基于CDIO理念的項目驅動式教學法在“單片機原理與應用”課程中的應用

摘 要：“單片機原理與應用”課程融合了嵌入式系統技術、電子工程等多個學科領域的知識，要求學生不僅理解單片機的內部結構、指令系統及外圍設備的工作原理，還能將這些理論知識應用到實際的項目設計和開發中去。鑒于此，本文引入了CDIO新型工程教育理念，并且倡導在單片機課程教學中以學生為主體，以項目為驅動進行應用探索，讓學生在解決實際問題的過程中學習單片機技術。結果顯示，基于CDIO理念的項目驅動式教學法可以調動學生的學習積極性和主動性，提升學生的團隊協作精神和創新意識，這對夯實學生的理論基礎、鍛煉學生的工程實踐能力具有重要意義。

關鍵詞：CDIO理念；項目驅動式教學；單片機原理與應用

目前，單片機已經在儀器儀表、工業控制以及各類自動化生產線的控制單元等領域得到了廣泛應用。隨著現代電子技術水平的提升和產業結構的升級轉型，企業對具備單片機技術應用能力的專業人才需求呈現出持續增長的趨勢。在理工科學校中，“單片機原理及應用”課程是電子、機械和測控等專業的必修課之一。為了滿足企業對人才的要求，在教學方面應該進行優化改革，旨在幫助學生提高實踐能力，培養團隊協作意識。因此，本文提出了基于CDIO理念的項目驅動式教學法，并對這種教學方法在該課程中的應用進行了具體討論。

一、CDIO理念概述

CDIO作為高等工程教育的創新，在麻省理工學院（MIT）、瑞典皇家工學院、阿姆斯特丹大學以及瑞士洛桑聯邦理工學院等世界知名大學共同研發并推廣。在CDIO理念下，學生的學習不再拘泥于單一的傳統的授課方式，而是通過模擬產品從構思、設計到實施、運行的全生命周期活動，實現理論與實踐的融合。在做中學，采用項目驅動式教學方法，CDIO理念鼓勵學生在實踐中學習，在解決實際問題的過程中鍛煉動手能力，重點在于將學生培養成為掌握專業技能，且具備團隊協作與創新能力的國際化工程師。國內外眾多高校的應用實例均表明，CDIO工程教育理念對提升工科學生的綜合素質、推動工程教育改革具有先進性和可行性，適用于課程設計、課堂教學、實習實訓等多個環節，可以促進我國工程教育質量的整體提升。

二、傳統教學方法與基于CDIO理念的項目驅動式教學法比較

“單片機原理與應用”教學實踐中，通常采用理論與實驗相分離的傳統教學模式。理論課上，教師系統地向學生講授單片機的基本原理、內部結構、功能模塊以及編程方法等理論知識。在實驗課上，學生雖然有機會接觸實際的硬件設備，但由于是在理論學習結束后才進入實驗環節，再加上實驗課程的課時比例有限，許多學生在完成實驗任務的過程中，無法脫離實驗指導書，不能通過獨立思考和分析來解決問題。Proteus等仿真軟件的出現及應用，進一步減少了學生實際動手搭建和調試硬件的機會。這種“學做分離”的現象使得課程理論與實踐操作嚴重脫節，不利于培養學生的動手能力和創新能力。

三、基于CDIO理念的項目驅動式教學法在“單片機原理與應用”中的應用

（一）加強課程教學與工程項目的聯系

科學的理論知識與實踐之間存在相互關系，理論知識是對實踐經驗的總結和提煉，而實踐又離不開理論的指導，理論為實踐提供方向和目標。現階段，我國高等院校的學生理論知識水平普遍較高，但在工程實踐方面存在明顯的短板。為了解決這一問題，高等院校應該建立和完善教學實踐體系，使實踐教學與理論教學并重。為此，高等院校可以引入項目驅動式教學法，在CDIO理念的支持下引導學生參與工程項目。

“單片機原理與應用”課程旨在使學生掌握單片機的內部組成結構、工作原理及其指令系統，并能將這些理論知識應用于實踐，培養他們獨立設計、研發單片機應用系統的能力。在基礎知識教學中，為了增強學生對單片機知識的直觀認識和興趣，可以采用多種教學形式或手段進行講解。例如通過繪制單片機內部結構示意圖，幫助學生理解單片機的組成和工作原理；模擬單片機指令執行的過程，讓學生直觀地感受指令如何控制硬件設備；引入在線仿真平臺、實際案例分析等元素，引導學生進行探究式學習。

（二）從根本入手，設計適用性強的項目

1.從根本入手

在授課過程中，為每位學生配備一塊單片機實驗板，使學生通過實物練習，加強對具體知識點的記憶。從基本入手，圍繞“流水燈”的制作展開教學，在教學過程中，以任務驅動學生自主探索相關知識，結合對任務要求的分析查找資料，提出項目方案框架。在“流水燈”教學中，教師先向學生介紹具體制作方法，學生可以根據教師的講解，以及對相關資料的整理，形成最終的項目方案，并進行成果展示。在“流水燈”制作過程中，不僅可以增加學生對理論知識的理解，還有助于提升學生的主動性。

2.進行項目設計

通過對多年在小型項目工作中所獲得的實踐經驗進行分析，獨立完成大型、實用性強的項目。以學校為單位舉辦電子競技比賽，以提高學生的競爭意識為目的。在項目計劃執行中，每個小組由三個人組成，并從中選出小組領導者，對成員進行分工和協作，使學生能夠在這個項目設計中認識到團隊協作的重要性，并學習如何與團隊成員溝通協作，掌握團隊競爭的精髓。在方案演示環節，要求各組準備PPT演示材料，并隨機選擇部分學生上臺做示范，組長與組員在一旁輔助。展示結束后，其他小組成員提出問題，由演示組成員解答問題。隨著方案演示結束，由評委和學生們一起投票，選出最佳演示團隊，選擇標準需要根據小組日常表現進行評分。

3.綜合項目舉例

通過一段時間的學習與實踐操作，可以進行一些綜合性的課題，如“智能小車”。該課題的要求是：利用聲音識別技術來控制小車的啟動；通過對前方和斜前方的環境信息的檢測，確定有無障礙物；通過對障礙物的探測，確定行進的方向；記下每一次碰到的障礙，并進行匯總最終展示總數；在收到具體的語音命令之后，能夠遵循指示停止運動。

項目在具體實踐過程中，可以分解為多個子項目進行。

（1）聲控：通過電路、程序設計知識，實現聲控項目；

（2）障礙物檢測與方位判定：通過運用電路、檢測方法、程序設計等知識點，實現障礙物檢測與方位判定項目；

（3）起停控制與速度控制：通過運用驅動電路部分知識，完成控制方法和程序設計，最終實現對物體的起停控制與速度控制項目；

（4）障礙物記錄與顯示：通過顯示電路技術，配合技術方法與程序設計，實現對障礙物數量的記錄及最終顯示項目；

（5）外部光線強度檢測：通過運用與模數轉換器接口等知識點，實現外部光線強度檢測項目；

（6）Keil uVision2集成開發環境（IDE）、P89V51RD2內嵌在電路仿真（ICE）工具、P89V51RD2在系統編程（ISP）技術的應用。

在上述各子項目中涉及的知識主要包含傳感器、基本電子實踐技術、電機控制等。在進行項目實踐的基礎上，可以引導學生提出一種新的實踐思路，幫助學生鞏固所學知識。以小車避障項目為例，該實踐是利用了很多單片機指令系統中的常用指令，同時也包括匯編程序設計、各種通用程序結構、中斷與定時計數等課程教學的重點，其中省略了一些沒有太大實用價值的存儲器擴展等內容，加入了KeiluVision2集成開發環境（IDE）、內嵌于電路模擬（ICE）工具P89V51RD2，以及P89V51RD2用于ISP技術和PWM直接輸出技術。

（三）改革考核方式，提高評價效能

傳統試卷考試的形式無法滿足現代教育對學生綜合素質培養的需求。在傳統的考核方式中，學生的成績一般是由平時成績與卷面成績兩部分組成，這種考核方式雖然能夠反映學生對基礎知識的掌握程度，但忽視了對他們實踐能力和創新能力的培養，容易導致學生在學習過程中將重心放在以筆試為主的考試上，不利于學生鍛煉問題解決能力。

應用基于CDIO理念的項目驅動式教學法，學生不僅要掌握專業理論知識，而且要具備將理論知識轉化為實際操作和解決問題的能力。為了保證該教學方法的實施效果和評價公正性，可以根據教學內容的不同，采用多種方式評價學生的表現。在“單片機原理與應用”課程的教學實踐中，可以將考核分為兩個部分：專業基礎知識的筆試考核和實踐應用能力的項目考核。針對學生在專業基礎知識方面的掌握情況，采用傳統的筆試形式進行檢驗，如閉卷考試、開卷考試或者半開卷考試等，采用標準化試題檢測學生對單片機理論內容的理解和記憶程度。針對學生的工程實踐能力以及綜合運用知識能力的評價，側重于他們在面對實際問題時如何運用所學的單片機技術知識進行解決的能力，因此可以采用項目考核方式。例如，教師可以為學生設定難度適中的項目，分析學生在項目需求分析、硬件設計、軟件編程到系統調試等環節的表現，并結合項目完成后的報告進行綜合評價。結合上述分析匯總考核方式改革結構，如下表所示。

綜合運用多種評價方式可以更全面地反映學生的綜合素質，避免單一評價方式的弊端，有利于提高評價結果的可信度和公平度，使學生兼顧專業知識與實踐動手能力，對于提高學生的綜合素質具有重要意義。

四、基于CDIO理念的項目驅動式教學法在“單片機原理與應用”中的應用案例

基于之前學習的電路原理、C語言等課程知識的積累，教師通過兩兩分組，由兩名學生合作完成51系列單片機開發板散件的焊接。開發板包含外圍電路和基本輸入/輸出等，如圖1所示。在焊接過程中，學生要按照電路圖和焊接規范進行操作。通過親手焊接，學生可以加深對硬件電路的組成及其原理的理解，明確各個組件的功能以及連接關系。這種直觀的感受和體驗，還可以使學生對單片機產生濃厚的興趣。

在I/O口的操作教學中，教師以常見的生活場景為切入點，展示如何運用所學技術解決實際問題。例如，為了提升顧客在超市內的購物體驗，決定設計并實現一款安裝在超市入口處的智能提示系統，監測顧客的進出情況。當有顧客進入超市時，系統將自動觸發提示音，提醒工作人員進行相應的服務操作。在教學過程中，教師可以為學生提供傳感器、蜂鳴器等設備信息，并將學生進行分組，討論可行方案。

項目設計中，會涉及的知識點有I/O口的操作。該部分知識點主要是強調如何通過編程，讀取指定輸入端口的信號狀態，并就如何在輸出端口設置信號值進行分析。除了基本的I/O口操作外，還涉及輸入/輸出設備的接線方式、通信方式等內容。鑒于學生已經學習了C語言編程基礎，在教學過程中，教師可以利用匯編語言程序實例，加深學生對單片機硬件的實質性理解。在學生對底層硬件有了基本認識后，引導他們使用C語言進行程序編寫和改動。

如圖2所示，在最終搭建完成后，左上角避障傳感器能夠探測出制定范圍的物體情況；右下角的蜂鳴器，可以根據單片機的控制指令發出各種頻率和音調的聲音信號。學生完成單片機系統的設計、編程、調試等系列工作后，要將樣機安裝在相對應的場景位置中，進一步檢驗設備在實際環境中的運行效果，并根據實際運行結果對設備進行優化改進。除了這一項目，學生還可以利用相同的原理設計其他設備，如廁所沖水裝置、倒車雷達等。指導教師可以根據教學需要，增加更多的實訓項目，幫助學生提前適應項目實踐工作。

結語

綜上所述，本文主要分析了基于CDIO理念的項目驅動式教學法在“單片機原理與應用”中的應用實踐。與傳統教學法相比，項目驅動式教學法在教育內容、教學方法以及成績考核等方面都進行了優化。這種方法要求學生在教師的指導下，通過自主學習和合作學習，自主制訂項目計劃、分配資源、協調團隊成員的工作，并在項目實施過程中不斷調整和優化方案。雖然在這種教學方法中，教師不是教學的主導者，但是需要把握項目的整體方向和目標，保證項目的可行性和有效性，監督項目進展，解決學生在項目中遇到的問題和困難，這些問題需要教師根據實際情況進行具體的分析和處理。教師應該根據課程特點和學生實際情況合理運用這種教學法，使學生在實踐中學習和成長。

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項目：本文系2023年南通理工學院課堂教學改革項目，項目名稱：基于項目驅動的《單片機原理與應用》課堂教學改革（項目編號：2023JKT014）

*通信作者：陸衛衛（1989— ），男，漢族，江蘇南通人，碩士研究生，講師，研究方向：機電一體化。

作者簡介：陳云（1988— ），女，漢族，江蘇南通人，碩士研究生，講師，研究方向：機電控制及一體化；成亞云（1990— ），女，漢族，江蘇南通人，碩士研究生，講師，研究方向：機電控制及一體化。