課程目標的目標實際達成值，與各課程目標的目標值做除法運算得到目標達成度，并分別以班級、專業為單位計算各課程目標達成值的平均值，得到課程教師評價，為教師分析課程目標實現的教學目的方法、提高和優化教學過程提供有價值的參考。

通過前文的分析與介紹，現有的課程評價方法存在以下不足：首先，評價方法仍然是基于考試制的評價，雖能夠客觀反映學生對應知識的掌握水平和教學效果，但全過程學生是被動的接受和參與者，并未給予學生足夠的參與度；其次，畢業指標達成度和課程目標達成度計算方法雖然清晰準確，但是分解方法依賴于畢業指標及課程目標的編制和設定，這個過程是一個任課教師主觀的行為過程，并未考量影響和促進教學過程的其他重要因素，例如學生的接受程度、對學生學習能力和就業能力的支撐程度、學生工作或步入社會后知識的貢獻度和參與度等。由于課程評價方法本身存在的不足，使得其對于課程優化的作用和效果也十分有限，而研究并提出一種更為科學有效的電子信息專業單片機原理課程優化方法則顯得更有意義。

3 CDIO教育模式下課程優化方法

源自國外高校教育研究成果的CDIO工程教育模式，其命名由構思、設計、實現和運作四組詞匯的英文首字母組合得到[7]。該模式按照全新的標準將能力培養目標和評價標準進行了重新的規定和劃分，使得以電子信息類專業為代表的工程教育專業教學實施和改革優化過程具有明確具體、操作性強和可量化評價等優點，對于完善教學過程、提高師生參與度和積極性具有重要意義。

在此，我們將單片機原理課程的理論教學內容、課上實驗和平時成績按照能力目標要求進行重新的對應和劃分。其中工程基礎知識對應課程內容包含：單片機概述、AT89S52單片機內部硬件結構、單片機的指令系統與匯編語言編程基礎、中斷系統原理、單片機的定時器/計數器、單片機的串行通信、8051單片機指令系統實驗。個人能力對應內容包含：單片機的I/O接口、LED流水燈實驗、獨立鍵盤實驗、外部中斷實驗、定時器計數器實驗。人際團隊能力對應內容包含：平時成績的50%。工程系統功能能力對應內容包含：平時成績的50%，以及LED數碼管顯示實驗、矩陣鍵盤實驗、基于點陣LED顯示實驗的成績。

圖3 CDIO 模式下單片機原理課程考查體系劃分示意圖

依照CDIO體系劃分標準，我們對單片機原理課程所涉及的理論教學、課上實驗以及平時成績進行上述劃分，其中課程教學內容部分主要涉及學生課程基礎知識、課程核心知識的培養，因而課程內容的前六章以及課上實驗部分較為基礎的實驗一劃分為工程基礎知識考查體系。個人能力考查體系注重學生工程推理和解決問題的能力，尤其注重通過開展課上實驗探尋知識、思維、態度以及技能的培養，故而將授課內容第七章以及課上實驗二至五劃入。人際團隊能力部分注重培養學生的團隊協作與交流能力，由于課上實驗開展以學生個體為單位、實驗箱為平臺，按照實驗指導書的要求，因此不能劃入人際團隊能力考查范疇。充分結合課程實際，該部分能力考查主要依靠平時成績表征，而平時成績還要劃分一部分權重給工程系統能力考查部分，因而按照平時成績的50%對應該部分內容。工程系統能力主要是學生對外部環境的構思以及工程系統的設計、實施與運行能力，我們把平時成績的50%以及相對復雜的課程實驗六至八劃分到該考查體系。對于授課教師而言，平時成績的考查體系劃分以及學生的能力評定需要客觀科學，即平時成績的各個環節和要素如何體現在人際團隊能力、工程系統能力的表征和考查上。這需要合理的評價體系，即該體系不僅能夠科學地指導和評價學生能力，也能夠在學生畢業、就業或深造等環節驗證其有效性和合理性。

4 課程多維度指標評價體系建立

CDIO課程評價體系與其他評價體系相比較，主要改進在于評價體系不再簡單依賴于課程預先設定的課程目標達成度、培養方案和畢業要求的支撐度，而是通過建立基礎知識體系對應學生技能評價、個人能力對應實踐技能評價、個人團隊能力對應團隊協作與溝通技能評價、工程系統功能能力對應創新技能評價，使得新的評級體系標準能夠在學生、學校、社會（用人單位）等多個維度指標體系執行，這樣課程的教學與培養效果的評價更加多維度，更加全面、完整和科學。顯然，原有的評價體系僅僅可以在學校評價維度開展，無法在學生、社會（用人單位）維度開展，這不僅忽略了教學過程是教與學的充分互動過程，也忽略了電子信息等工程學科的特點，即學科培養要面向社會需求，培養的學生不但具有扎實基礎能力，還應具有充分的解決實際問題的能力。CDIO模式下單片機課程多維度指標評價體系的評價結果可以充分表征當前教學過程在基礎知識、個人能力、個人團隊能力、工程系統功能能力培養和支撐存在的不足，進而指導教學優化，改進教學大綱與授課內容，促進單片機課程的不斷完善。

5 結語

本論文以電子信息類專業課程單片機原理為例，探討CDIO工程教育背景下單片機原理課程的教學評價與優化，以教學大綱和專業培養方案入手，分析現有課程評價方式存在的局限和不足，建立基于CDIO培養體系的單片機原理課程多維度評價方法，對于優化和完善單片機原理課程的教學過程、提高電子信息類專業人才培養質量具有重要意義。