基于CDIO 工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究

王洪濤，何益宏

(五邑大學信息工程學院，廣東 江門 529020)

1 CDIO工程教育模式概述

CDIO代表構思－設計－實現－運行(Conceive－Design－Implement－Operate)，是近年來國際工程教育改革的最新成果［1］.從2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2 000萬美元巨額資助，經過4年的探索研究，創立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國際合作組織.CDIO是“做中學”和“基于項目的教育和學習”(Project based education and learning簡稱PBL)的集中概括和抽象表達［2］.它以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程.CDIO提出的12條標準如圖1所示，描述了CDIO模式下工程教學的必要特性，為工程教學改革提供了最佳實踐的參照模型.

準則1說明了CDIO教學模式的基本理念，即“以CDIO為基本環境”;準則2、3、4說明了課程設置要求，包括學習目標、集成化課程設置和工程導論;準則5、6說明了“設計－實現”經驗和工作場所;準則7、8說明了以“綜合性、主動學習”為特點的新型教學方法;準則9、10說明了教師自身能力和教學能力的發展;準則11、12說明了學生和專業的考核評價方法［3－5］.正值我國高等教育提高本科質量工程之際，CDIO傳到國內高等教育界后引起了強烈的反響，也是近年國外教育模式被國內教育主管部門和高等學校接納較為廣泛的一次.很多高校相繼展開學習、研究和實踐，成立CDIO交流協作組織.五邑大學作為全國首批參加試點的18所高校之一，參與機械、電子電氣等兩類專業的試點工作.

圖1 CDIO的12項標準

CDIO創新工程教育模式倡導問題驅動，注重實踐性教學和實際動手能力，主張課程實驗教學應該從具體實踐出發，然后上升至理論，最后再回到實際操作中來，以創作最終產品為教學目標.CDIO以工程項目設計為導向，以培養個人能力——包括自學能力和創新能力、團隊能力和系統調控能力為主要目標;以項目設計為載體，以項目學習促進能力培養.CDIO教育模式的實踐和實質性的展開，將對我國本科教育的改革產生深刻的影響.

2 CDIO工程教育的必要性

我國高等院校長期延續蘇式人才培養模式，高校改革多年，課程改革始終走不出脫離市場和社會發展需求的怪圈.80%以上的本科畢業生不能隨即上崗適應現代企業的崗位競爭機制，企業要進行職業性培訓后才能適應工作要求.目前教學過程中由于原理性釋義較多，工藝流程實踐訓練較少，學生系統的工程化概念和實踐教育相對不足，至多有前半程C、D(創意、設計)訓練，沒有后半程I、O(實現、運作)訓練.導致學生在校沒能完成原發產品制作的全過程訓練，畢業后把后半程訓練留給企業增加培訓負擔，造成企業招聘時寧可錄用層次稍低、動手能力強的高職學生.因此，現代本科教育應該培養能及時上手勝任工作，能獨立完成崗位項目全過程的工程型應用人才，這也正是開展基于CDIO工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究與探索的目的與意義所在.

CDIO模擬現代工程師的真實工作環境，在工程教育背景環境下，參照工業界的要求，并對培養計劃、教學方法、學生考核以及學習構架提出了全面的指導和要求，突顯了CDIO工程教育在工程師知識和能力兩方面并重培養的特征.迄今已有幾十所世界著名大學加人了CDIO國際組織，通過國際合作的方式，多個國家、大學、專業可以并行探索，集國際智慧，大大加快改革步伐和保證改革方向的正確性.

《單片機原理及應用》是一門實踐性很強的專業基礎課，主要面向五邑大學信息工程學院電子信息工程、通信工程、自動化、電氣工程及其自動化和交通工程專業學生，涉及3個系、近5個專業、數10個班級，并面向全校開設公選課.該課程的重要程度已超出了一門專業基礎課的范圍，并成為公認的電類專業所設置課程中最受歡迎的課程之一.

基于CDIO工程教育模式下《單片機原理及應用》課程教學研究，以工程項目設計為導向，以培養學生能力——包括自學能力、創新能力、團隊能力和系統調控能力為主要目標;以項目設計為載體，以項目學習促進能力培養，以行動導向組織教學，以學生為中心、教師引導、教學做一體的工學結合教育模式，以解決學生知識、技能、素質協調發展問題.CDIO教育模式的實踐和開展，將對我國本科教育的改革產生深刻的影響.

3 課程研究思路

3.1 課程設計理念

以單片機系統研發和滿足行業企業的需求為前提，以學生能力培養和工程素養為主線，以企業真實項目的實現全過程為教育教學背景，以構建高技能人才培養“做中學”專業課程體系為重點，以與行業企業共建教學環境為條件，以“雙師”結構協同教學團隊建設為保障，以校企合作、工學結合的共享型資源建設為手段，以培養面向自動化工程設計的高技能應用型人才為目標，按照崗位和職業能力培養的要求，將學生能力培養的基本規律與課程系統化、以及學生專業能力、方法能力和社會能力相結合，形成以企業真實生產項目為載體，以行動導向組織教學，以學生為中心、教師引導、教學做一體的工學結合教育模式，解決學生知識、技能、素質協調發展問題［6］.

3.2 課程內容以項目為藍本

課程內容以行業企業的產品研發與技術服務需求為導向，以培養學生能力為主線.對項目(系統功能要求)涉及到單片機教學知識點進行分析，以相對完整的產品模塊作為教學項目，將相關的教學知識點融入到課程的教學項目中.教學成果以產品形式提供給企業，進而提升企業生產效益.教學項目的形成示意圖如圖2所示.

3.3 企業專家參與課程設計

根據企業產品初步確定教學項目后，邀請行業企業專家對擬定的教學項目從以下方面進行分析論證.

1)企業產品的實現方案是否合理及改進方案;

2)教學項目是否涵蓋企業產品的技術需求;

3)教學項目是否具有通用性，是否能夠培養學生單片機產品設計與研發的CDIO能力.

聽取企業專家的分析論證后，對教學項目進行完善、修整.

圖2 教學項目來自企業產品需求

4 課程教學主要內容

4.1 教學內容

《單片機原理及應用》主要包括兩方面教學內容:一是硬件資源的運用，包括單片機內部資源(定時、計數、中斷、存儲、通信等)與外部資源的運用;二是開發平臺的運用，包括集成開發軟件Keil(uVision2)和仿真軟件Proteus等的運用.

4.2 教學項目選取

教學項目以江門市士禮機械有限公司需求的產品——壓配焊接機智能控制器［7］(簡稱:壓力控制器)如圖3作為教學載體，該壓力控制器以單片機作為控制核心，由單片機最小系統電路、按鍵與數碼管顯示電路、A/D轉換電路、繼電器驅動電路、串行通信電路5個模塊構成.

圖3 壓配焊接機智能控制器

我們將液壓壓力控制器各模塊與單片機教學知識點進行有機結合，設計了5個CDIO教學項目，如圖4所示.

圖4 《單片機原理及應用》課程教學項目

通過教學項目，能夠使學生掌握單片機的基本原理和應用方法，重點培養學生單片機系統設計開發能力.

4.3 教學內容組織

每一個教學項目都是一個完整的CDIO實施過程，在該過程中既訓練了學生的單片機應用產品設計與開發能力，同時培養了學生的職業素質.每個教學項目的實施過程示意圖如圖5所示.每個教學項目都通過“構思(C)→設計(D)→實施(I)→運作(O)”4個典型環節進行實施，進行基于單片機產品開發工作過程的能力訓練.

4.4 教學內容及對應學時

本課程采用項目式教學，將課程所需知識融入到5個教學項目中.教學項目分2個教學模塊實施，如表1和表2所示，其中模塊1側重構思和設計，主要完成電路實現方案的構思(C)、電路原理圖的仿真與繪制及程序設計(D);模塊2側重實施(I)和運作(O)，主要完成電路板的焊接、調試.

圖5 教學項目的實施過程

表1 教學實施計劃(模塊1:側重構思與設計)

教學實施計劃(模塊2:側重實踐與運作)

4.5 CDIO教學模式設計

為真正實現“教、學、做一體化”教學，體現學生在教學過程中的主題地位，針對《單片機原理及應用》課程的教學目標，構建了CDIO教學模式，如圖6所示.

圖6 基于項目導向的CDIO教學模式

在基于項目向導的CDIO教學模式中，學生在教師引導下對企業提出的產品需求進行任務構思、方案對比和任務分解，然后學生每兩人一組對分解后的任務進行軟、硬件設計與仿真，仿真通過后進行電路板的焊接與調試，最后將調試好的產品進行模擬現場下的調試、運行與維護.

4 總結

通過基于項目導向的CDIO教學，以企業真實項目的實現全過程為教育教學背景，以構建高技能人才培養“做中學”專業課程體系為重點，以校企合作、工學結合的共享型資源建設為手段，培養學生扎實的單片機系統研發專業知識與技能，增強了學生參加科技創新活動的興趣［8］，提高學生分析問題、解決問題的能力，使學生逐步養成實事求是的科學態度和嚴謹的工作作風，具備良好的職業素養，以實現培養面向自動化工程設計的高技能應用型人才的目標.

［1］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考［J］.中國高教研究，2009(5):86－87.

［2］朱張青，趙佳寶.以學科滲透思想建設自動化專業的創新實驗體系［J］.中國科教創新導刊，2009(1):21－25.

［3］查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式［J］.高等工程教育研究，2008(3):38－45.

［4］花秋玲.大學生素質教育的三大要素［J］.科教平臺，2008(7):67－72.

［5］劉經偉.大學生素質教育的思考，教書育人［J］.高教論壇，2008(7):41－46.

［6］石家莊鐵路職業技術學院信息工程.單片機控制系統開發實訓［EB/OL］.(2010－05－06)［2011－04－16］.http://www.sirt.edu.cn/content/xjjpk/2009/dpj/default.asp.

［7］王洪濤，伍廣勝，陳錫勇，等.基于Atmega128單片機數字壓力表設計［J］.江漢大學學報，2010(1):54－59.

［8］任其亮，李淑慶.提高大學生創新能力的對策研究［J］，重慶文理學院學報:自然科學版，2011(2):97－100.