基于CDIO理念的汽車單片機課程設計改革與實踐

張瑞賓 吳靈芳 覃維獻 鄧莉

【摘 要】針對目前高校汽車單片機課程設計教學中存在的問題，以CDIO教育理念為指導方向，以工程項目為主線，構建汽車單片機課程設計改革與實踐方案，有效地培養了學生的自主學習能力、信息分析綜合能力、創新意識、動手能力、表達能力和團隊合作精神。

【關鍵詞】汽車單片機 ?課程設計 ?CDIO

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）12C-0067-02

近年來，隨著國際工程教育改革的不斷深入，CDIO工程教育模式應運而生。其中，C（Conceive）構思，主要包括商業計劃、發展理論、技術程序制訂和市場需求分析，企業戰略及規則制度建立;D（Design）設計，主要包括工程進度及實施方案設計制訂等;I（Implement）實現，主要指將設計方案轉化為產品成果的過程，包括設計方案的確認、程序編碼、樣品測試及成品制造;O（Operate）運作，主要指對系統進行改進、修訂和淘汰，對產品前期程序進行評估的過程。CDIO工程教育模式的核心理念來源于工程產品系統的生命周期，其核心思想是強調學生掌握扎實的工程基礎理論及專業知識，在此基礎上將教育過程運用到工程實踐的具體領域中，整個人才培養過程注重團隊協作和創新能力訓練，為培養新一代高水平、高素質的工程師打下扎實的基礎。

根據桂林航天工業學院汽車服務工程專業和車輛工程專業課程特點和人才培養方向，并結合用人單位人才需求標準，融合CDIO課程教學大綱，借鑒CDIO檢驗測評標準，對教學大綱進行整合，設計出更具實踐性、合理性、針對性的汽車單片機課程設計項目，將所要學習的知識巧妙地隱含在項目任務之中，引導學生邊學邊做，獨立或協作完成相應的項目學習任務。項目通過1年的研究和實踐，逐步形成一套切實可行的有利于學生工程實踐能力提高的人才培養模式。

一、傳統的汽車單片機課程設計中存在的問題

汽車單片機課程設計是汽車服務工程專業的一門獨立專業實踐課。從學科性質上看，它是一門專業理論和專業技能結合的綜合實踐課程;其任務是使學生獲得就業前必備的綜合專業技能，為學生走上工作崗位打下良好的專業基礎。傳統的汽車單片機課程設計采用的是在現成的PCB電路板上完成元器件焊接組裝調試等任務，這種模式存在以下問題：

（一）課程設計題目選擇缺少針對性

交通燈控制電路，搶答器控制電路，電子鐘控制電路等傳統的單片機題目，對汽車專業的學生來講針對性不強，沒有將單片機技術與汽車電子控制技術有機結合起來，不利于學生對課本上控制原理的理解與掌握，沒有達到“學以致用”的目的。

（二）課程設計教學模式缺少創新性

由于學生沒有參與電路板的設計，而是在PCB電路板上直接焊接組裝成套器件，這種機械式的實踐模式，不利于學生對汽車電子控制產品設計和創新能力的培養，不利于今后從事產品的開發和技術革新，沒有達到“融會貫通”的目的。

（三）課程設計能力培養缺少全面性

由于缺少PCB電路板設計制作環節，學生無法從源頭了解掌握現代電子產品設計制造技術，并且對所焊接出的電路板進行調試與故障分析時，往往都會束手無策，完全依賴老師，這樣不利于培養學生分析和解決問題的能力，沒有達到“追本溯源”的目的。

二、基于CDIO理念的課程設計改革與實踐

綜上所析，傳統的汽車單片機課程設計的培養模式不能有效提高學生設計、創新以及分析解決問題的能力，因此基于CDIO理念，以項目的“C構思-D設計-I實現-O運行”的全生命周期為導向，如圖1所示方案對汽車單片機課程設計進行改革與實踐。

圖1 汽車單片機課程設計改革與實踐方案

（一）培養學生構思能力

在題目的選擇上具有涵蓋性，面向汽車電子控制系統多方面的單片機應用，學生能夠完成整個知識體系的學習;具有完整性，每一個項目都是一個完整的單片機最小應用系統的設計開發，學生能夠通過該項目的學習，實現理論與實踐相結合;具有設計性，能讓學生舉一反三，以達到某一控制功能為目標，采用不同的設計方法;具有創新性，根據題目要求利用課本所學知識自由發揮;具有趣味性，貼近實際，能夠調動學生對汽車電子控制相關知識的學習興趣，使學生主動完成知識的學習。根據以上原則，確定出課程設計題目如表1所示。課程設計開始之前，提前一個月公布課程設計題目，通過適當的安排和組織，學生可根據題目組成5-6人的團隊，并且給各團隊充分的自由，讓團隊成員集思廣益，提出題目構成想法，并可參考指導老師的建議共同完善。由于構思時間充分，團隊成員群策群力，最后在課程設計開始時可得到最佳的項目方案。

表1 汽車單片機課程設計題目

編號 題目名稱

1 汽車車窗控制電路設計

2 汽車車燈控制電路設計

3 汽車發動機點火模型控制電路設計

4 汽車發動機噴油模型控制電路設計

5 汽車發動機轉速測量電路設計

6 汽車冷卻液溫度測量電路設計

（二）培養學生設計能力

在確定題目方案后，就要根據題目對相應控制電路進行具體設計。首先利用 Proteus 和 Keil 兩款軟件的聯調來完成控制電路的仿真設計，雖然能看到虛擬仿真的運行結果，但是仿真環境過于理想化，許多電路設計出現的實際問題在仿真中是遇不到的，理想仿真結果與產品實際的運行結果之間存在很大偏差。為了有效避免仿真設計的缺陷，利用實驗室的單片機開發板實現硬件電路的設計與調試，這樣大大提高了設計效率。

（三）培養學生實現能力

所設計的電路在仿真軟件及硬件開發板運行通過后，在PROTEL軟件上繪制控制電路原理圖并生成相應的PCB文件圖打印出來，利用制板機將PCB圖轉印在銅板上，使用鹽酸和雙氧水等腐蝕劑對銅板進行腐蝕，利用鉆孔機對電路板打孔，并將事先準備好的元器件手工焊接在電路板上。這一環節使學生能夠正確識別和使用元器件，掌握了手工制板并進行相應電氣連接，按照電路功能模塊進行調試，能夠有效分析和排除相應故障，最終實現題目相應功能。

（四）培養學生運作能力

在完成題目要求的設計任務后，也要做好軟硬件實物的展示工作，課題項目負責人作為主講人，團隊成員協助課題演示，對題目的設計方案、研究思路、關鍵技術、工作原理、研究成果、存在的問題等內容等進行公開匯報，在此過程中，指導老師及其他同學可以不時提問，這樣互動問答可以鞏固學生對相關知識的理解和綜合運用能力。

三、課程設計改革的實施效果

對汽車單片機課程設計改革方案我們實施了一年，新方案得到我院2012級汽車服務工程本科專業學生的支持和歡迎，取得了很好的教學效果。

激發了學生的學習興趣，他們主動參與熱情非常高，在整個課程設計期間實驗室使用率非常高，學生考勤率很好，特別是當其作品通過驗收后，學生充滿成就感，圖2為汽車車燈控制電路實物作品。

在本課程設計要求學生利用單片機完成與汽車電子控制技術相關實用電路的設計，通過在Proteus軟件及實驗開發板上進行試做調試成功后，再進行印制電路的設計制作并完成產品的裝配、調試、檢測，從中對學生進行產品設計、制作、工藝等方面的一系列綜合訓練。

圖2 ?汽車車燈控制電路實物作品

【參考文獻】

[1]朱向慶，胡均萬，增輝，等.工程教育模式的微型項目驅動教學法研究[J].實驗技術與管理，2012，29（11）

[2]曹海平，管圖華.基于CDIO理念的電工電子實訓教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（1）

【基金項目】2015年度廣西教育廳教改B類項目（2015JGB436）;2014年度廣西高等教育教學改革工程項目（2014JGZ152）;2014年度廣西壯族自治區教育廳立項項目（LX2014466）;2013年度桂林航天工業學院校級教學改革研究項目（2013JB11）

【作者簡介】張瑞賓，男，陜西咸陽人，桂林航天工業學院汽車與交通工程學院講師，工學碩士，研究方向：汽車電子產品設計，汽車電子控制技術，微電子封裝可靠性，特種加工技術與設備。

（責編 丁 夢）