基于CDIO的物聯網基礎應用課程教學模式探索

王啟明 郭寧峰 周艷艷

摘 要：現有的任務驅動、項目驅動等教學模式雖然能夠在一定程度上提升學生的自主性與團結協作能力，但其大多脫離現實生活，無法激發學生的學習興趣。文中嘗試以音樂頻譜項目為載體，按照工程項目構思、設計、實現與運作四個部分進行教學設計，開展CDIO工程教育模式的教學實踐，旨在提高學生的項目實踐水平，激發學生的學習積極性，同時更加注重提升學生的職業素養與創新能力。

關鍵詞：CDIO;工程教育;物聯網實訓;教學模式;課程改革;能力培養

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

物聯網基礎應用實訓課程是在電路與模擬電子技術基礎、數字電路技術基礎、單片機原理及應用以及傳感器與傳感網絡課程之后進行的實踐操作與訓練，采取工程化項目訓練方式，使學生綜合數字電路、模擬電路、單片機傳感器等綜合基礎應用知識，培養學生的物聯網基礎開發實踐能力，訓練其專業技能素養與職業道德素質，從而為后續的畢業設計與畢業實習打下基礎，提升物聯網技術應用與開發的能力。

1 現狀分析

本校物聯網基礎應用實訓采用分散上課的模式，近年來進行了一系列課程改革，如采用集中實訓的方式，任務驅動、項目驅動及對分課堂的授課模式。這樣的改革方案雖然收到了一定的效果，但是在任務驅動的教學模式下，由于不同學生的知識儲備與解決問題的能力有所差異，每組學生的學習進度快慢不等，甚至在實訓的最后幾天，有的組已經提前完成任務，有的組卻還在半道摸爬滾打。這樣的情況不僅不利于教師對教學進度的掌控，更會降低學生的學習效果。項目驅動的教學模式能使學生經歷問題解決的全部過程，且項目基本都來自現實的生活需求，這樣的方式能夠較好地提高學生的積極性與協作能力，但是在實施的過程中存在一些問題，如學生過于以自我為中心，在解決一個問題的過程中往往會引出更多問題，以至于后來忘記了最初想要解決的問題。

2 CDIO簡介

CDIO是一種在項目學習的基礎上增加了產品管理的工程教育模式。在這種教育模式下，學生的項目內容不僅是完成一個產品的設計，還要完成產品的實現和運作。CDIO工程教育模式完善了項目學習模式下各項目小組之間的孤立性，使各小組之間相互聯系，產品的最終質量受到學生之間誠信、協同等問題的直接影響，促使學生對項目的管理更加嚴格、謹慎，而這樣的學習過程與學生未來將要從事的實際工作更加貼近，更加有利于學生的發展。

CDIO工程教育是由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學在Knut and Alice Wallenberg基金會的資助下，經過四年的探索研究后創立的一套教育理念。這套理念不僅繼承發展了歐美地區多年來工程教育改革的優秀理念，更重要的是它還系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗評測的12條標準。

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），以產品研發到產品運作的過程為載體，使學生積極、實踐地學習工程。其培養大綱首次將工程畢業生必備的工程基礎知識、個人能力、人際協作能力及整個CDIO過程能力以逐級細化的方式表達出來，以更加明確的方式使學生在各個層面達到預期目標。

3 項目實施

以實施音樂頻譜項目為例，物聯網技術應用實訓的時間要求為1周，5個工作日，每天8課時，總計36課時。在這一周內，其他課程全部停課，在3110實訓室內進行綜合實訓。2017物聯網工程1班安排在第一周，2017物聯網工程2班安排在第二周，由學校導師和深圳信盈達科技有限公司工程師雙師授課，具體時間分配如下：

（1）嵌入式、51單片機焊接實訓（1天）;

（2）焊接音樂頻譜的開發板實訓（1天）;

（3）項目硬件驗收以及環境搭建實訓（1天）;

（4）項目功能綜合實訓（1天）;

（5）實現功能、撰寫實訓報告、答辯、考評（1天）。

3.1 音樂頻譜項目的構思

通過1周的51單片機項目實訓課程，完整地把一個音樂頻譜儀開發板中所需要掌握的技能全部展現出來，使學生了解STC8A系列單片機與LED顯示驅動芯片的原理及各引腳的含義，熟練掌握ADC模數轉換原理、離散傅里葉變換快速算法（FFT）及各種取模軟件的使用。另外，使學生熟悉簡單的焊接技術與實際嵌入式51項目開發工作，并涉及各個環節。在實訓過程中，向學生明確項目的需求，鼓勵學生積極查閱資料，自主構建知識體系，從而提高學生的團隊協作精神，培養學生發現問題、分析與解決問題的能力。完成本課程學習，可以使學生對嵌入式51項目開發流程有較為深刻的認識，同時也具備了踏入高端STM32開發的基礎知識。

3.2 音樂頻譜產品的設計

音樂頻譜產品功能的實現可以分為信號接收、信號處理及信號顯示三個模塊。以STC8A4K60S2A12單片機為控制核心，利用單片機內置的ADC采集音頻信號，并將采集到的音頻信號轉換成數字信號。通過離散傅里葉變換快速算法對數字信號進行處理與運算。FFT計算出頻譜值后，由以74HC595芯片為顯示驅動的LED矩陣將FFT計算得到的音頻信號各個頻點的大小進行直觀顯示。程序流程如圖1所示。

另外，音樂頻譜產品的功能還包括簡單的開機Logo、按鍵開關等，在學生完成產品的主要需求后，鼓勵學生自主創新，根據自身的創意豐富產品的功能與實用性。

3.3 音樂頻譜產品的實現

音樂頻譜產品的實現主要通過兩個方面來完成。

（1）硬件實現

在學生掌握一定的焊接技術后，開始音樂頻譜開發板的焊接工作。其中包括單片機、顯示驅動芯片、晶振、電阻電容、六角按鍵開關、LED燈等各種元器件的焊接。焊接過程中應要求學生嚴格遵守焊接規則，指導學生的操作，避免出現弱焊與虛焊的情況，焊接后還應做到元器件的排列整齊、美觀、穩固。

（2）軟件實現

基于C語言編寫ACD程序、FFT算法及LED顯示程序，編寫Logo的動態顯示程序等。鼓勵學生進行討論、交流，并根據學生的編寫情況，對代碼進行指導和評價。產品實物如圖2所示。

3.4 音樂頻譜產品的運作

演示音樂頻譜產品的各項功能，驗證成品能否滿足項目要求。從外觀、功能、創新等方面對產品進行評估，對有創新的小組提出表揚，對有缺陷的小組則提出意見與修改建議;發現并總結產品中存在的問題，然后進行講解;總結歸納知識要點、難點，梳理項目從構思到實現的全過程。

4 結 語

相比于其他的教學模式，學生在CDIO工程教育的教學模式下經歷了從產品設計到產品實現、運作的全部過程，創作的作品都具有鮮明的個性。由于實訓時間有限，學生不得不更加精準地把握時間，嚴格按照進度表進行作業。這不僅避免了學生過于“放飛自我”，也有利于教師對其進度進行檢查與督促。采用CDIO工程教育的教學模式，能讓學生的學習內容更加貼近實際工作，使其未來進入企業后可以更加快速地適應工作環境。

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