基于CDIO理念的單片機課程設計教學模式研究

祖一康，徐妙婧，徐純輝

（1.黃岡師范學院 機電與汽車工程學院，湖北 黃岡 438000；2.黃岡師范學院 物理與電信學院，湖北 黃岡 438000）

0 引言

單片機具有體積小、價格低、應用方便、穩定可靠等優點，在工業控制、農業生產、儀器儀表、汽車電子等領域得到了廣泛的應用[1-2]。單片機是高校電氣、電子、自動化等專業一門重要的專業基礎課程，其理論性、實踐性、應用性較強。單片機課程主要培養學生的實踐動手能力和利用單片機以及所學知識進行產品設計的能力，課程設計是單片機課程實踐教學的重要環節，顯得尤為重要。在單片機課程設計實踐教學環節中引入CDIO先進教學理念，對其進行改革和創新，以便能更好地提高學生的實踐動手能力、工程思維、創新意識、團隊協作能力等，從而提高教學效果。

1 單片機課程設計教學現狀

單片機課程設計是培養學生運用所學知識解決實際問題和提升學生動手能力的重要環節。目前單片機課程設計教學主要存在以下幾個方面的問題[3]。

1.1 時間安排不合理

單片機課程設計通常安排在學期末的最后一周，時間短，再加上學生花時間進行期末考試復習，往往疏于做單片機課程設計，導致教學效果不理想。

1.2 單片機課程設計選題單一

單片機課程設計選題來源單一，沒有讓學生參與，題目通常由老師布置給學生，題目數量少，往往一個班多個學生共用一個題目，忽略了學生間的個體差異，沒有讓不同能力的學生發揮所學之長，不能有效地激發學生的學習興趣。

1.3 單片機課程設計的組織實施不合理

單片機課程設計往往由老師統一組織實施，雖然有的也進行了分組，但是小組沒有有效的組織，沒有培養學生的團隊合作能力；由于課程設計時間短，學生通常只在Proteus軟件中進行仿真，并沒有進行實物制作，學生的實踐動手能力沒有得到有效的提高，課程設計的作用沒有得到有效的體現。

1.4 單片機課程設計的考核方式不合理

考核是檢驗學生學習情況的重要手段，單片機課程設計的考核方式單一且不合理，課程設計的成績通常由課堂出勤和設計報告組成，不能全面、客觀地反映學生的真實情況。

2 CDIO工程教育理念

CDIO理念是一種先進的工程教育理念，其包含構思（concept）—設計（design）—實施（implement）—運行（operate）4個方面，也是這4個英文單詞首字母的縮寫。CDIO理念是“做中學”和“基于項目教與學（PBL）”模式的概括集中體現，它以實際的工程項目為背景，以產品從研發到運行的生命周期為載體，將理論知識融入工程項目實踐中，讓學生在工程實踐中對知識理解并應用，培養學生的實踐動手能力、工程思維、創新能力和團隊協作能力[4-8]。

3 基于CDIO理念的單片機課程設計教學改革與實踐

將CDIO先進的工程教育理念應用到單片機課程設計實踐教學環節中，從課程設計的時間安排、選題、組織實施、考核等方面進行改革。將項目構思、項目設計、項目實施和項目運行貫穿課程設計全過程，以學生為主體，以教師為主導，通過課程設計幫助學生加深對單片機和相關課程知識的理解和應用，培養學生的工程素養。

3.1 課程設計時間安排

以往的單片機課程設計通常安排在學期末最后一周集中時間進行，由于設計時間短、任務重，加上學生還要進行期末考試課程的復習，不能專注單片機課程設計，導致效果不理想，因此將單片機課程設計提前3周布置給學生，讓學生有充足的時間去完成。第1周：學生查閱相關資料，確定實施方案并交老師進行可行性審核；第2周：進行硬件和軟件設計，并在Proteus中仿真，仿真通過后方可進入下一個環節；第3周：實物制作，發放項目所需的電子元器件，學生在萬能板上完成制作并調試；第4周：答辯考核環節，學生匯報演示作品，教師提問1～2個問題，答辯結束后，學生上交作品和設計說明書[9]。

3.2 課程設計選題

選題是單片機課程設計的重要環節，課程設計不同于課程實驗，也不同于畢業設計，因此，選題既要結合單片機應用領域，盡可能覆蓋單片機課程的主要知識點，又要注意與其他課程的銜接。選題還要充分考慮學生個體差異，在難易程度上要有層次性，以滿足不同層次學生的需要。選題來源主要有[10-11]：①教師自選，教師可以從自己的科研項目或企業項目中選取，也可以參考電子設計競賽題目；②學生自主選題，學生可以根據自己的興趣自主選擇題目，經與指導老師協商后確定。可選課題有交通燈遠程控制系統、波形發生器、數字溫度計設計與制作、電機轉速測量與控制、數字鐘等。課題確定后，教師設計好課程設計任務書發放給學生，讓學生了解項目具體要求。

表1是以波形發生器為例，將CDIO理念融入學生的知識、能力、情感等方面的培養。

表1 波形發生器設計與制作

3.3 課程設計組織實施

課程設計采用分組方式進行，每組3人，設組長1名，每組自由選題，共同完成。每組由組長組織組員完成從項目方案設計到項目完成的各項工作，如組織討論設計方案、遇到的問題以及硬件設計、軟件設計、實物制作、設計說明書撰寫等組內分工。教師從旁指導，讓學生自我組織、自我管理，充分調動學生的積極性，培養學生獨立分析問題、解決問題的能力以及團隊協作能力。組織實施過程以學生為主、教師為輔，將CDIO理念充分融入課程設計的全過程。根據CDIO工程教育理念組織項目實施，實施流程如圖1所示。

根據CDIO理念，以波形發生器的設計與制作為例，項目的具體實施過程如下。

圖1 基于CDIO理念的項目實施流程

（1）項目構思階段（concept）：學生根據波形發生器的功能和具體技術指標要求（能生成的波形種類、周期等）查閱相關資料，組內成員根據相關要求和資料提出各自的實施方案，由組長組織小組內討論，初步確定實施方案。采用5個按鍵分別生成5種波形（正弦波、鋸齒波、三角波、方波和梯形波），采用DAC0832數模轉換器將單片機輸出的數字量轉換為模擬量，由于DAC0832是電流型輸出器件，需要增加I-V轉換電路，輸出波形引腳與示波器連接。具體電路模塊有單片機最小系統、按鍵接口電路、DAC082接口電路、I-V轉換電路等。教師對小組提交的實施方案可行性進行審核，提出指導性意見，最終確定實施方案。

（2）項目設計階段（design）：本階段包括硬件設計和軟件設計，學生根據實施方案列出詳細的元器件清單并設計各模塊電路，編寫相關程序，調試、編譯生成HEX文件。首先在Proteus軟件上進行仿真，以熟悉各電路的具體連接，仿真通過后，再繪制原理圖，生成PCB圖，為下一階段作準備。

（3）項目實施階段（implement）：學生根據PCB圖，選擇元器件，并在萬能板上焊接實施，焊接完成后，將程序下載到單片機中，通電進行調試，觀察能否實現功能要求，不能實現的查明原因并及時修正。焊接調試完成后，撰寫作品的設計說明書。

（4）項目運行階段（operate）：硬件電路調試完成后，學生以組為單位，制作PPT，公開匯報和演示作品，重點匯報實施方案的形成過程、項目實施過程中遇到的問題、如何解決等。匯報后，演示相應的作品，并回答老師和學生的提問。

3.4 課程設計考核

考核是檢驗學生課程設計完成情況的重要手段，不僅要能檢驗學生的知識掌握情況，更重要的是還要能檢驗學生的實踐動手能力、團隊協作能力、工程素養等。通過考核促進學生積極主動地學習、積極動手參加實踐，充分調動學生的積極性和主動性。改革傳統只有考勤和設計說明書成績作為學生最終成績的考核方式，采用過程考核方式為主、答辯考核相結合的考核方式。過程考核主要由學生自評、小組內互評、教師評價組成，過程考核貫穿項目實施的全過程，根據課程設計的時間安排，每周安排一次考核[12]。

學生自評：學生結合自身情況從學習態度、職業素養（是否按要求操作、維護實驗室環境衛生、文明禮貌等）、工作能力（資料收集能力、分析問題與解決問題能力、工作思路清晰）、階段任務完成情況等方面對自己評價。學生自評占過程考核的20%。

小組內互評：小組內成員之間從學習態度、團隊協作能力、職業素養（是否按要求操作、維護實驗室環境衛生、文明禮貌等）、工作能力（資料收集能力、分析問題與解決問題能力、工作思路清晰）、階段任務完成情況等方面相互評價。小組內互評占過程考核的30%。

教師評價：教師根據學生的出勤情況、操作是否規范、操作熟練程度、分析問題與解決問題的能力等方面進行評價。教師評價占過程考核的50%。

課程設計完成后組織答辯考核，學生制作匯報PPT，首先從設計方案、設計構思、設計創意等方面匯報；其次進行實物演示；最后老師、其他學生對設計提問。教師根據學生答辯情況、回答問題情況、作品完成情況以及設計說明書撰寫情況給學生評分。

學生課程設計的成績由過程考核（70%）和答辯考核（30%）組成。

4 結語

學生在考核答辯中展現了他們對單片機課程設計的過程，即完整的問題分析過程和解決過程。每名學生都參與課程設計的工作中，鍛煉了實踐動手能力與團隊協作能力。實踐表明，改革后的單片機課程設計極大地提高了學生的實踐動手能力、分析問題與解決問題的能力、團隊協作能力等，同時也極大地提升了課程教學效果，為學生后續課程學習、畢業設計、就業打下了堅實的基礎。

該教學模式在小組分工方面存在分工不均的問題，造成學生工作量不同，引發其他學生不滿，或有的學生參與不夠，對能力的鍛煉有所欠缺等問題。關于這些問題，在未來的教學中可以采取每個過程小組分工的模式，確保小組成員都參與每個過程中，盡量使每個學生工作量均等。