基于CDIO理念的单片机教学模式研究

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摘要：在分析单片机课程设计现状的基础上，提出将先进的CDIO工程教育理念应用到单片机课程设计教学中，对课程设计的时间安排、选题、组织实施、考核等方面进行改革与创新，构建新的单片机课程设计教学模式，并对该模式进行详细阐述，以提高学生的工程能力和课程教学效果。

关键词：CDIO；单片机；课程设计；教学模式

0引言

单片机具有体积小、价格低、应用方便、稳定可靠等优点，在工业控制、农业生产、仪器仪表、汽车电子等领域得到了广泛的应用[1-2]。单片机是高校电气、电子、自动化等专业一门重要的专业基础课程，其理论性、实践性、应用性较强。单片机课程主要培养学生的实践动手能力和利用单片机以及所学知识进行产品设计的能力，课程设计是单片机课程实践教学的重要环节，显得尤为重要。在单片机课程设计实践教学环节中引入CDIO先进教学理念，对其进行改革和创新，以便能更好地提高学生的实践动手能力、工程思维、创新意识、团队协作能力等，从而提高教学效果。

1单片机课程设计教学现状

单片机课程设计是培养学生运用所学知识解决实际问题和提升学生动手能力的重要环节。目前单片机课程设计教学主要存在以下几个方面的问题[3]。

1.1时间安排不合理

单片机课程设计通常安排在学期末的最后一周，时间短，再加上学生花时间进行期末考试复习，往往疏于做单片机课程设计，导致教学效果不理想。

1.2单片机课程设计选题单一

单片机课程设计选题来源单一，没有让学生参与，题目通常由老师布置给学生，题目数量少，往往一个班多个学生共用一个题目，忽略了学生间的个体差异，没有让不同能力的学生发挥所学之长，不能有效地激发学生的学习兴趣。

1.3单片机课程设计的组织实施不合理

单片机课程设计往往由老师统一组织实施，虽然有的也进行了分组，但是小组没有有效的组织，没有培养学生的团队合作能力；由于课程设计时间短，学生通常只在Proteus软件中进行仿真，并没有进行实物制作，学生的实践动手能力没有得到有效的提高，课程设计的作用没有得到有效的体现。

1.4单片机课程设计的考核方式不合理

考核是检验学生学习情况的重要手段，单片机课程设计的考核方式单一且不合理，课程设计的成绩通常由课堂出勤和设计报告组成，不能全面、客观地反映学生的真实情况。

2CDIO工程教育理念

CDIO理念是一种先进的工程教育理念，其包含构思（concept）—设计（design）—实施（implement）—运行（operate）4个方面，也是这4个英文单词首字母的缩写。CDIO理念是“做中学”和“基于项目教与学（PBL）”模式的概括集中体现，它以实际的工程项目为背景，以产品从研发到运行的生命周期为载体，将理论知识融入工程项目实践中，让学生在工程实践中对知识理解并应用，培养学生的实践动手能力、工程思维、创新能力和团队协作能力[4-8]。

3基于cdio理念的单片机课程设计教学改革与实践

将CDIO先进的工程教育理念应用到单片机课程设计实践教学环节中，从课程设计的时间安排、选题、组织实施、考核等方面进行改革。将项目构思、项目设计、项目实施和项目运行贯穿课程设计全过程，以学生为主体，以教师为主导，通过课程设计帮助学生加深对单片机和相关课程知识的理解和应用，培养学生的工程素养。

3.1课程设计时间安排

以往的单片机课程设计通常安排在学期末最后一周集中时间进行，由于设计时间短、任务重，加上学生还要进行期末考试课程的复习，不能专注单片机课程设计，导致效果不理想，因此将单片机课程设计提前3周布置给学生，让学生有充足的时间去完成。第1周：学生查阅相关资料，确定实施方案并交老师进行可行性审核；第2周：进行硬件和软件设计，并在Proteus中仿真，仿真通过后方可进入下一个环节；第3周：实物制作，发放项目所需的电子元器件，学生在万能板上完成制作并调试；第4周：答辩考核环节，学生汇报演示作品，教师提问1~2个问题，答辩结束后，学生上交作品和设计说明书[9]。

3.2课程设计选题

选题是单片机课程设计的重要环节，课程设计不同于课程实验，也不同于毕业设计，因此，选题既要结合单片机应用领域，尽可能覆盖单片机课程的主要知识点，又要注意与其他课程的衔接。选题还要充分考虑学生个体差异，在难易程度上要有层次性，以满足不同层次学生的需要。选题来源主要有[10-11]：①教师自选，教师可以从自己的科研项目或企业项目中选取，也可以参考电子设计竞赛题目；②学生自主选题，学生可以根据自己的兴趣自主选择题目，经与指导老师协商后确定。可选课题有交通灯远程控制系统、波形发生器、数字温度计设计与制作、电机转速测量与控制、数字钟等。课题确定后，教师设计好课程设计任务书发放给学生，让学生了解项目具体要求。表1是以波形发生器为例，将CDIO理念融入学生的知识、能力、情感等方面的培养。

3.3课程设计组织实施

课程设计采用分组方式进行，每组3人，设组长1名，每组自由选题，共同完成。每组由组长组织组员完成从项目方案设计到项目完成的各项工作，如组织讨论设计方案、遇到的问题以及硬件设计、软件设计、实物制作、设计说明书撰写等组内分工。教师从旁指导，让学生自我组织、自我管理，充分调动学生的积极性，培养学生独立分析问题、解决问题的能力以及团队协作能力。组织实施过程以学生为主、教师为辅，将CDIO理念充分融入课程设计的全过程。根据CDIO工程教育理念组织项目实施，实施流程。

根据CDIO理念，以波形发生器的设计与制作为例，项目的具体实施过程如下。

（1）项目构思阶段（concept）：学生根据波形发生器的功能和具体技术指标要求（能生成的波形种类、周期等）查阅相关资料，组内成员根据相关要求和资料提出各自的实施方案，由组长组织小组内讨论，初步确定实施方案。采用5个按键分别生成5种波形（正弦波、锯齿波、三角波、方波和梯形波），采用DAC0832数模转换器将单片机输出的数字量转换为模拟量，由于DAC0832是电流型输出器件，需要增加I-V转换电路，输出波形引脚与示波器连接。具体电路模块有单片机最小系统、按键接口电路、DAC082接口电路、I-V转换电路等。教师对小组提交的实施方案可行性进行审核，提出指导性意见，最终确定实施方案。

（2）项目设计阶段（design）：本阶段包括硬件设计和软件设计，学生根据实施方案列出详细的元器件清单并设计各模块电路，编写相关程序，调试、编译生成HEX文件。首先在Proteus软件上进行仿真，以熟悉各电路的具体连接，仿真通过后，再绘制原理图，生成PCB图，为下一阶段作准备。

（3）项目实施阶段（implement）：学生根据PCB图，选择元器件，并在万能板上焊接实施，焊接完成后，将程序下载到单片机中，通电进行调试，观察能否实现功能要求，不能实现的查明原因并及时修正。焊接调试完成后，撰写作品的设计说明书。

（4）项目运行阶段（operate）：硬件电路调试完成后，学生以组为单位，制作PPT，公开汇报和演示作品，重点汇报实施方案的形成过程、项目实施过程中遇到的问题、如何解决等。汇报后，演示相应的作品，并回答老师和学生的提问。

3.4课程设计考核

考核是检验学生课程设计完成情况的重要手段，不仅要能检验学生的知识掌握情况，更重要的是还要能检验学生的实践动手能力、团队协作能力、工程素养等。通过考核促进学生积极主动地学习、积极动手参加实践，充分调动学生的积极性和主动性。改革传统只有考勤和设计说明书成绩作为学生最终成绩的考核方式，采用过程考核方式为主、答辩考核相结合的考核方式。过程考核主要由学生自评、小组内互评、教师评价组成，过程考核贯穿项目实施的全过程，根据课程设计的时间安排，每周安排一次考核[12]。

学生自评：学生结合自身情况从学习态度、职业素养（是否按要求操作、维护实验室环境卫生、文明礼貌等）、工作能力（资料收集能力、分析问题与解决问题能力、工作思路清晰）、阶段任务完成情况等方面对自己评价。学生自评占过程考核的20%。

小组内互评：小组内成员之间从学习态度、团队协作能力、职业素养（是否按要求操作、维护实验室环境卫生、文明礼貌等）、工作能力（资料收集能力、分析问题与解决问题能力、工作思路清晰）、阶段任务完成情况等方面相互评价。小组内互评占过程考核的30%。教师评价：教师根据学生的出勤情况、操作是否规范、操作熟练程度、分析问题与解决问题的能力等方面进行评价。教师评价占过程考核的50%。

课程设计完成后组织答辩考核，学生制作汇报PPT，首先从设计方案、设计构思、设计创意等方面汇报；其次进行实物演示；最后老师、其他学生对设计提问。教师根据学生答辩情况、回答问题情况、作品完成情况以及设计说明书撰写情况给学生评分。学生课程设计的成绩由过程考核（70%）和答辩考核（30%）组成。

4结语

学生在考核答辩中展现了他们对单片机课程设计的过程，即完整的问题分析过程和解决过程。每名学生都参与课程设计的工作中，锻炼了实践动手能力与团队协作能力。实践表明，改革后的单片机课程设计极大地提高了学生的实践动手能力、分析问题与解决问题的能力、团队协作能力等，同时也极大地提升了课程教学效果，为学生后续课程学习、毕业设计、就业打下了坚实的基础。该教学模式在小组分工方面存在分工不均的问题，造成学生工作量不同，引发其他学生不满，或有的学生参与不够，对能力的锻炼有所欠缺等问题。关于这些问题，在未来的教学中可以采取每个过程小组分工的模式，确保小组成员都参与每个过程中，尽量使每个学生工作量均等。

参考文献：

[1]张毅刚,赵光权,张京超.单片机原理及应用:C51编程+Proteus仿真[M].北京:高等教育出版社,2015.

[2]祖一康,徐妙婧.单片机教学改革实践研究[J].湖北理工学院学报,2015,31(5):67-70.

[3]葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-140,143.

[4]吴晓强,王利华,侍红岩,等.基于CDIO理念的工程教学模式研究[J].黑龙江畜牧兽医,2016(23):256-258.

[5]林国汉,李晓秀,王迎旭.CDIO模式下的单片机原理课程教学方法探讨[J].湖南工程学院学报(社会科学版),2014,24(2):101-104.

作者：祖一康 徐妙婧 徐纯辉 单位:黄冈师范学院 机电与汽车工程学院 黄冈师范学院 物理与电信学院