基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中的應(yīng)用

摘 要：“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程融合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、電子工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，要求學(xué)生不僅理解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及外圍設(shè)備的工作原理，還能將這些理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)中去。鑒于此，本文引入了CDIO新型工程教育理念，并且倡導(dǎo)在單片機(jī)課程教學(xué)中以學(xué)生為主體，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行應(yīng)用探索，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)。結(jié)果顯示，基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新意識(shí)，這對(duì)夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)、鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：CDIO理念；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)；單片機(jī)原理與應(yīng)用

目前，單片機(jī)已經(jīng)在儀器儀表、工業(yè)控制以及各類自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制單元等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)水平的提升和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，企業(yè)對(duì)具備單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力的專業(yè)人才需求呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢(shì)。在理工科學(xué)校中，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程是電子、機(jī)械和測(cè)控等專業(yè)的必修課之一。為了滿足企業(yè)對(duì)人才的要求，在教學(xué)方面應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化改革，旨在幫助學(xué)生提高實(shí)踐能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。因此，本文提出了基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，并對(duì)這種教學(xué)方法在該課程中的應(yīng)用進(jìn)行了具體討論。

一、CDIO理念概述

CDIO作為高等工程教育的創(chuàng)新，在麻省理工學(xué)院（MIT）、瑞典皇家工學(xué)院、阿姆斯特丹大學(xué)以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等世界知名大學(xué)共同研發(fā)并推廣。在CDIO理念下，學(xué)生的學(xué)習(xí)不再拘泥于單一的傳統(tǒng)的授課方式，而是通過模擬產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)到實(shí)施、運(yùn)行的全生命周期活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合。在做中學(xué)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法，CDIO理念鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在解決實(shí)際問題的過程中鍛煉動(dòng)手能力，重點(diǎn)在于將學(xué)生培養(yǎng)成為掌握專業(yè)技能，且具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新能力的國際化工程師。國內(nèi)外眾多高校的應(yīng)用實(shí)例均表明，CDIO工程教育理念對(duì)提升工科學(xué)生的綜合素質(zhì)、推動(dòng)工程教育改革具有先進(jìn)性和可行性，適用于課程設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，可以促進(jìn)我國工程教育質(zhì)量的整體提升。

二、傳統(tǒng)教學(xué)方法與基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法比較

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”教學(xué)實(shí)踐中，通常采用理論與實(shí)驗(yàn)相分離的傳統(tǒng)教學(xué)模式。理論課上，教師系統(tǒng)地向?qū)W生講授單片機(jī)的基本原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能模塊以及編程方法等理論知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生雖然有機(jī)會(huì)接觸實(shí)際的硬件設(shè)備，但由于是在理論學(xué)習(xí)結(jié)束后才進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，再加上實(shí)驗(yàn)課程的課時(shí)比例有限，許多學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過程中，無法脫離實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，不能通過獨(dú)立思考和分析來解決問題。Proteus等仿真軟件的出現(xiàn)及應(yīng)用，進(jìn)一步減少了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手搭建和調(diào)試硬件的機(jī)會(huì)。這種“學(xué)做分離”的現(xiàn)象使得課程理論與實(shí)踐操作嚴(yán)重脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

三、基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”中的應(yīng)用

（一）加強(qiáng)課程教學(xué)與工程項(xiàng)目的聯(lián)系

科學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐之間存在相互關(guān)系，理論知識(shí)是對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和提煉，而實(shí)踐又離不開理論的指導(dǎo)，理論為實(shí)踐提供方向和目標(biāo)。現(xiàn)階段，我國高等院校的學(xué)生理論知識(shí)水平普遍較高，但在工程實(shí)踐方面存在明顯的短板。為了解決這一問題，高等院校應(yīng)該建立和完善教學(xué)實(shí)踐體系，使實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)并重。為此，高等院校可以引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，在CDIO理念的支持下引導(dǎo)學(xué)生參與工程項(xiàng)目。

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程旨在使學(xué)生掌握單片機(jī)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、工作原理及其指令系統(tǒng)，并能將這些理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)他們獨(dú)立設(shè)計(jì)、研發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。在基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)中，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)知識(shí)的直觀認(rèn)識(shí)和興趣，可以采用多種教學(xué)形式或手段進(jìn)行講解。例如通過繪制單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，幫助學(xué)生理解單片機(jī)的組成和工作原理；模擬單片機(jī)指令執(zhí)行的過程，讓學(xué)生直觀地感受指令如何控制硬件設(shè)備；引入在線仿真平臺(tái)、實(shí)際案例分析等元素，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。

（二）從根本入手，設(shè)計(jì)適用性強(qiáng)的項(xiàng)目

1.從根本入手

在授課過程中，為每位學(xué)生配備一塊單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，使學(xué)生通過實(shí)物練習(xí)，加強(qiáng)對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的記憶。從基本入手，圍繞“流水燈”的制作展開教學(xué)，在教學(xué)過程中，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主探索相關(guān)知識(shí)，結(jié)合對(duì)任務(wù)要求的分析查找資料，提出項(xiàng)目方案框架。在“流水燈”教學(xué)中，教師先向?qū)W生介紹具體制作方法，學(xué)生可以根據(jù)教師的講解，以及對(duì)相關(guān)資料的整理，形成最終的項(xiàng)目方案，并進(jìn)行成果展示。在“流水燈”制作過程中，不僅可以增加學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還有助于提升學(xué)生的主動(dòng)性。

2.進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)

通過對(duì)多年在小型項(xiàng)目工作中所獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，獨(dú)立完成大型、實(shí)用性強(qiáng)的項(xiàng)目。以學(xué)校為單位舉辦電子競(jìng)技比賽，以提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)為目的。在項(xiàng)目計(jì)劃執(zhí)行中，每個(gè)小組由三個(gè)人組成，并從中選出小組領(lǐng)導(dǎo)者，對(duì)成員進(jìn)行分工和協(xié)作，使學(xué)生能夠在這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，并學(xué)習(xí)如何與團(tuán)隊(duì)成員溝通協(xié)作，掌握?qǐng)F(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)的精髓。在方案演示環(huán)節(jié)，要求各組準(zhǔn)備PPT演示材料，并隨機(jī)選擇部分學(xué)生上臺(tái)做示范，組長與組員在一旁輔助。展示結(jié)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(jié)束，由評(píng)委和學(xué)生們一起投票，選出最佳演示團(tuán)隊(duì)，選擇標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)小組日常表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。

3.綜合項(xiàng)目舉例

通過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作，可以進(jìn)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(shí)別技術(shù)來控制小車的啟動(dòng)；通過對(duì)前方和斜前方的環(huán)境信息的檢測(cè)，確定有無障礙物；通過對(duì)障礙物的探測(cè)，確定行進(jìn)的方向；記下每一次碰到的障礙，并進(jìn)行匯總最終展示總數(shù)；在收到具體的語音命令之后，能夠遵循指示停止運(yùn)動(dòng)。

項(xiàng)目在具體實(shí)踐過程中，可以分解為多個(gè)子項(xiàng)目進(jìn)行。

（1）聲控：通過電路、程序設(shè)計(jì)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)聲控項(xiàng)目；

（2）障礙物檢測(cè)與方位判定：通過運(yùn)用電路、檢測(cè)方法、程序設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)與方位判定項(xiàng)目；

（3）起停控制與速度控制：通過運(yùn)用驅(qū)動(dòng)電路部分知識(shí)，完成控制方法和程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的起停控制與速度控制項(xiàng)目；

（4）障礙物記錄與顯示：通過顯示電路技術(shù)，配合技術(shù)方法與程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物數(shù)量的記錄及最終顯示項(xiàng)目；

（5）外部光線強(qiáng)度檢測(cè)：通過運(yùn)用與模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口等知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外部光線強(qiáng)度檢測(cè)項(xiàng)目；

（6）Keil uVision2集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、P89V51RD2內(nèi)嵌在電路仿真（ICE）工具、P89V51RD2在系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)的應(yīng)用。

在上述各子項(xiàng)目中涉及的知識(shí)主要包含傳感器、基本電子實(shí)踐技術(shù)、電機(jī)控制等。在進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐的基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)生提出一種新的實(shí)踐思路，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。以小車避障項(xiàng)目為例，該實(shí)踐是利用了很多單片機(jī)指令系統(tǒng)中的常用指令，同時(shí)也包括匯編程序設(shè)計(jì)、各種通用程序結(jié)構(gòu)、中斷與定時(shí)計(jì)數(shù)等課程教學(xué)的重點(diǎn)，其中省略了一些沒有太大實(shí)用價(jià)值的存儲(chǔ)器擴(kuò)展等內(nèi)容，加入了KeiluVision2集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、內(nèi)嵌于電路模擬（ICE）工具P89V51RD2，以及P89V51RD2用于ISP技術(shù)和PWM直接輸出技術(shù)。

（三）改革考核方式，提高評(píng)價(jià)效能

傳統(tǒng)試卷考試的形式無法滿足現(xiàn)代教育對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的需求。在傳統(tǒng)的考核方式中，學(xué)生的成績(jī)一般是由平時(shí)成績(jī)與卷面成績(jī)兩部分組成，這種考核方式雖然能夠反映學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，但忽視了對(duì)他們實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將重心放在以筆試為主的考試上，不利于學(xué)生鍛煉問題解決能力。

應(yīng)用基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，學(xué)生不僅要掌握專業(yè)理論知識(shí)，而且要具備將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作和解決問題的能力。為了保證該教學(xué)方法的實(shí)施效果和評(píng)價(jià)公正性，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同，采用多種方式評(píng)價(jià)學(xué)生的表現(xiàn)。在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)實(shí)踐中，可以將考核分為兩個(gè)部分：專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的筆試考核和實(shí)踐應(yīng)用能力的項(xiàng)目考核。針對(duì)學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)方面的掌握情況，采用傳統(tǒng)的筆試形式進(jìn)行檢驗(yàn)，如閉卷考試、開卷考試或者半開卷考試等，采用標(biāo)準(zhǔn)化試題檢測(cè)學(xué)生對(duì)單片機(jī)理論內(nèi)容的理解和記憶程度。針對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)能力的評(píng)價(jià)，側(cè)重于他們?cè)诿鎸?duì)實(shí)際問題時(shí)如何運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)知識(shí)進(jìn)行解決的能力，因此可以采用項(xiàng)目考核方式。例如，教師可以為學(xué)生設(shè)定難度適中的項(xiàng)目，分析學(xué)生在項(xiàng)目需求分析、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程到系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，并結(jié)合項(xiàng)目完成后的報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)合上述分析匯總考核方式改革結(jié)構(gòu)，如下表所示。

綜合運(yùn)用多種評(píng)價(jià)方式可以更全面地反映學(xué)生的綜合素質(zhì)，避免單一評(píng)價(jià)方式的弊端，有利于提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度和公平度，使學(xué)生兼顧專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手能力，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)具有重要意義。

四、基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”中的應(yīng)用案例

基于之前學(xué)習(xí)的電路原理、C語言等課程知識(shí)的積累，教師通過兩兩分組，由兩名學(xué)生合作完成51系列單片機(jī)開發(fā)板散件的焊接。開發(fā)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(xué)生要按照電路圖和焊接規(guī)范進(jìn)行操作。通過親手焊接，學(xué)生可以加深對(duì)硬件電路的組成及其原理的理解，明確各個(gè)組件的功能以及連接關(guān)系。這種直觀的感受和體驗(yàn)，還可以使學(xué)生對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生濃厚的興趣。

在I/O口的操作教學(xué)中，教師以常見的生活場(chǎng)景為切入點(diǎn)，展示如何運(yùn)用所學(xué)技術(shù)解決實(shí)際問題。例如，為了提升顧客在超市內(nèi)的購物體驗(yàn)，決定設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款安裝在超市入口處的智能提示系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)顧客的進(jìn)出情況。當(dāng)有顧客進(jìn)入超市時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)提示音，提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)操作。在教學(xué)過程中，教師可以為學(xué)生提供傳感器、蜂鳴器等設(shè)備信息，并將學(xué)生進(jìn)行分組，討論可行方案。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，會(huì)涉及的知識(shí)點(diǎn)有I/O口的操作。該部分知識(shí)點(diǎn)主要是強(qiáng)調(diào)如何通過編程，讀取指定輸入端口的信號(hào)狀態(tài)，并就如何在輸出端口設(shè)置信號(hào)值進(jìn)行分析。除了基本的I/O口操作外，還涉及輸入/輸出設(shè)備的接線方式、通信方式等內(nèi)容。鑒于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語言編程基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中，教師可以利用匯編語言程序?qū)嵗由顚W(xué)生對(duì)單片機(jī)硬件的實(shí)質(zhì)性理解。在學(xué)生對(duì)底層硬件有了基本認(rèn)識(shí)后，引導(dǎo)他們使用C語言進(jìn)行程序編寫和改動(dòng)。

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(cè)出制定范圍的物體情況；右下角的蜂鳴器，可以根據(jù)單片機(jī)的控制指令發(fā)出各種頻率和音調(diào)的聲音信號(hào)。學(xué)生完成單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試等系列工作后，要將樣機(jī)安裝在相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景位置中，進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行效果，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。除了這一項(xiàng)目，學(xué)生還可以利用相同的原理設(shè)計(jì)其他設(shè)備，如廁所沖水裝置、倒車?yán)走_(dá)等。指導(dǎo)教師可以根據(jù)教學(xué)需要，增加更多的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，幫助學(xué)生提前適應(yīng)項(xiàng)目實(shí)踐工作。

結(jié)語

綜上所述，本文主要分析了基于CDIO理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”中的應(yīng)用實(shí)踐。與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在教育內(nèi)容、教學(xué)方法以及成績(jī)考核等方面都進(jìn)行了優(yōu)化。這種方法要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，自主制訂項(xiàng)目計(jì)劃、分配資源、協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)成員的工作，并在項(xiàng)目實(shí)施過程中不斷調(diào)整和優(yōu)化方案。雖然在這種教學(xué)方法中，教師不是教學(xué)的主導(dǎo)者，但是需要把握項(xiàng)目的整體方向和目標(biāo)，保證項(xiàng)目的可行性和有效性，監(jiān)督項(xiàng)目進(jìn)展，解決學(xué)生在項(xiàng)目中遇到的問題和困難，這些問題需要教師根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的分析和處理。教師應(yīng)該根據(jù)課程特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際情況合理運(yùn)用這種教學(xué)法，使學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和成長。

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項(xiàng)目：本文系2023年南通理工學(xué)院課堂教學(xué)改革項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課堂教學(xué)改革（項(xiàng)目編號(hào)：2023JKT014）

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

作者簡(jiǎn)介：陳云（1988— ），女，漢族，江蘇南通人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)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(jī)電控制及一體化。