基于CDIO 導向的應用型本科高校單片機課程改革研究★

孫曉雪， 雷立群

（吉林農業科技學院機械與土木工程學院， 吉林 吉林 132101）

1 《單片機原理與接口技術》課程教學現狀

以吉林農業科技學院為例進行相關調研和研究，該校是一所具有悠久歷史的百年學府，學校是教育部專業綜合改革試點院校、國家級卓越農林人才教育培養計劃改革試點院校、吉林省首批整體轉型試點院校。《單片機原理與接口技術》是機械設計制造及其自動化、機械設計制造及其自動化（中外）、智能制造工程、機械電子工程等本科專業的一門專業核心課程。課程特點是應用性強，內容抽象，知識涉及多課程交叉。

1.1 教學方式枯燥

該課程理論部分系統地講授單片機的結構和原理、單片機的指令系統、匯編語言程序設計、中斷系統、定時/計數器、單片機串行通信、單片機系統擴展技術、單片機C51 程序設計方法等的相關知識和應用技能。往往授課過程中教師是以PPT 的形式進行，還有的老教師是以黑板板書、學生記筆記的方式進行，看似按照教學計劃由淺入深有序推進，實際教學則會出現滿堂灌現象，對于基礎差的學生可能就像聽天書一樣根本聽不明白，對于基礎好的學生認真聽了筆記也記了，但是由于課程內容較抽象，這種教學方式學生理解和掌握的內容也及其有限[1]。

1.2 實踐形式單一

單片機是一門實踐性很強的專業課，學完課程后，如果學生只掌握了理論知識而不會應用，那么課程的效果是不理想的，沒有達到課程的教學目標。基于此，教學大綱安排本課程64 學時中有32 學時的實驗學時。實驗學時部分，主要是利用普中的開發板套件，授課內容以驗證性實驗為主，對于相應的實驗普中有例程資料，學生只需照葫蘆畫瓢簡單連線后即可實現相應功能。這樣的實踐形式不利于培養學生的創新能力，而且理論和實踐聯系不緊密，開發板內部連線都已接好，學生對于單片機的硬件資源使用一知半解，因而很多同學在學完課程后，在實際比賽和工作中，并不能很好地應用單片機[2]。

1.3 考核內容不全面

一直以來，單片機考核重理論輕應用現象突出，大綱考核方式為考試，平時成績占40%，包括到課率、課堂態度、實驗報告、作業、筆記，期末考試為閉卷占60%，題型包括填空題、選擇題、簡答題和設計題。這種考核方式并不能全面衡量學生單片機知識和應用的掌握情況，且未融入德育考核內容。

2 基于CDIO 導向的單片機課程改革思路

2.1 CDIO 概念闡釋

CDIO 代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，以CDIO 為導向的單片機課程改革目的是讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習。

2.2 整合教學內容，優化教學方式

系統梳理教學內容，將知識點融入幾個項目中。采用項目式教學法，在項目中自然的引出相關理論知識的學習，同時對于涉及到的電子技術、計算機基礎等有關課程知識進行及時復習和鞏固。例如，第一個項目為彩燈管理，項目的開始先給學生展示常見各種彩燈效果視頻，激發學生的學習興趣，然后以最簡單的點亮一個LED 燈為例開始內容的講解，因為用到先修課程模擬電子技術中的二極管知識，需要對其點亮原理進行回顧，能夠自然的想到要想用單片機控制LED 亮滅，那就得學會控制單片機的I/O 口輸出高低電平，進而講解控制方法和原理，學生掌握了原理后，布置學習任務，讓學生思考和實踐點亮多個LED，并實現如流水燈、跑馬燈等花樣效果。整個學習過程教師只起到領路人的作用，學生作為課堂真正的主人，充分發揮其主觀能動性，而且每個項目分小組完成，在進行過程中增強了學生的團結協作意識。

2.3 虛實結合，軟硬兼施

KEIL 是高校單片機學習中普遍使用的一款編譯軟件，兼容C51 和匯編兩種語言，界面簡潔，操作簡單。選定好單片機的型號后，可查看PSW、A 等特殊功能寄存器的狀態，有反匯編窗口，能查看存儲器的使用情況，程序單步執行的狀態，方便檢查程序。將電腦用一根數據線和普中開發板相連后，可把KEIL 軟件編譯好的HEX 文件燒錄到單片機中，即可實現相應的功能。這種實踐學習方式對于線下教學比較容易實現，但是近年來受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，單片機課程由線下教學轉為線上授課，學生手里沒有開發板供學習使用，這對實踐教學造成了一定困難。同時，即使線下教學，如果不用開發板，學生自己搭建電路學習的話，很容易出現電路有誤，燒損元器件和單片機的情況，這樣既不經濟也不安全。基于此，在硬件實物操作之前，若能先利用虛擬實驗平臺PROTEUS 進行仿真，有問題及時調整，直至達到理想的效果后，再進行實物操作，可大大節省時間和金錢，而且線上實踐課也可順利進行。

在進行PROTEUS 仿真時，需要學生自行設計并畫出硬件電路，能畫出電路的前提一定是理解了，硬件電路和軟件聯合才能出現現象，所以需要學生對軟件編程也要熟悉，因此先采用KEIL 和PROTEUS 軟件聯調實現項目要求，線下再利用實物實現，這個過程既加強了學生對理論知識的理解和吸收，充分體現出主觀能動性，也增強了學生應用單片機進行相關設計的能力。

2.4 考核方式和評價標準多樣化

課程考核不以試卷為唯一合格標準，注重德育元素的考核以及實踐能力的考核。允許在全國大學生電子設計競賽等權威比賽中，取得優異成績的同學申請課程免修且成績定為優秀。在保證大多數學生學到知識的條件下，鼓勵學生課后走進實驗室進行自主學習和實踐操作，鼓勵優秀學生脫穎而出，根據難易程度制定不同分數等級的考核項目。

3 課程改革實施過程

3.1 構建基于CDIO 的單片機課程體系

將傳統的單片機課程知識體系拆解，重構基于CDIO 的課程體系。將課程知識安單片機產品開發過程有機融入，針對不同的環節講授課程相關內容，使得理論知識的總量不變，將理論知識與實踐開發有機結合。教學過程采用項目式進行，教師結合應用實例引出子項目，指導學生自主學習，根據設計要求分組完成產品開發過程，在學習過程中注重培養學生的團隊意識、工匠精神、創新思維等。

3.2 項目式教學模式

課程教學以實際應用的項目為主線，采用任務驅動式教學法，建立“做中學”的教學模式，將枯燥的理論知識融入到項目中進行學習，每個項目都按照CDIO 的過程進行，即確定產品功能；準備相關資料；硬件電路設計；軟件程序設計；仿真調試；軟硬件聯調；產品制作與測試。每個項目開始前教師僅對必要的知識點進行講解，項目進行中設計3 個左右的小任務，學生以團隊形式自主分析設計并完成任務，團隊成員分工協作。整門課程拆分了6 個子項目，2 個綜合項目和1 個擴展項目。所有學生需完成6 個子項目，鼓勵學有余力的學生完成綜合項目，優秀的學生完成擴展項目。單片機原理與接口技術課程項目式教學體系，見表1。

表1 單片機原理與接口技術課程項目式教學體系

3.3 改革實踐

以20 級機械設計制造及其自動化1 班的單片機課程改革實踐為例。受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，教學實施過程中，采用線上授課模式。充分利用超星學習通平臺資源，同時教師團隊自建單片機課程，將關鍵知識點以微課、資料庫等的形式上傳云端，方便學生隨時查看。線上授課的優點是可方便軟硬件仿真的演示，缺點是學生無法真實操作實物硬件。但是從考核效果看，學生對單片機課程的學習情況比傳統教學還是有所提升。下面以項目三廣告牌控制為例，對改革實踐過程進行詳細說明。

3.3.1 課堂導入

以愛國主義元素引出授課內容，在線分享建黨100 周年聯歡會慶祝視頻，重點展示點陣屏幕上“中國共產黨”“愛你中國”等顯示畫面，激發學生的愛國愛黨情懷，進而引入主題廣告牌控制。

3.3.2 關鍵知識講授

首先以8×8LED 點陣屏為例講解顯示原理，說明各種尺寸的廣告牌均可由基礎點陣屏拼接而成。8×8LED 點陣屏由64 個點狀LED 構成8 行8 列的分布，每一行陽極連接起來，共用一個引腳，每一列陰極連接起來，共用一個引腳。通過單片機的I/O 口空著這8 個行引腳和8 個列引腳的電平高低，就可顯示特定的圖形。

回顧前面兩個項目涉及的LED 燈和數碼管，對比分析這些顯示器的特點和使用場合，進而引出辯證思想即“否定之否定”規律[3]。LED 燈是最早也是最簡單的顯示，為單個獨立點狀LED，通常用來作為指示燈使用；隨后人們發現LED 燈展示的不夠直觀，又發明了條狀LED 構成的數碼管，數碼管可以形象地顯示0 到9，以及一些字母和字符，常用來做電子鐘、儀表數據等的顯示，但是顯示的內容還是有限；后來人們又發明了LED 點陣屏，點陣屏能展示更多更豐富的內容，常用來做廣告牌，提示牌等，點陣屏其實就是陣列式排布的點狀LED。這樣看來LED 顯示器，經歷了點狀—條狀—點狀的過程，也經歷了兩次否定后，才得到了更好的應用。

最后在大部分同學掌握了顯示圖形的方法后，擴展介紹字模生成器的使用，方便日后制作復雜動畫使用。

3.3.3 分組協作，共同學習

要求小組同學根據所學知識自行設計廣告牌，對于設計方案不做具體要求，但要能體現出愛國情懷。以某一小組為例，團隊成員先討論要設計的產品，確定好后，分工協作，有負責收集技術資料的，有負責軟件編程的，有負責硬件設計的，對于教師布置的項目小任務，同學們共同探討最終完成。由于是線上學習，同學們對于PROTEUS 和KEIL 軟件的使用和聯調要很熟練，對于完成的作品需要線上共享屏幕進行講解，這無形之中又鍛煉了負責講解同學的語言表達能力，對于這樣的作品展示過程，同學們表現的很積極，愿意和大家分享自己在項目過程中取得的成績，當說到遇到的難題時，其他組的同學會共同探討并想辦法解決。

3.3.4 教學效果

通過課改的實施，明顯感覺課堂氛圍活躍了，考核內容增加了仿真硬件作圖和德育內容，增加了平時作品展示環節，同學普遍反映學習變得不那么枯燥了，而且通過仿真軟件的使用對知識的掌握更明了了。雖然是新型冠狀病毒肺炎疫情期間學生不能走進實驗室進行實踐，但這樣的教學方式激發了學生的學習興趣，有些同學自行購買了相關元器件在家進行了實踐操作，并且有一組同學參加了第十二屆全國大學生電子商務“創新、創意及創業”挑戰賽，獲得了校級特等獎和吉林省二等獎的好成績，還有兩組同學參加了第十屆全國大學生機械創新設計大賽，分別獲得了省級一等獎和二等獎的好成績。由于新型冠狀病毒肺炎疫情原因全國大學生電子設計競賽沒能如期舉行，但是目前來看課改班級學生報名踴躍程度比以往有所提升，期待比賽能取得好成績。

4 結語

基于CDIO 導向的單片機課程改革，對于改善應用型本科學生學完單片機后，應用設計能力不強，甚至低于部分高職院校學生水平的現象有一定的作用。采用項目式教學，將知識點融入項目中，避免了理實分家的現象，提高了學生的實踐能力。此改革模式可為相關或相近課程改革提供一定的參考方向和思路，相信疫情結束后，線下實踐的融入將會使課改效果更好。