CDIO模式下單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)改革與探索

蘇淑靖

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用課程是工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性。本文針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)存在特點(diǎn)和問(wèn)題，引入了CDIO的新型工程教育模式于教學(xué)中，并對(duì)其教學(xué)方式和內(nèi)容、教學(xué)模式和課程考核等方面進(jìn)行了改革和探索。實(shí)踐效果證明，該教學(xué)方式有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新能力，符合單片機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理;CDIO模式;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0101-02

單片機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用在儀器儀表、工業(yè)控制和自動(dòng)化控制等領(lǐng)域中。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)單片機(jī)應(yīng)用型人才的需求越來(lái)越多，而且越來(lái)越看重具有動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新能力的學(xué)生。因此，理工科學(xué)校的教育工作者和學(xué)生越來(lái)越重視單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)成果。然而該課程作為高等工科院校電子、機(jī)械和測(cè)控等專業(yè)重要的專業(yè)必修課，是一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，很好地掌握單片機(jī)技術(shù)，不僅有助于深入地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)技能，提高自身的整體專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)意識(shí)，更重要的是能夠獲得實(shí)用的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

面對(duì)市場(chǎng)對(duì)人才日益嚴(yán)峻的要求，如何培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求的創(chuàng)新型和專業(yè)型人才，是教師面臨的一項(xiàng)緊迫而艱巨的任務(wù)。這不僅僅要求教師提高自身水平和積累工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，還要求不斷反思教學(xué)過(guò)程，在教學(xué)方法上進(jìn)行改革和探索。

一、單片機(jī)教學(xué)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)與其他理論科目教學(xué)方式不完全相同，這門課程強(qiáng)調(diào)的是專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，要求學(xué)生能夠?qū)⒒纠碚撆c實(shí)際工程相結(jié)合，達(dá)到解決工程問(wèn)題的基本能力。因此，在重視理論教學(xué)的同時(shí)，必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但是，在具體的教學(xué)過(guò)程中，不但學(xué)生普遍感到難學(xué)，授課教師也存在許多困惑，這些都是由于課程特點(diǎn)引起的。

它的主要特點(diǎn)[1]有：（1）概念多，專有名詞多，內(nèi)容抽象，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難以適應(yīng)，由此會(huì)感覺(jué)入門較難。（2）編程語(yǔ)言指令多，且需要掌握每條指令的功能及操作數(shù)來(lái)源。（3）邏輯性和完整性強(qiáng)，各部分知識(shí)銜接緊密。（4）課程的圖示說(shuō)明多。（5）綜合性強(qiáng)，涉及內(nèi)容較多，涵蓋了模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)等諸多基礎(chǔ)課程的內(nèi)容。（6）解決實(shí)際問(wèn)題的能力強(qiáng)。單片機(jī)教學(xué)的這些特點(diǎn)，使得學(xué)生在開(kāi)始學(xué)的時(shí)候難以入門，難以了解單片機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，從而對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)失去信心，以至于出現(xiàn)學(xué)生普遍認(rèn)為課程難學(xué)、教師普遍認(rèn)為課程難教的局面。

多年的單片機(jī)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明很多學(xué)生學(xué)完課程之后并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，不能將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，或無(wú)法將知識(shí)點(diǎn)連成知識(shí)面進(jìn)而形成知識(shí)體系。另外傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用統(tǒng)一的模式，按照指導(dǎo)書(shū)上規(guī)定的步驟做相同的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于包含工程開(kāi)發(fā)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)難以開(kāi)展，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力較差，自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力也普遍存在問(wèn)題。

二、CDIO模式下課程教學(xué)改革探索

1.CDIO工程教育模式。CDIO是一種國(guó)際化高等工程教育的創(chuàng)新模式，是由麻省理工學(xué)院（MIT）、瑞典皇家工學(xué)院（Royal Institute of Technology）等四所跨國(guó)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的一整套工程教育理念和實(shí)施體系[2，3]。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[4-6]。主要包括技術(shù)知識(shí)與推理、個(gè)人和職業(yè)能力與態(tài)度、人際交往能力，團(tuán)隊(duì)合作和交流、企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下的構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)施運(yùn)行系統(tǒng)等四個(gè)層面，這種模式不僅注重培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，更關(guān)注團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，并通過(guò)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式培養(yǎng)既有扎實(shí)的專業(yè)技能，又有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的國(guó)際化工程師。國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都表明CDIO“做中學(xué)”的理念和方法是先進(jìn)可行的，適合工科教育教學(xué)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的改革。

2.以項(xiàng)目為導(dǎo)向，改進(jìn)教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)方式上，將本專業(yè)有著豐富科學(xué)研究和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師組織成一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施團(tuán)隊(duì)，建立相對(duì)穩(wěn)定的承擔(dān)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的教師隊(duì)伍。研究CDIO高等工程教育模式的理念和本質(zhì)，轉(zhuǎn)變觀念，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)手段，緊密結(jié)合有關(guān)科研項(xiàng)目，將CDIO理念和教師在科研中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)融入教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。項(xiàng)目中每位成員根據(jù)自己承擔(dān)的科研項(xiàng)目，每學(xué)年提出一個(gè)適合單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)的項(xiàng)目，并將學(xué)生進(jìn)行分組，每組4人，每組都包含1～2名興趣比較濃厚、學(xué)習(xí)動(dòng)手能力較強(qiáng)的同學(xué)，每個(gè)小組選擇一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目貫穿于單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程的始終。最后再完成一個(gè)綜合性強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過(guò)這種方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

3.改革教學(xué)模式。在實(shí)際的教學(xué)中，將提出的適合單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)的項(xiàng)目分配給學(xué)生小組，讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、硬件設(shè)計(jì)以及測(cè)試和調(diào)試等整個(gè)過(guò)程。使項(xiàng)目貫穿于單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程的始終，學(xué)生分組完成，教師提供輔導(dǎo)。選用的項(xiàng)目可分步實(shí)現(xiàn)，彼此關(guān)聯(lián)，從小到大，從簡(jiǎn)到繁，從局部到整體，層層推進(jìn)，形成一個(gè)完整、全面的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目。在實(shí)際的教學(xué)改革中，我們依托于“RS232串口通信”、“數(shù)控式直流電流源設(shè)計(jì)”、“智能負(fù)載”、“溫濕度測(cè)量系統(tǒng)”、“數(shù)控直流穩(wěn)壓電源”等項(xiàng)目，將以包含能力訓(xùn)練的項(xiàng)目教學(xué)方式讓學(xué)生深入理解專業(yè)知識(shí)和提升其專業(yè)技能。將教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)分解到各個(gè)教學(xué)項(xiàng)目當(dāng)中，這樣可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的興趣，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新能力以及提高在嚴(yán)峻就業(yè)環(huán)境下的競(jìng)爭(zhēng)力。

4.考核方式的改革。傳統(tǒng)的單片機(jī)的期末成績(jī)主要由學(xué)生的平時(shí)成績(jī)和卷面成績(jī)按照一定的比例構(gòu)成（一般為3∶7），卷面成績(jī)則全部由試卷考試的形式?jīng)Q定。這種傳統(tǒng)的考核方式評(píng)價(jià)不了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，也不能完全作為掌握單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的判斷依據(jù)。而CDIO工程教育則要求學(xué)生在掌握專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備一定的工程實(shí)踐能力，也符合廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)目的。

因此，在本次改革中，為了確保考核方式的合理性、公平性和有效性，單片機(jī)的成績(jī)將以CDIO工程教育基本理念為指導(dǎo)，與項(xiàng)目結(jié)合的形式完成對(duì)學(xué)生能力的綜合評(píng)價(jià)，并采取教師點(diǎn)評(píng)和學(xué)生互評(píng)等各種方式（如表1）進(jìn)行。這種以“過(guò)程”為基礎(chǔ)開(kāi)展，關(guān)注學(xué)生知識(shí)、技能的學(xué)習(xí)過(guò)程，關(guān)注實(shí)踐環(huán)節(jié)及工程應(yīng)用能力，力求知識(shí)與能力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的教學(xué)考核，不僅增強(qiáng)了衡量學(xué)生掌握知識(shí)的依據(jù)，而且有利于引導(dǎo)學(xué)生注重動(dòng)手實(shí)踐能力和自身綜合素質(zhì)的提高。

三、教學(xué)改革的實(shí)際效果

1.激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以項(xiàng)目化方式指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣和熱情。工程教學(xué)中始終貫穿著項(xiàng)目，學(xué)生需要按照項(xiàng)目的任務(wù)和要求系統(tǒng)地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用能力，有助于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。這種由傳統(tǒng)單調(diào)的課程教學(xué)到靈活的項(xiàng)目教學(xué)方式，也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍和興趣。

2.培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。要完成CDIO項(xiàng)目中的工程任務(wù)，必須運(yùn)用諸如數(shù)字電路、模擬電路、自動(dòng)化控制和單片機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題，使學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力得到培養(yǎng)。通過(guò)完成遇到問(wèn)題到解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生也加深了對(duì)知識(shí)的掌握。

3.鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。由于在整個(gè)工程項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生被分為3～4人一組，在分散學(xué)習(xí)、查閱資料、討論及實(shí)踐活動(dòng)的過(guò)程中，都是以小組的形式進(jìn)行，每個(gè)小組都是一個(gè)小團(tuán)體，全體組員共同參與學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的各項(xiàng)活動(dòng)。彼此互相配合，廣泛交流的過(guò)程，鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

4.提高了學(xué)生的思維、實(shí)踐動(dòng)手能力。CDIO教學(xué)模式“做中學(xué)”的理念，強(qiáng)調(diào)教學(xué)與實(shí)踐的統(tǒng)一。在教學(xué)過(guò)程中安排的大量項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，需要學(xué)生親自動(dòng)手完成項(xiàng)目要求的各個(gè)實(shí)踐任務(wù)，并參與到項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的始終。參與工程的開(kāi)發(fā)能夠發(fā)散學(xué)生的思維，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。從項(xiàng)目完成的情況來(lái)看，此次改革有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)全體課題組教師的不斷努力，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革已經(jīng)取得了初步成效，教學(xué)效果得到了顯著提高。通過(guò)單片機(jī)教學(xué)改革的實(shí)踐，結(jié)果證明，在CDIO工程教學(xué)模式下，采用以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式不僅生動(dòng)有趣，還能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。而且理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

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