基于CDIO-OBE 工程教學理念的單片機課程教學方法探究

譚 潔，劉 震

（銅仁職業技術學院，貴州 銅仁 554300）

0 引 言

單片機課程是物聯網技術、計算機、機電一體化等專業的必修課程。依據2023 年中央一號文件中提出的“重點補上土壤改良、農田灌排設施等短板，統籌推進高效節水灌溉”“推進智慧農業發展”等內容，結合“工農結合、智能制造”的專業發展方向[1]，將電工電子技術、C 語言編程、傳感器檢測技術與單片機課程有機融合，以面向工程認證的CDIO-OBE 教育理念[2]為出發點，項目構思、設計、實現、運行四步驟為教學主線，打造以學生為中心、以培養學生創新思維和創新能力為導向的教學模式，設計了以開發制作智能灌溉系統為核心的教學方案，致力于培養學生專業基礎能力、思維創新能力，大力弘揚傳承“工匠精神”，激發學生“愛國情懷”，樹立節水意識，為服務鄉村振興儲備高素質技能人才。

1 教學整體設計

1.1 緊扣CDIO 工程教育理念，融通崗課賽證，工農結合重構教學內容

在傳統教學中，單片機課程一般采用以理論教學、實驗講解為主，學生實踐為輔的教學模式，教師講授偏多，學生動手偏少，每個知識點案例獨立，內容缺乏銜接，學生在學習過程中常常“知其然不知所以然”，導致逐步對課程失去興趣[3]。根據物聯網技術等專業的人才培養目標，結合2023 年中央一號文件精神，以學生興趣為抓手，重構“工農結合+智能制造”的單片機教學內容，將課程分為4 個層次逐級遞進的工程教學項目模塊[4]，從項目構思、設計、實現、運行四個方面訓練學生的工程思維[5]，崗證結合，因材施教，以賽促教。

模塊一：電子廣告牌。通過電子廣告牌設計與制作項目熟悉單片機的基礎知識、硬件結構，學會Keil、Proteus、STC-ISP 等開發設計、仿真驗證軟件的運用[6]，掌握C 語言在單片機控制中的作用，熟悉生活中常見電子廣告牌的原理及實現過程。此項目涉及的是單片機的基礎內容，可以拓展設計聲光報警等項目，旨在夯實單片機基礎知識，為后續知識的教學筑牢根基。

模塊二：智能灌溉系統。將工科智能制造與農業灌溉相結合，響應國家“重點補上土壤改良、農田灌排設施等短板，統籌推進高效節水灌溉”“推進智慧農業發展”的文件精神，學習數碼管、鍵盤、A/D 采樣、水泵驅動等新知識的同時，引導學生站在單片機開發與設計應用工程師的角度，從如何構思智能灌溉項目、如何模塊化分解項目任務、如何逐級設計實現子項目、如何將子項目組裝合成等方面著手逐步推進完善智能灌溉系統，激發學生的創新思維，鍛煉學生的工程實踐能力，鼓勵學生參加大學生挑戰杯、全國大學生電子設計大賽、電子電路裝調與應用等相關比賽，并報考電工證、單片機設計師、電氣工程師等相關職業資格證書。

模塊三：定時灌溉系統是模塊二的功能拓展，融入中斷系統、定時器/計數器、液晶顯示等新知識，引導學生從不同角度分析、解決項目中的顯示問題，對比分析數碼管顯示和液晶顯示的不同點，并使用不同的創新方式實現相同的功能，提升項目質量。

模塊四：綜合設計階段。引導學生在前三個模塊的基礎上進行頭腦風暴、發散思維，尋找新的創新點，根據調研情況自行設計增加項目功能模塊，完善智能灌溉系統功能，精益求精，不斷突破，為推進農業灌溉系統建設和節約水資源打下基礎，為推進智慧農業發展作出貢獻。

1.2 師生問卷協同調研，多角度精準凝練學情，預判教學難點

單片機課程的前導課程有電工電子技術、信息技術、C 語言編程、傳感器與檢測技術。電工電子技術的學習為學生設計并制作硬件電路奠定良好基礎；信息技術是Keil、Proteus、STC-ISP 軟件操作的關鍵；C 語言編程是單片機程序控制的核心；傳感器與檢測技術是單片機與外部設備進行數據交換的橋梁。針對對應課程在單片機課程中的地位，制作課程分層問卷，邀請科任教師對學生學習情況進行評價。同時，在學習通制作問卷邀請學生進行自我學習情況評價，對學生整體與個體差異進行分析凝練。

緊扣課程標準，立足崗位需求，明確三維教學目標。對教學目標進行分級度量，確定教學重點；專業教師綜合學情及教學目標難度系數，預判教學難點。如圖1 所示為教學目標及重難點。

圖1 教學目標及重難點

1.3 依托網絡媒介，自制SPOC 教學視頻，探索基于CDIO-OBE 工程教育的翻轉課堂新模式

（1）自制SPOC 教學視頻，推進課程資源建設。打破傳統課堂以教師講授為主、學生實踐為輔的教學模式，根據學生的實際學習情況，自制新知講解、重點復習、難點答疑、仿真、實作演示等SPOC（小規模限制性在線課程）教學視頻，并在超星學習通平臺發布供學生自主學習，學生可以不受學時、教學空間等因素的限制，擴展課堂學習空間，學生可以隨時學隨地學。

（2）借助網絡媒介，營造良好的泛在學習氛圍，加快信息化教學進程。充分利用QQ 群、超星網等網絡媒介，為學生解答自主學習單片機的難題，學生可以隨時學隨地學的同時，還可以隨時問隨地問，且有教師在線進行“專問專答”，為學生營造輕松愉快的泛在學習氛圍，提升教學質量，促進網絡教學平臺的建設，加快信息化教學進程。

（3）以項目為載體、學生為主導，以“構思、設計、實現、運行”四步驟實施教學方案。在授課過程中，緊扣以學生為中心的CDIO 工程教學模式，根據實際工程項目從最開始的構思分析到設計軟硬件結合的項目流程，然后編寫控制程序及制作硬件電路分步實現各個流程環節，最后調試運行項目四個步驟探索適應本土的、以學生實踐為主和教師答疑為輔的CDIO-OBE 工程教育“翻轉課堂”模式[7-10]。

（4）開發“口袋實驗”設備，推廣虛擬仿真教學，探索先仿真后實作的開放實驗教學策略。單片機課程是理實一體化課程，傳統的實訓教學空間僅限于在實訓室內，以教師程序講解、實物演示操作為主，教師活動占據了大部分的實踐時間。為了在有限的學時內完成實訓，學生機械式照搬教師編寫的程序和操作過程，缺乏自主思考、設計、程序編寫等過程，學完以后“知其然不知所以然”的問題突出，難以達到通過實踐教學培養學生工程應用和創新能力的真正目的。

為克服傳統實訓教學的不足，課程組采用模塊化思想自主研究開發了便捷式的口袋實驗教學設備[11-12]。口袋實驗設備由各個項目所需的散件組成，學生在使用時需要熟悉每個項目的硬件電路的原理、單片機端口分配情況，以及與外部設備的連接關系。實物電路制作可以增強學生對元器件實物和原理的認識度，提高學生的實踐動手能力，培養排除故障、解決問題的應變能力，激發學生的創新思維。此外，口袋實驗室在開課學期由學生自主管理，學生可以不受時間、空間限制，隨時隨地驗證實驗，營造了“處處能學、實時可學、隨時可問”的開放實訓新環境。

為了避免學生在設計、搭接硬件電路時出現設計、連線等錯誤而導致設備器件損毀，引入了EDA 虛擬仿真實作。學生在進行實物制作前，需要在Proteus 仿真平臺下繪制電路原理圖，并下載控制程序進行仿真驗證。仿真可以讓學生清楚地掌握理論知識，減少實作過程中低級錯誤的發生率，減少實驗損耗，便于硬件電路的設計和優化。

（5）完善單片機課程教學體系，建立合理的全員、全過程、全方位教學質量評價機制。單片機課程采用過程性評價和總結性評價相結合的方式，過程性評價從知識、能力、素養三個方面進行評價，總結性評價針對學生的成果展示與匯報情況進行考評，著重考查學生作品的功能實現、方案設計、職業素養、特色創新等情況；教師、學生全程參與評價環節，全面客觀地評價學生的學習情況。

2 教學實施過程

2.1 整體教學實施過程

2.1.1 任務驅動，模塊化教學

以項目二為例，智能灌溉系統分為顯示濕度值、A/D 土壤濕度數據采集、按鍵設置濕度限值、水泵驅動灌溉四個模塊的內容，每個模塊4 學時，采用理實一體化教學方式。

2.1.2 虛實結合，強化重點突破難點

落實崗課賽證融通，根據人才培養方案和課程標準確定教學重點，基于學情分析，確定教學難點。在教學過程中，以信息化為教學手段，自制SPOC 教學視頻講解、演示操作仿真+實作過程，采用先仿真、后實作的實踐教學方法，突破重難點[13-14]。

2.1.3 總結提煉，現場匯報

學生分模塊完成智能灌溉系統的子任務，最后綜合完成各個模塊的設計，反思實施全過程，總結提煉實施過程中的困難及解決方法，現場進行分享匯報。

2.2 單元教學實施過程

2.2.1 課前自主探索

課前發布預習任務，學生觀看相關教學視頻、查閱對應芯片的datasheet 資料、設計仿真電路等，完成自學任務和自學知識測試，通過觀看教學視頻、資料查閱、設計仿真電路，提高學生自主學習能力，讓學生帶著問題學，讓學生意識到課程內容的重要性，促進理論和實踐教學。

2.2.2 課中強化技能

課中通過“導入-探究-演示-練習-總結”五環節強化技能，導入階段帶領學生回顧舊知識、導入新課；探究階段，通過探原理、究方法，開展課堂互動，內化新知識；演示階段，通過先仿真、后實作的步驟現場演示，提升學生的興趣；練習階段，學生自主動手仿真、實作演練，發現問題，現場解答，學生切身體驗實作全過程，掌握方法，突破難點；總結階段，分析學生遇到的問題，帶領學生復盤所學內容，強化認識。

2.2.3 課后拓展應用

教師發布課后拓展任務，學生接受任務并在QQ 群討論任務的難點，學生和教師一起為學生答疑解惑，為學生順利完成課后任務提供保障機制。

3 學生學習效果

3.1 優化教學組織，高效達成學習目標

借助超星學習通和QQ 群等網絡媒介，結合口袋實驗設備、虛擬仿真軟件，實現虛實一體的工程實踐教學模式，為學生營造泛在學習環境；通過實際工程項目分模塊化訓練，學生不僅能夠掌握每個模塊的基本原理、硬件構造、程序控制流程、實踐操作等，還能夠按照6S 標準規范實作過程，夯實崗位核心技能，學生參與率100%，學習目標有效達成。

3.2 整合教學資源，有效激發學習動機

實際工程項目驅動、SPOC 視頻等教學資源的支撐、不受時間和空間限制的現場+網絡答疑的輔助，有效提升了學生的學習興趣和積極性。鼓勵學生發散思維，積極創新，申報并完成以單片機為核心的相關課題。同時，鼓勵學生參加全國大學生電子設計大賽等相關比賽。

3.3 借助CDIO-OBE 工程教育模式，提升職業素養

以學生為中心，以實際工程項目為驅動，借助CDIO 工程認證的“翻轉課堂”教學模式，切實提升學生的職業素養。學生能夠以小組為單位構思項目框架、設計項目流程、仿真-實作搭接硬件電路、編寫控制程序、調試實現項目功能、匯報展示項目過程及結果。小組共創項目，發揮團隊精神和協調溝通作用；自主構思項目框架，不斷探索創新，優化項目。設計項目流程，樹立安全、規范意識，養成良好的6S 習慣；先仿真后實作搭接硬件電路，展示精益求精的工匠精神；編寫控制程序，養成嚴謹的編程風格；調試實現項目功能，發揮臨場應變能力；匯報展示項目過程及結果，總結提煉，展現風采。

4 反思改進措施

4.1 教學特色創新

4.1.1 德技并修，工學結合

多措并舉，充分挖掘課程思政元素，思政貫通，形成守規矩、懂方法、會應用的課程思政體系。以2023 年中央一號文件為指引，以樹立節水意識、服務鄉村振興為導向，以培養學生具有安全規范意識、創新思維、工匠精神為成果，從實踐中領悟真理，切實做到內化于心、外化于行。

4.1.2 探索虛實一體的開放實驗教學策略

通過自制SPOC 教學視頻儲備教學資源，將教學空間進行延伸，將“翻轉課堂”應用到單片機課程教學中，提高學生自主學習氛圍和教學品質。通過開發設計口袋實驗設備，增加EDA 虛擬仿真實驗，形成先仿真后實作的實訓模式，學生可以不受時間、空間限制，隨時隨地進行仿真和實作，營造了處處能動手、實時可運行的開放實訓新環境，從而提高學生自主思考、動手實踐、故障排查等能力。

4.1.3 重構教學內容，探索CDIO-OBE 工程教育模式

以學生為中心，以CDIO 工程教育模式為導向，以興趣為引導，以實際工程項目為任務，激發學生的學習熱情和學習愿望，潛移默化中提高學生的自主學習能力，并將學生自主學習、總結匯報等納入考核中，從而激發學生的課外學習熱情。

4.2 反思與改進

4.2.1 加強分層精準指導

現有的網絡教學平臺和評價機制雖然能夠幫助教師及時掌握學生的學習情況，但是沒有制定針對性的差異化學習機制，不能夠將學生的實時學習狀況進行動態精準分層管理。在今后教學過程中，建立動態分層考評機制，精準掌握學生的學習動態，并制定差異化學習機制。

4.2.2 同步分層優化課程資源

現有的教學資源雖然能夠滿足學生在課前、課中、課后進行學習，但是不能夠根據學生的知識掌握層次對接差異化的學習資源。今后將優化教學資源，制作差異化教學視頻，針對學生的個體差異和學業進展情況，推送學習資源，拓展學習項目。

5 結 語

實踐表明，以工程教學理念為中心、以學生為主體、以 “守規矩、懂方法、會應用”為教學目標的單片機課程體系，不僅能夠提升學生的創新思維和自主實踐能力，還能培養學生的工程應用能力，為國家培養具有工程思維的創新型技能人才打下基礎。