CDIO模式下“單片機原理及應用”課程教學改革對策探析

摘 要 為滿足國家應用型人才培養需求，高等院校必須積極推進教育教學改革，以學生為本，科學設計課程教學模式。CDIO模式在工程教育中已取得廣泛認可，是讓學生在“學中做，做中學”，使其具備從概念到設計再到實現和運作的全方位能力。單片機原理及應用課程具有較強的實踐性，如何契合CDIO模式的教學特點優化教學設計，是當前單片機原理及應用課程設計的熱點課題。文章提出可從教學內容設置和教學方法創新兩個方面進行教學實施，以培養學生的工程實踐能力、創新能力和團隊合作精神，使其適應未來工程領域的發展需求。

關鍵詞 CDIO；單片機原理及應用；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/UM34ed9Lm5ssJRPoJtAWJg==j.cnki.kjdk.2024.26.040

Exploration of Teaching Reform Strategies for the Course "Principles and

Applications of Single Chip Microcontrollers" in CDIO Mode

ZHOU Wei， SHANG Guanyu

（Zhengzhou SIAS University， Xinzheng， Henan 451150）

Abstract To meet the demand for cultivating applied talents in the country， higher education institutions must actively promote educational and teaching reforms， put students first， and scientifically design curriculum and teaching models. The CDIO model has been widely recognized in engineering education， which enables students to "do in learning， learn by doing" and equip them with comprehensive abilities from concept to design， implementation and operation. The course of Principles and Applications of Microcontrollers has strong practicality， and how to optimize teaching design in line with the teaching characteristics of CDIO mode is a hot topic in the current course design of Principles and Applications of Microcontrollers. The article proposes that teaching implementation can be carried out from two aspects： the setting of teaching content and the innovation of teaching methods， in order to cultivate students' engineering practice ability， innovation ability， and teamwork spirit， and make them adapt to the development needs of the future engineering field.

Keywords CDIO; Principles and Applications of Single Chip Microcontrollers; teaching reform

在當今快速發展的科技社會中，單片機技術作為嵌入式系統的核心組成部分，以其強大的功能和靈活的應用性，在各行各業中發揮著不可替代的作用。人工智能時代，單片機技術的應用領域正在不斷拓展，這對掌握單片機原理及應用的工程人才提出了更高的要求。高校要重視“單片機原理及應用”課程教學改革，并針對當前課程教學中存在的問題，充分運用CDIO模式優化教學各個環節，以滿足新時代對應用型專業人才培養的需求。

1 CDIO模式的內涵

CDIO模式的核心理念是以“Conceive， Design， Implement， Operate”（構思、設計、實現、運作）為基礎，培養學生的工程實踐能力、創新精神和團隊合作精神[1]。這一模式是為了應對傳統工程教育中理論與實踐脫節、學生創新能力不足等問題，通過深化教學改革，使學生更好地適應現代工程領域的需求。

在構思階段，學生要能夠識別并理解現實生活中的問題，并通過科學方法進行分析和解決，不僅需要學生具備扎實的理論基礎，還需要具備跨學科的綜合能力和創新思維。因此，構思階段的教學目標是激發學生的求知欲望和創造力，培養其對問題的洞察力和解決問題的能力。

在設計階段，教師的主要任務是讓學生學會從概念到設計的轉化。在這個階段，學生需要能夠將問題抽象化，提出可行的解決方案，并對方案進行詳細的規劃和設計。其教學目標是培養學生的系統思維和工程設計能力，讓他們能夠熟練運用專業知識和工具，解決復雜的工程問題。

在實現階段，學生需要熟練運用所學的理論知識和技術手段進行系統開發和實現。教師在教學過程中培養學生的實踐能力和團隊合作精神，并在實際工程項目中發揮自己的作用，完成既定的任務。

在運作階段，學生應學會如何管理和運營已經實現的產品或系統，同時進行系統測試、優化和維護，確保產品或系統能夠正常運行。其教學目標是培養學生的綜合素質和創新精神，在工程實踐中不斷提升自己，適應不斷變化的市場需求和技術發展。

2 “單片機原理及應用”課程教學存在的問題

2.1 教學內容相對單一

單片機技術作為一種應用性強的技術，理論與實踐的結合尤為重要。一些高校的單片機實驗設計缺乏與實際工程項目相關的內容，無法滿足學生實踐能力和創新意識的培養需求。當前的單片機課程以驗證性實驗為主，通常按照固有的實驗模式進行，僅需按部就班地完成實驗并獲取預期的結果，學生缺乏主動思考和探索的機會，且實驗內容往往局限于簡單的電路連接和程序編寫，無法充分鍛煉學生的綜合能力和創新意識，不利于進一步鍛煉學生單片機系統設計、開發等方面的能力。

2.2 教學形式缺乏創新

在傳統教學模式中，教師通過講授知識來傳授相關內容，而學生以被動接受為主，缺乏積極參與和主動思考的機會，容易導致學生產生學習疲勞和興趣喪失，影響學習效果和教學質量。在單片機課程教學中，部分教師主要圍繞傳統的硬件接口和匯編語言編程展開，忽視新型電氣控制元件的應用，學生學習的知識與實際工程應用需求之間存在較大差距[2]。且教師選用的案例相對單一，缺乏與工程實踐相關的內容，學生在學習過程中無法將理論知識與實際應用相結合，缺乏對工程項目的深入理解和把握。另外，還有一些教師偏重于匯編和C語言編程指令的講解，對自動化控制問題講解不深，限制了學生對控制理論的深入理解和應用。

3 CDIO模式下“單片機原理及應用”課程教學改革路徑

3.1 明確教學目標，優化教學內容

3.1.1 結合課程的，完善課程教學目標

單片機原理及應用包括硬件電路原理、編程技術、系統設計等方面的內容。教師在完善教學目標時，應該圍繞這些學科特點展開[3]。首先，學生需要掌握單片機的基本原理，包括單片機的結構、工作原理、指令集等方面的內容。其次，學生需要掌握相關的編程技術，包括匯編語言、C語言等方面的知識，能夠編寫簡單的程序并理解程序的運行原理。最后，學生還需要具備單片機系統設計和應用能力，能夠根據具體的工程需求設計并實現相應的單片機系統。在此過程中，還需要考慮學生的學習需求，培養學生的實踐能力、創新思維和解決問題的能力，使他們能夠在工程實踐中勝任各種任務和挑戰。

3.1.2 與學生能力相對接，完善課程內容設置

在設計課程內容時，教師需要對學生的背景知識和技能進行深入調研和分析，以確保教學內容符合他們的學習需求和能力水平。一是了解學生在單片機領域的基礎知識水平，如他們在電子學、計算機科學等相關領域的學習情況，對學生的基礎知識水平進行調查，更好地把握教學內容的難度和深度，確保其與學生的實際情況相適應。二是根據學生的學習需求和興趣，合理安排課程內容。課程內容應劃分為不同的模塊或單元，每個模塊都應該圍繞一個特定的主題展開，并設定相應的學習目標和評價標準，幫助學生深入理解課程內容的結構和組織，同時也能幫助教師監控學生的學習進度和表現，及時調整教6a2bdcbb80adc74db2f7da80a30edc93aec4cafc248d6829951c0d24e1020b65學策略和方法。三是注重對學生實踐能力和應用能力的培養。除了傳授理論知識，課程還應該注重實踐操作和項目實踐，讓學生通過實際的項目設計和開發活動來鞏固所學知識，并培養他們解決問題和創新思維的能力[4]。

在運用CDIO模式過程中，需要精心設計課程內容，可將其分為兩個階段。在“教師引導性項目學習階段”，教師需設定具體的工程項目任務，引導學生逐步學習和掌握相關知識和技能，幫助學生建立起單片機系統知識的基礎，并通過實際項目的設計、實施和運行過程，深入理解工程項目的全過程[5]。在“學生自主式項目實施階段”，學生已經具備了一定的單片機系統知識和操作技能，讓學生自主選擇并實施工程項目，為學生提供必要的資源和幫助，并監督和評估學生的項目實施情況。為滿足單片機原理及應用課程教學要求，教師可以選擇與現實生活相關的實際案例，以“智能家居系統”為例，智能家居系統涉及的應用領域廣泛，并且所運用的知識涵蓋單片機原理及應用課程基礎與實踐的教學內容，通過對系統的設計、搭建和調試，讓學生全面了解單片機的應用原理和工程實踐過程。在項目實施過程中，學生需要學習并應用單片機的編程知識、電路設計知識和傳感器應用知識進行系統的硬件和軟件設計，以及系統的調試和優化，從而全面提升他們的實踐能力和創新能力。

3.2 結合CDIO模式，優化教學設計

3.2.1 構思階段

在這個階段，教師和學生共同探討和制定項目的開發方案，可將學生分組進行項目教學，在教師幫助下完成項目構思，確保項目的設計與實施符合課程的教學目標和學習要求。對此，教師需要根據學生的學習能力和實際水平，合理設定項目的難度和挑戰度，以激發學生的學習興趣和動力。同時，教師要幫助學生分析項目的需求，明確項目的功能、特性、基本框架和核心功能，引導學生學習如何從用戶需求和實際應用出發，設計出符合實際情況的解決方案，合理分配項目所需的人力、物力和時間資源，確保項目能夠順利進行和完成。最終，引導學生制定項目的開發方案，包括項目的整體架構、功能模塊劃分、實施計劃和評估標準等，教師可通過項目評審等方式，對項目開發方案進行評審和審查，確保方案的科學性和可行性，并根據評審結果進行適當調整和優化。

3.2.2 設計階段

在設計階段，學生需要對所涉及的理論知識進行全面系統的學習和理解，如單片機系統的基本原理、硬件組成、編程技術等方面的知識，并利用所學的知識，借助于先進的軟件工具進行項目設計。例如，Proteus和Keil C軟件是項目設計的重要工具。Proteus用于進行硬件電路的設計與仿真，而Keil C則用于編寫單片機的軟件程序。在設計過程中，學生需要將項目的需求轉化為具體的設計方案，如電路圖的繪制、軟件代碼的編寫等，在這一過程中，學生要學會將理論知識轉化為實際的設計方案，并掌握使用軟件工具進行項目設計的技能。隨后，學生要對設計方案進行調試和優化，模擬項目的運行情況，發現并解決潛在的問題，確保設計方案的可行性和有效性。在此過程中，學生根據項目的實際情況進行設計方案的修改和完善，通過與組內成員和教師的交流和討論，進一步改進設計方案，使其更加符合項目的需求和要求。此外，學生可以通過網絡教學平臺進行自主學習，觀看在線課程、教學視頻、電子課件等學習資料，解決其中的難點問題。通過網絡教學平臺的支持，學生能夠更加便捷地獲取知識，加強與教師和同學的互動交流，提高學習的效率和質量。

3.2.3 實現階段

在開始之前，項目小組要根據在構思和設計階段形成的項目開發方案，采用Proteus + Keil C等軟件工具進行項目設計。在軟件設計過程中，學生需要編寫相應的代碼，實現項目所需的各種功能，并將設計好的電路圖轉化為實際的硬件電路，這一過程涉及焊接過程或PCB板的制作，學生需要按照設計圖紙和電路原理圖，逐步完成電路的組裝和連接。

在實現階段，學生要完成硬件調試和軟件燒錄兩個關鍵任務。首先，他們要對所制作的硬件電路進行調試，利用電子測試儀器和調試工具，逐步排查可能存在的問題，并解決這些問題，以確保電路按照設計要求正常工作，需要學生具備良好的問題分析和解決能力，以及熟練的操作技能。其次，學生將使用Keil C軟件中生成的HEX文件將軟件燒錄到單片機芯片中，進行項目軟件與硬件聯合調試，確保整個系統能夠正常工作。在此過程中，學生需要仔細檢查每一個功能模塊，確保其性能和功能都符合預期。實現階段是單片機原理及應用課程中至關重要的一環，它不僅是將理論知識轉化為實際項目成果的關鍵，也是提高學生提高工程實踐能力和問題解決能力的重要環節。

4 結語

在當前社會背景下，科技創新已成為國家發展的重要動力，工程人才的培養尤為重要。因此，推進工程教育的改革和創新，培養具有國際競爭力的高素質工程人才，已成為當務之急。CDIO模式作為一種以學生為中心、注重實踐和創新能力培養的教學模式，為工程教育的改革和創新提供了新的思路和方法。在單片機原理及應用課程教學改革中，借鑒并實踐CDIO模式，可以提升學生的綜合素質，增強其工程實踐能力，培養創新精神和團隊合作意識，從而更好地適應未來工程技術發展的需要。

基金項目：鄭州西亞斯學院應用型本科高校建設專項課題“應用型課程教學模式改革的研究與實踐”（2022YYXZX10）；河南省教育廳河南省本科高校2023年度產教融合研究項目“產教融合視域下的人工智能專業集群教學育人模式創新研究與實踐（重點項目）”（20240110）。

參考文獻

[1] 申彩英，張麗萍，劉立東，等.單片機原理及應用課程教學改革研究[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2024，26（1）：99-101.

[2] 李麗娜，徐攀峰，高哲，等.賽教融合背景下的單片機原理與應用課程教學改革與實踐[J].遼寧科技學院學報，2024，26（1）：61-63，69.

[3] 徐明.基于“思政+”的混合教學模式探索與實施——以“單片機原理及應用”課程為例[J].太原城市職業技術學院學報，2023（7）：98-101.

[4] 曹一鵬，吳昊，毛艷娥.OBE-CDIO理念下“單片微型計算機原理及應用”課程教學探索與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2023（7）：74-77.

[5] 徐笑娟，羅進，郎佳紅，等.單片機原理及應用課程目標達成度分析及教學改革探索[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2022，39（6）：76-79.