基于CDIO理念的“微機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

劉麗麗，劉同禮，金小香

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇南京,210088）

0 引言

“微機(jī)原理與應(yīng)用”是一門綜合性比較強(qiáng)的課程，其內(nèi)容具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，同時(shí)該課程是工科類電相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課。為了進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和應(yīng)用能力，特別開設(shè)了“微機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”。《微機(jī)原理及應(yīng)用》課程涵蓋了“電子線路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“單片機(jī)”等課程，其中根據(jù)教學(xué)目的我們開設(shè)的《微機(jī)原理及應(yīng)用》課程以單片機(jī)內(nèi)容為主，我們在單片機(jī)的選型上從以往的51型單片機(jī)改為了MSP430系列單片機(jī)，MSP430片上資源相當(dāng)豐富，除了基本的片上資源外，還具有硬件乘法器、溫度傳感器、SPI總線以及LCD液晶驅(qū)動(dòng)模塊等片上資源，以下我們把微機(jī)原理課程設(shè)計(jì)統(tǒng)稱為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)。

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性比較強(qiáng)的學(xué)科，為了能夠?qū)W好這么課程，除了具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要軟硬件環(huán)境的配合.雖然目前已經(jīng)建立了微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室，但是遇到特殊情況，特別是疫情的沖擊下，課程設(shè)計(jì)的開設(shè)就存在困難。

傳統(tǒng)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)以單片機(jī)開發(fā)板為實(shí)驗(yàn)器材，開設(shè)的內(nèi)容大多數(shù)屬于訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下根據(jù)講義一步一步完成相應(yīng)的內(nèi)容，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往很被動(dòng)，并且依賴性強(qiáng)。為了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，解決問題能力和構(gòu)建創(chuàng)新意識(shí)，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革就顯得迫在眉睫。

另外突如其來的疫情，借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)力量，根據(jù)教育部提出的“停課不停教、停課不停學(xué)”的目標(biāo)任務(wù)，大大加速了我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育融合的步伐。結(jié)合CDIO教學(xué)模式，對“單片機(jī)課程設(shè)計(jì)”進(jìn)行教學(xué)改革，開展以項(xiàng)目教學(xué)為主的CDIO模式教學(xué)，讓學(xué)生做中學(xué)，在有限的時(shí)間內(nèi)，既能動(dòng)手實(shí)踐，又具有一定的實(shí)際工程問題解決能力和創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.

1 基于CDIO理念的混合式教學(xué)體系

CDIO 代表工程中的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）等四個(gè)步驟。CDIO教育的核心思想是通過項(xiàng)目的實(shí)施，來推動(dòng)學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識(shí)、 個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力等四個(gè)方面的提高。

線上線下混合式教學(xué)主要是根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)課堂的線下課堂教學(xué)方式的優(yōu)勢和線上網(wǎng) 絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，建立線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，單片機(jī)線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)由課程信息、學(xué)習(xí)任務(wù)、案例展示、資源推薦等多個(gè)模塊組成。每個(gè)模塊又被劃分為多個(gè)子模塊，層層遞進(jìn)，通過各個(gè)模塊的視頻講解，可以使學(xué)生 對知識(shí)以及技術(shù)的掌握更加直觀。

因此，CDIO工程教育與線上線下混合式教學(xué)的結(jié)合，本質(zhì)上是一種利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與工程教育理念對課程教學(xué)進(jìn)行的改革。“微機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”教改以理實(shí)一體化、多教學(xué)情景融合、優(yōu)化教學(xué)資源為出發(fā)點(diǎn)，建立了以“工程化教學(xué)內(nèi)容—混合式教學(xué)—課程考核體系”為指導(dǎo)的臺(tái)階式實(shí)踐教學(xué)體系，使學(xué)生真正做到在學(xué)中做、在做中學(xué)。臺(tái)階式實(shí)踐教學(xué)體系如圖1所示。

圖1 混合式CDIO教學(xué)體系

2 基于CDIO理念的混合式教學(xué)內(nèi)容

2.1 堅(jiān)持線上與線下相結(jié)合

在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，學(xué)生作為主體，為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新能力，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來開設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。

通過錄制視頻，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，教師可以進(jìn)行線上教學(xué)，線下布置任務(wù)、答疑。學(xué)生根據(jù)老師布置的任務(wù)進(jìn)行構(gòu)思，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與老師及同學(xué)之間進(jìn)行溝通探討，這種線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式不會(huì)受到時(shí)間限制，隨時(shí)隨地可以進(jìn)行教學(xué)與學(xué)習(xí)，在這種教學(xué)模式中，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中經(jīng)過實(shí)踐訓(xùn)練之后，對疑難問題可以通過該平臺(tái)進(jìn)行討論，并且可以自我進(jìn)一步學(xué)習(xí)，在課程設(shè)計(jì)中，除了提供大量開發(fā)板，還提供了很多模塊，學(xué)生可以根據(jù)自己在網(wǎng)上所獲得的興趣點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2.2 利用CDIO理念，項(xiàng)目式教學(xué)

在以“CDIO”理念為基礎(chǔ)的課程設(shè)計(jì)的整個(gè)實(shí)施過程中，采用項(xiàng)目式教學(xué)，分組進(jìn)行，劃分每組3人左右。以學(xué)生為主體，以設(shè)計(jì)為中心，由組長組織組員完成從項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)到項(xiàng)目完成的各項(xiàng)工作，如組織討論硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案，讓學(xué)生自我組織、自我管理。教師作為項(xiàng)目管理者，在設(shè)計(jì)過程中主要起到輔導(dǎo)、答疑、評價(jià)的作用。項(xiàng)目式教學(xué)可以充分培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作力。

按照“CDIO”模式，項(xiàng)目具體實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 基于CDIO理念項(xiàng)目實(shí)施過程

2.3 利用Proteus軟件平臺(tái)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力

以CDIO理念為基礎(chǔ)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)以理實(shí)一體化、多教學(xué)情景融合、優(yōu)化教學(xué)資源，混合式教學(xué)為出點(diǎn)，建立了“課上實(shí)踐教學(xué)—課外虛擬實(shí)驗(yàn)”二個(gè)步驟的臺(tái)階式實(shí)踐教學(xué)體系，使學(xué)生真正做到在學(xué)中做、在做中學(xué)。

單片機(jī)課程是門對實(shí)踐和動(dòng)手能力要求都很強(qiáng)的課程,根據(jù)以往所有的實(shí)驗(yàn)都是在已經(jīng)搭建好的實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行,即使在實(shí)驗(yàn)課中原理電路已經(jīng)經(jīng)過講解， 但是學(xué)生并不知道實(shí)驗(yàn)箱上每部分電路是如何構(gòu)成一個(gè)大的電路板，甚至經(jīng)過講解的功能電路都不能理解，因此經(jīng)常不能很好地將硬件電路開發(fā)和軟件編程結(jié)合起來一起思考，所以在課程設(shè)計(jì)中我們引用了Proteus仿真平臺(tái)。

Proteus是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供了電路原理圖的設(shè)計(jì)、PCB印刷版的設(shè)計(jì)以及基于mcu的軟硬結(jié)合仿真系等功能，采用 Proteus 仿真工具開發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)流程為：建立工程→原理圖繪制→軟件編程→ 代碼加載→協(xié)同仿真→優(yōu)化。大體分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件電路、軟件編程與協(xié)同仿真四個(gè)階段。

另外有興趣的同學(xué)還可以進(jìn)一步對電路進(jìn)行搭建，充分發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性化思維與創(chuàng)新能力，在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中我們用的基于MSP430f5529芯片的開發(fā)板，課程設(shè)計(jì)中，每個(gè)學(xué)生都有一套開發(fā)板，這樣學(xué)生可以很方便得將開發(fā)板帶回宿舍進(jìn)行研究和集體討論，這樣在教學(xué)中充分利用起學(xué)生的課余時(shí)間, 達(dá)到了很好的教學(xué)效果。當(dāng)課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，再讓學(xué)生把開發(fā)板上交開發(fā)板。

2.4 鼓勵(lì)學(xué)生引用網(wǎng)絡(luò)資源

在以往的教學(xué)模式下,僅靠有限的書面知識(shí)已顯得力不從心。在信息技術(shù)高速發(fā)達(dá)的今天,網(wǎng)上充斥著大量的單片機(jī)學(xué)習(xí)資料,里面很多經(jīng)典的設(shè)計(jì)案例。理論課中我們用的主要是MSP430f6638芯片，而課程設(shè)計(jì)中主要用的是MSP430F5529，因此我們鼓勵(lì)學(xué)生在網(wǎng)上查找芯片資料和芯片資源,從而為將來走上工作崗位打下一定的基礎(chǔ)。

在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息的爆炸增長，要求學(xué)習(xí)者必須具備良好的自主學(xué)習(xí)能力和自我提升意識(shí)，學(xué)會(huì)在在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上尋找自己需要的信息量并且加以設(shè)計(jì)。對于個(gè)性化學(xué)生,在此設(shè)計(jì)中讓其充分發(fā)揮,例如設(shè)計(jì)按鍵控制，藍(lán)牙模塊控制等有關(guān)的課題,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生各種能力的目的。學(xué)生可以對此課題充分進(jìn)行發(fā)揮,可以根據(jù)自己的思路，從而設(shè)計(jì)出一系列子課題,在接下來的時(shí)間中，學(xué)生會(huì)思考如何設(shè)計(jì)電路、編制程序、制成最后的產(chǎn)品。曾有學(xué)生在課程設(shè)計(jì)種對語音控制模塊產(chǎn)生了興趣，課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，一直堅(jiān)持，最終在畢業(yè)設(shè)計(jì)中獨(dú)立地完成了的基于MSP430的智能音箱設(shè)計(jì)，并推為校內(nèi)優(yōu)秀畢業(yè)論文。

2.5 課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)通常安排在學(xué)期末最后兩周集中時(shí)間進(jìn)行，由于設(shè)計(jì)時(shí)間短、任務(wù)重，加上課程設(shè)計(jì)前學(xué)生專注于期末考試，導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)完成內(nèi)容比較單調(diào)，因此將單片機(jī)課程設(shè)計(jì)在開學(xué)初直接布置給學(xué)生，讓學(xué)生有足夠的時(shí)間查閱相關(guān)資料和學(xué)習(xí)相關(guān)仿真軟件。

大學(xué)4年里,如何使單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用學(xué)習(xí)到真正掌握,這個(gè)過程通過實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與體系的改革慢慢解決。無論教學(xué)方法的改革,還是教學(xué)內(nèi)容的改革,提高了學(xué)生單片機(jī)對單片機(jī)的興趣，就提高了學(xué)生在單片機(jī)方面的應(yīng)用與開發(fā)能力。

3 基于CDIO理念的課程考核體系建設(shè)

對于課程設(shè)計(jì)的考核，結(jié)合CDIO教學(xué)理念，以工程的能力培養(yǎng)為主。一反面課程設(shè)計(jì)完成后組織答辯考核，學(xué)生制作匯報(bào)PPT，從設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)創(chuàng)意等方面匯報(bào)。在學(xué)生的匯報(bào)過程中，主要對學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，動(dòng)手能力和自學(xué)能力等提升情況考核；教師根據(jù)學(xué)生答辯情況、回答問題情況、作品完成情況以及設(shè)計(jì)說明書撰寫情況給學(xué)生評分。

另一方面需要學(xué)生在每一個(gè)項(xiàng)目的不同階段掌握相關(guān)的知識(shí)重點(diǎn)以及靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，加強(qiáng)有效地分析和解決問題能力的培養(yǎng)，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際完成作品考核，考查作品中相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，從而根據(jù)學(xué)生的對知識(shí)點(diǎn)的掌握程度給學(xué)生評分。學(xué)生課程設(shè)計(jì)的成績由過程考核（50%）和答辯考核（50%）組成。

4 結(jié)語

21世紀(jì)是信息時(shí)代,要求學(xué)校培養(yǎng)更多探索創(chuàng)新型應(yīng)用人才,因此實(shí)踐教學(xué)的培養(yǎng)特別重要。實(shí)踐教學(xué)的培養(yǎng)更看種的是使學(xué)生具備獨(dú)立工作能力。實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該有自己的目標(biāo)和功能，它的目標(biāo)是培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神;我們通過設(shè)置單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，來增強(qiáng)學(xué)生在單片機(jī)應(yīng)用方面的能力，“微機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”通過項(xiàng)目化任務(wù)的布置，應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng),培養(yǎng)學(xué)生初步的科學(xué)研究能力。在實(shí)踐教學(xué)中,應(yīng)該要求學(xué)生既要?jiǎng)邮?又要?jiǎng)幽X,只有這樣,才能達(dá)到單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的功能。

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是學(xué)生深化理論學(xué)習(xí)的必要途徑，可以使學(xué)生對抽象的概念，單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理了解的更深入，以CDIO為理念結(jié)合混合式教學(xué)方式通過MSP430F6638套件和Proteus軟件的結(jié)合來開展單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，極大的提高了學(xué)生的編程興趣，鍛煉了動(dòng)手能力和編程能力，并且可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生參加相應(yīng)的機(jī)器人競賽，實(shí)踐創(chuàng)新能力進(jìn)一步提升。