CDIO教學(xué)理念下的單片機(jī)教學(xué)改革探討

【摘要】單片機(jī)是高校工科專(zhuān)業(yè)的必修課程，具有實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。CDIO是一種新型工程教育模式，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生工程能力、綜合能力的培養(yǎng)。本文將CDIO理念應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)，對(duì)課堂教學(xué)、教學(xué)活動(dòng)、課程考核等進(jìn)行改革，實(shí)踐證明，該教學(xué)方法有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，符合單片機(jī)課程的特點(diǎn)，取得了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) CDIO 教學(xué)改革 教學(xué)理念

【基金項(xiàng)目】電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZLGC2011JXTD08）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）10-0231-02

一、引言

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、汽車(chē)電子等專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制領(lǐng)域。為適應(yīng)市場(chǎng)需求和生產(chǎn)實(shí)際需要，單片機(jī)已成為機(jī)電工程、自動(dòng)化、電子信息工程等專(zhuān)業(yè)的主干課程。單片機(jī)課程集微控制器理論知識(shí)與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐技能培養(yǎng)于一體，對(duì)學(xué)生工程思維能力和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)具有重要作用。目前，該課程在理工科學(xué)校的重要地位已經(jīng)受到廣大教育工作者和學(xué)生的重視。對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，很好地掌握單片機(jī)技術(shù)，不僅有助于對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能的深入、對(duì)整體專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的提高、動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，更重要的是能夠獲得實(shí)用的職業(yè)技能，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果[2]。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）4個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)。CDIO 模式的大工程理念、強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng) 、密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)等特點(diǎn)，都對(duì)我國(guó)工程教育有較好的啟示和借鑒作用，并在我國(guó)工程教育界產(chǎn)生了很大的反響，汕頭大學(xué)、清華大學(xué)等率先進(jìn)行了 CDIO 工程教育改革，并取得了較好的成效。目前國(guó)內(nèi)許多高校都在研究CDIO模式，并根據(jù)學(xué)校各自的實(shí)際情況，探索工程教育理念的教學(xué)改革之路。

單片機(jī)作為一門(mén)實(shí)踐性強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，近年來(lái)也有許多高校借鑒CDIO工程教育模式進(jìn)行了改革。文獻(xiàn)3～6均提出擯棄傳統(tǒng)教學(xué)方法，完全按照CDIO模式采取項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)。筆者認(rèn)為，在學(xué)習(xí)借鑒 CDIO 工程教育改革模式中，我們可以在實(shí)踐中參照 CDIO 模式，但又要切合學(xué)生的特點(diǎn)和學(xué)生的接受程度，CDIO 模式既是一種工程教育實(shí)施方案，更是一種工程教育理念，如果完全的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在無(wú)法被學(xué)生所理解和接受的情況下，我們依然可以借鑒這種工程教育理念。基于此，筆者采用CDIO工程教育理念，在單片機(jī)教學(xué)中，進(jìn)行了一些改革探索和實(shí)踐，取得了良好的效果。

二、改革背景

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)采用“滿(mǎn)堂灌”的方式，根據(jù)教學(xué)大綱要求，教師每節(jié)課完成教材上的若干知識(shí)點(diǎn)的講解。這種教學(xué)方式很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生剛開(kāi)始抱著極大的興趣來(lái)學(xué)習(xí)，可是如果教師只是照本宣科講解，久而久之，則讓學(xué)生感到枯燥和倦怠。特別是傳統(tǒng)的期末考試方式，只是進(jìn)行了單片機(jī)原理的表面知識(shí)考核，單片機(jī)應(yīng)用的精髓則未能體現(xiàn)。在以往教學(xué)過(guò)程中，曾經(jīng)出現(xiàn)考試成績(jī)非常高，但畢業(yè)設(shè)計(jì)動(dòng)起手來(lái)卻一塌糊涂的學(xué)生。可見(jiàn)，單片機(jī)教學(xué)與其他理論科目教學(xué)方式不完全相同，這門(mén)課程強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)的應(yīng)用，因此，它的教學(xué)方法就有必要進(jìn)行改革。

三、考核方式改革

傳統(tǒng)的期末定考已經(jīng)不再適合于CDIO模式下單片機(jī)的教學(xué)，事實(shí)上，單片機(jī)知識(shí)的真正掌握也無(wú)法簡(jiǎn)單用期末成績(jī)?nèi)ズ饬浚虼耍敬胃母铮瑔纹瑱C(jī)的成績(jī)主要以項(xiàng)目的形式對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行綜合考核，采取教師評(píng)價(jià)、他人評(píng)價(jià)和學(xué)生自我評(píng)價(jià)等各種方式。在具體實(shí)施中，為了避免個(gè)別同學(xué)長(zhǎng)期打醬油，所有同學(xué)的成績(jī)由個(gè)人成績(jī)和團(tuán)隊(duì)成績(jī)兩部分組成，個(gè)人成績(jī)包括平時(shí)課堂表現(xiàn)和課堂測(cè)試，團(tuán)隊(duì)成績(jī)包括團(tuán)隊(duì)作業(yè)和課程設(shè)計(jì)。如果以CDIO模式表達(dá)的話(huà)，課程設(shè)計(jì)作品是單片機(jī)學(xué)習(xí)要達(dá)到的終極目標(biāo)，稱(chēng)為一級(jí)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)作業(yè)則是二級(jí)項(xiàng)目，也就是子課題，根據(jù)各個(gè)階段的學(xué)習(xí)要求而設(shè)定。在一開(kāi)始的教學(xué)過(guò)程中，讓每個(gè)同學(xué)都清楚學(xué)習(xí)的的最終目標(biāo)以及為了實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)所設(shè)定的所有二級(jí)項(xiàng)目。

四、課堂教學(xué)模式改革

（一）以項(xiàng)目為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神

CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)以項(xiàng)目為導(dǎo)向開(kāi)展教學(xué)。所有項(xiàng)目的開(kāi)展我們都以團(tuán)隊(duì)為單位， 3人為一組。由于單片機(jī)課程總成績(jī)的絕大部分來(lái)自于團(tuán)隊(duì)成績(jī)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員必須要竭盡所能，才能在每個(gè)項(xiàng)目中拿到高分。每個(gè)團(tuán)隊(duì)的一級(jí)項(xiàng)目實(shí)際就是課程設(shè)計(jì)，從開(kāi)題到結(jié)束，課程設(shè)計(jì)過(guò)程貫穿整個(gè)學(xué)期，課程設(shè)計(jì)開(kāi)題前要撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，通過(guò)教師論證才能確定是否繼續(xù)開(kāi)展研究，學(xué)生于期末結(jié)束前完成設(shè)計(jì)和實(shí)物制作并撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，教師結(jié)合學(xué)生在驗(yàn)收答辯過(guò)程中的表現(xiàn)、對(duì)作品的理解程度、對(duì)作品的貢獻(xiàn)大小和報(bào)告的撰寫(xiě)水平等，給每位學(xué)生一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。二級(jí)項(xiàng)目則由老師根據(jù)教學(xué)需要確定，主要包括中斷、定時(shí)器、串行口、單片機(jī)擴(kuò)展等幾個(gè)子課題，二級(jí)項(xiàng)目可以通過(guò)PROTEUS仿真實(shí)現(xiàn)，二級(jí)項(xiàng)目的考核也是通過(guò)課堂答辯，由其他組的學(xué)生和老師共同評(píng)價(jià)打分。通過(guò)這些項(xiàng)目的開(kāi)展，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)普遍提高，表達(dá)與交流的能力得到提升，參與積極性加強(qiáng)，學(xué)習(xí)熱情大幅提升。

（二）以引導(dǎo)教學(xué)為主，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，與主動(dòng)學(xué)習(xí)相比，在學(xué)習(xí)效率上要大打折扣。單片機(jī)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，根據(jù)多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，講的多不如讓他們做的多，CDIO模式提出“學(xué)中做，做中學(xué)”，這一理念也是非常適合于單片機(jī)的教學(xué)。在課堂教學(xué)時(shí)，要抓主要，放次要，一些細(xì)枝末節(jié)的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)必要花太多時(shí)間闡述，在具體開(kāi)展教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)定課堂練習(xí)和課堂思考題，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。例如單片機(jī)的指令系統(tǒng)，如果是以C51語(yǔ)言為主進(jìn)行教學(xué)的，那些指令點(diǎn)到即止，沒(méi)有必要太過(guò)深入，否則很可能適得其反，主次不分。除了課堂的引導(dǎo)，最重要的還是通過(guò)項(xiàng)目在實(shí)戰(zhàn)中學(xué)，邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)，單片機(jī)只有用了才能真正學(xué)會(huì)，看10遍書(shū)不如做一個(gè)項(xiàng)目提升得快。

（三）采用案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)

案例驅(qū)動(dòng)法是一種基于探究性學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的一種教學(xué)模式，起源于“哈佛大學(xué)”的情景案例教學(xué)課。案例驅(qū)動(dòng)法要求師生改變傳統(tǒng)的觀(guān)念和角色，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用和教師在教學(xué)中的組織、引導(dǎo)、促進(jìn)、控制作用，將學(xué)生認(rèn)為枯燥的知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，有利于真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、實(shí)踐能力、增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立意識(shí)和協(xié)作精神[7]。單片機(jī)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，有大量的實(shí)踐案例，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，選取合適案例，在課前提出，讓學(xué)生提前查找資料、整合知識(shí)、充分思考，教師則以案例為線(xiàn)索，介紹背景，提出問(wèn)題，引導(dǎo)討論，組織課堂教學(xué)活動(dòng)。在本次教學(xué)改革中，我們還采用了分組課堂答辯等方式，對(duì)一些案例進(jìn)行了詳細(xì)分析，在教師的引導(dǎo)下，邀請(qǐng)每組同學(xué)上講臺(tái)給其他同學(xué)講解不同的案例進(jìn)行仿真演示，并回答臺(tái)下同學(xué)的提問(wèn)，這種方式不僅鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，利用實(shí)例推動(dòng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，同時(shí)也讓學(xué)生理解了單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用方法，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐意識(shí)。

五、一級(jí)項(xiàng)目的開(kāi)展

在整個(gè)CDIO教學(xué)模式下，一級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是否合理至關(guān)重要。一級(jí)項(xiàng)目首先由教師提出總體需求，本次改革，要求完成一個(gè)有一定創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的單片機(jī)作品，作品以單片機(jī)為核心，內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)、軟件編程和程序仿真、實(shí)物制作、軟硬件調(diào)試，通過(guò)一級(jí)項(xiàng)目的完成，使學(xué)生初步掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法。一級(jí)項(xiàng)目不能太大，也不能過(guò)于簡(jiǎn)單，太大太難學(xué)生做不出來(lái)會(huì)打擊學(xué)習(xí)熱情，太簡(jiǎn)單則沒(méi)有達(dá)到目的。至于具體設(shè)計(jì)什么樣的系統(tǒng)，可以由學(xué)生根據(jù)以下幾個(gè)方面自行創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)調(diào)研后，寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告，再由教師確定項(xiàng)目是否可行。

（一）以學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)

大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽是整合課內(nèi)外實(shí)踐教育教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力的有效載體，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、解決實(shí)際問(wèn)題和實(shí)踐動(dòng)手能力具有極為重要的作用。目前，在以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為主的高校，學(xué)科競(jìng)賽得到了各方面的重視，開(kāi)展的越來(lái)越好。如全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)科技作品、全國(guó)機(jī)器人大賽、中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、機(jī)械創(chuàng)新大賽等，分析各種競(jìng)賽，很多控制類(lèi)、數(shù)據(jù)采集類(lèi)和信號(hào)發(fā)生類(lèi)的題目都會(huì)涉及到單片機(jī)技術(shù)。將學(xué)科競(jìng)賽與課程體系和教學(xué)改革緊密結(jié)合，使學(xué)科競(jìng)賽成為日常教學(xué)的有益補(bǔ)充，在單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中，可以用這些學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)，給有興趣參賽的同學(xué)進(jìn)行指導(dǎo)，以競(jìng)賽作品的高度來(lái)完成一級(jí)項(xiàng)目。

（二）以學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為目標(biāo)

目前，很多高校為了鼓勵(lì)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新，培養(yǎng)其動(dòng)手能力，特別設(shè)立了“學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，有興趣的學(xué)生皆可報(bào)名申請(qǐng)，學(xué)校經(jīng)過(guò)答辯后對(duì)可行的項(xiàng)目進(jìn)行資助。一級(jí)項(xiàng)目也可以此為目標(biāo)，對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行研究，確定設(shè)計(jì)作品。

（三）以教師科研項(xiàng)目為依托

教師經(jīng)常參加科研活動(dòng)，視野開(kāi)闊，熟悉專(zhuān)業(yè)發(fā)展和企業(yè)需求，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)將科研成果和技術(shù)應(yīng)用帶入教材、帶入課堂，用生動(dòng)實(shí)例激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同樣的，學(xué)生也應(yīng)當(dāng)積極參與教師的科研工作，主動(dòng)與教師交流，尋找鍛煉自己的機(jī)會(huì)。一級(jí)項(xiàng)目也可以來(lái)源于教師科研項(xiàng)目中的子課題。

（四）來(lái)源于對(duì)生活的思考

工科學(xué)生應(yīng)當(dāng)有意識(shí)的關(guān)注科技發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用，仔細(xì)觀(guān)察，善于發(fā)現(xiàn)，從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，利用所學(xué)知識(shí)去解決。一級(jí)項(xiàng)目可以來(lái)源于對(duì)生活的思考，自行創(chuàng)新，可完全根據(jù)自己的興趣和愛(ài)好，設(shè)計(jì)自己想要的作品。

六、教學(xué)改革實(shí)際效果

（一）激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

CDIO工程教育方式極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生按工程項(xiàng)目的任務(wù)要求有針對(duì)性地學(xué)習(xí)知識(shí)，學(xué)習(xí)目的明確，學(xué)習(xí)積極性高漲，從過(guò)去的“厭學(xué)”變成了現(xiàn)在的“自主學(xué)”。

（二）鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神

在單片機(jī)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生被分為3人一組形成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，分別完成多個(gè)二級(jí)項(xiàng)目和一級(jí)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)成員之間必須團(tuán)結(jié)協(xié)作，彼此配合，相互交流，有效鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

（三）動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力大大提高

從完成作品情況來(lái)看，此次改革有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，以競(jìng)賽為目標(biāo)的有一組同學(xué)設(shè)計(jì)了一種環(huán)境監(jiān)測(cè)魔力樹(shù)，設(shè)計(jì)了一種傘狀的樹(shù)葉結(jié)構(gòu)，將當(dāng)前的環(huán)境氣體情況通過(guò)樹(shù)葉的收和來(lái)表現(xiàn)，該作品需要完成機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路方面的設(shè)計(jì)和制作，利用氣敏傳感器和LCD實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和顯示；以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為目標(biāo)的做了一個(gè)新型馬桶刷，用單片機(jī)作控制器利用超聲波實(shí)現(xiàn)馬桶清潔；以教師科研為目標(biāo)的，參與了教師的科研項(xiàng)目，進(jìn)行工業(yè)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；還有一些同學(xué)根據(jù)自己的興趣，用LED點(diǎn)陣制作了一個(gè)貪吃蛇游戲機(jī)。從提交作品和答辯的情況來(lái)看，大部分同學(xué)都初步掌握了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法。

七、總結(jié)

實(shí)踐證明，以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的CDIO工程教育理念，應(yīng)用在單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐中，極大提高了學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用能力，學(xué)習(xí)熱情高漲，學(xué)習(xí)效率大大提高。教學(xué)過(guò)程不再是枯燥無(wú)味的說(shuō)教，而是在邊學(xué)邊做當(dāng)中獲取到滲透在每個(gè)項(xiàng)目中的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生學(xué)而難忘。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷娟. 淺談對(duì)單片機(jī)教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J]. 成功（教育）， 2009（5）： 215-216.

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

[3]張翼成， 劉美， 王濤. CDIO 模式下“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2012， 23： 022.

[4]謝楠. CDIO 項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)課程中的應(yīng)用[J]. 浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)， 2013 （1）： 89-91.

[5]時(shí)軍， 王懿華. 基于 CDIO 的 “單片機(jī)原理及應(yīng)用” 教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 中國(guó)電力教育， 2010， 35： 029.

[6]王洪濤， 何益宏. 基于 CDIO 工程教育模式下《 單片機(jī)原理及應(yīng)用》 課程教學(xué)研究[J]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）， 2011， 5.

[7]史成芳， 程榮龍. 基于“案例驅(qū)動(dòng)”的單片機(jī)教學(xué)方法研究[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2010， 8（006）： 93-94.

作者簡(jiǎn)介：

彭芳（1979-），女，副教授，碩士，主要研究方向：機(jī)電一體化、智能控制。