基于CDIO工程教育的應用型人才培養理論與實踐研究
——以紅外多路遙控系統設計為例

曾素瓊 張學成 朱向慶

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

1 引言

CDIO 工程教育模式由麻省理工學院等4 所大學創立，主張以學生的基礎知識、個人素質和職業技能、協作能力和工程-社會大系統適應能力為培養目標，以產品的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運行（Operate）的生命周期為學習主線，促進能力、素質和知識的訓練和提高，是“做中學”和“基于項目的教育和學習”的集中體現[1]。CDIO的具體目標是“為本科工程教育建立一個合理的、完整的、通用的、可概括化的目標組合”，并對教學目標進行4個層次的定義[1]：“技術知識與推理”“個人與職業的技能與特性”“人際技能，團隊合作和溝通”“CDIO 能力”。CDIO強調模擬現代工程師的真實工作環境為工程教育的背景環境，參照工業界的要求制定CDIO能力培養大綱，并對培養計劃、教學方法、學生考核以及學習構架提出了全面的指導和要求，突顯了CDIO工程教育在工程師知識和能力兩方面并重培養的特征。迄今已有幾十所世界著名大學加入了CDIO 國際組織，通過國際合作的方式，多個國家、大學、專業可以并行探索，集國際智慧，大大加快改革步伐和保證改革方向的正確性[2]。

高等教育的快速發展，使我國擁有了世界上規模最大的高等工程教育體系，但是，目前我國高等工程教育總體來看質量還有待提高，要將我國工程科技人才的數量優勢發展為質量優勢，就必須發揮高等工程教育的重要作用。與發達國家相比，我國工程科技人才培養模式普遍存在重理論輕實踐、缺少創新精神和團隊精神、原始創新能力和工程領導力不足、產學研脫節等問題[2-4]。我國的高等工程教育應探索提升我們的工程教育質量，結合工程實踐的教和學，培養符合產業需要的具有全面能力和素質的工程人才。教學改革經驗是可借鑒的，培養模式是可推廣的，除要考慮中國國情外，還要考慮各類高校的實情，譬如：嘉應學院為普通本科院校，學生理論基礎有限，學校教學條件有限，怎樣在有限的四年里培養成用人單位比較滿意的工程人才，是學校及很多類似的普通高等院校目前面臨的問題，也是急需解決的問題。

2 改革與實踐的意義

CDIO 工程教育改革理念比較完整和系統地探討了工程教育的目標體系，并提出了一整套實現的目標模式、方法和指引，目的是培養具有現代工程實踐能力和國際競爭力的工程師。對于我國，開展全面、深層次工程教育改革是專業全球一體化發展的需要，是“生產大國”轉變為“生產強國”的需要，是高速發展科學、技術的需要。課題采用美歐CDIO理念，并借鑒擴展它的項目目標體系內涵，設計并發展全新的CDIO工程教育創新人才培養模式。課題把培養全面發展的高素質人才目標這一指導思想貫穿于教育教學改革中，更新教育觀念，將工程師應具備的核心素質教育作為工程教育的主線，貫徹以學生為中心的知識、能力、素質全面協調發展的教育理念，理論教學與實踐教學統籌規劃，從課程內容到實踐教學平臺建設，將知識傳授與能力培養融合在一體化的教育過程和課程實施中，在教學方式、教學安排和教學過程將做相應改革，以啟發式教學引導學生以主動的、實踐的及課程之間有機聯系的方式學習工程，探索適合我國普通工科高校的本土化CDIO 教育模式。

3 改革實施方案、實施方法

借鑒美歐CDIO 模式，并結合我國的EIP（即道德（ethics）、誠信（integrity）和職業素質（professionalism））教育有待加強的實際情況[5-7]，將EIP與構思-設計-實現-運作（CDIO）有機結合，以系統的理念和措施促進學生知識、能力與素質的提升。

（1）學習美歐CDIO 和了解國內CDIO 工程教育改革情況，認識教改的重要性和必然性，探討可行有效適合新時代中國的CDIO工程教育改革的模式。

（2）基于CDIO原理，依據學生及學校實情，建立人才培養模式，例如：以電子工程項目設計為導向的培養模式，通過主干課程及課程群的課程設計，讓學生理論聯系實際，培養學生工程設計思想。

（3）以專業為單位（例如，以通信專業為例），建立一體化的課程體系，可以從專業主干課程開始，也可從實踐性強的課程開始，推廣到其它課程，加強教師自身的CDIO工程教育能力并充分調動教師改革的積極性，把改革工作做好。

（4）CDIO 工程教育的學習方法探討，學生和教師要充分參與項目實施，探索出可行有效的學習方法，例如：基于電子工程項目的學習和探究式學習的一體化主動學習方法，通過學生參與教師科研項目、開放實驗室項目，教師指導學生參加實訓實踐創新項目等方式，落實工程教育的工程師素質培訓。

（5）配套資源及文化、制度建設，在學校經濟允許的情況下，設備及評估體系盡量超前，建設中充分利用產學研平臺、實訓基地，多向行業龍頭企業（單位）學習，文化建設要充分利用學校自身優勢，如嘉應學院電子信息工程學院，一貫重視學生動手能力教育，高年級學生工程素質較好，教師以導師制帶高年級學生，高年級學生帶低年級學生，達到工程素質的共同提高。

（6）課題實施中不斷激發學生學習興趣，多向學生展示問題，引導學生換位思考，啟發學生獨立思考、拓寬視野、形成創新意識，另外，要對學生的研討過程進行實時監控，及時點評，提高學生學習的積極性、責任感和成就感。

4 基于CDIO 工程項目設計實例——紅外多路遙控系統設計

基于CDIO思想的“紅外多路遙控系統設計”工程項目設計實例，是基于電子工程項目的學習和探究式學習的一體化學習方法的設計及過程展現，培養學生工程師思維。

4.1 系統設計實施過程

基于CDIO的工程項目設計對實用電子系統的設計一般過程有示范性作用[10,11]，實施過程如下：

（1）按項目要求，設計系統結構框圖，這一步主要做好這些工作：瀏覽相關的書籍和期刊，學習市場上應用的先進技術，了解相關的芯片或相關應用器件，了解相關芯片的使用環境及其主要參數，查閱相關協議及協議標準。

（2）設計主要硬件電路，如本項目的單片機最小系統電路、紅外發送電路、紅外接收電路、按鍵模塊電路等。

（3）采用模塊化設計的思想，對軟件進行設計，如本項目設計：紅外發射、紅外接收、按鍵實現程序等。

（4）設計完成后，制作電路，并對其系統主要性能和功能進行測試設計及實驗結果分析。

（5）工程項目完成后對系統總體情況的描述總結。

4.2 按設計要求完成系統總體設計

完成項目，首先要了解項目設計要求，紅外多路（3 路以上）遙控系統，要求控制到多路（3 路以上真實負載），可顯示遙控工作情況，可結合單片機控制，系統用于智能家居控制[8,9]。項目用到的課程知識：電路分析、模擬和數字電子技術、微機與單片機、自動控制等，以及應用紅外多路遙控、顯示等電子技術知識。

為完成上述工程項目，先進行系統總體設計，例如，系統框圖可設計為如圖1所示。系統主要包括：主控芯片單片機最小系統、紅外發射和接收電路、按鍵電路、控制負載電路、顯示電路。按鍵電路發出編碼信息，通過STC12C5A60S2單片機存儲編碼信息，在驅動電路和單片機的作用下，觸發紅外發射管發送紅外光并顯示按下什么指令。紅外接收管接收到紅外發射管發射的紅外信號編碼，通過單片機把紅外信號解碼成按鍵信號，通過對按鍵信號判斷控制家用電器得電還是失電，進而控制家用電器。

4.3 主要硬件電路設計

4.3.1 單片機選擇及其最小系統設計

首先，在了解相關主控芯片的前提下，選擇主控芯片，這里選STC12C5A60S2 單片機，STC12C5A60S2 的工作頻率范圍為0~35MHz，速度比傳統51單片機快，具有32個（較多）輸出/輸入口，每個輸出/輸入口的驅動能力可達到20mA，該款單片機燒寫程序簡單方便，無需專用的編程器和仿真器，可以直接通過串口下載。

其次，設計單片機最小系統，單片機最小系統是單片機要工作對應的最簡單電路，包括復位電路與時鐘電路，電路可設計為如圖2 所示。按下S1 按鈕后，VCC端便會直接連到單片機的第9腳，當單片機檢測到高電平后便會自動執行復位功能，MCU 從硬件層次上完成重置。時鐘電路的主要功能是給主控系統供給穩定的工作頻率，控制單片機的工作節奏，晶振頻率選用11.0592MHz（常用），晶振頻率可以根據自己的需求設置，負載電容33pF（一般取值在15~35pF）。

4.3.2 按鍵電路設計

系統的人機交互很重要，例如，可通過按鍵來實現，既簡單又實用，通過按鍵發送不同的指令，控制不同繼電器開或者關，從而控制電路上家用電器的工作狀態。紅外發射部分可設計為6 個輸入按鍵KEY1~KEY6，分為3組，每組控制一路負載開和關，每個按鍵接至單片機的IO口（P2.0~P2.5），按鍵與單片機的連接如圖2所示，6個按鍵連接成共地形式，若鍵盤中有按鍵按下，單片機相應的IO口就會接收到低電平，單片機檢測到低電平后便調用相關函數，繼而控制用電器。例如，當按鍵1按下時發出0x10指令經紅外發光二極發射到VS1838B接收然后控制繼電器1工作，驅動用電器開（例如，燈泡亮）；按鍵2的作用就是發送0x20指令讓繼電器1關，用電器關（例如，燈泡不亮）。

4.3.3 紅外發射和接收電路設計

紅外發射電路是由三極管放大電路和紅外發射管組成，其電路如圖2 中紅外發射電路所示，其中三極管的型號為S8050，三極管共射接法具有電壓和電流放大作用，能夠提高發射功率。三極管的基極經限流電阻R2接至單片機P2.6口，當P2.6 口輸出低電平時三極管不導通，不向外發射紅外信號；當端口輸出高電平時，三極管導通，向外發射紅外信號，當P2.6口不斷輸出高低電平時，紅外發射管能在導通與不導通之間切換，便能成功發射出一段38kHz的類似矩形波的紅外信號。

系統可采用一體化紅外接收元器件VS1838B，VS1838B內部有含有放大、濾波、解調等電路，采用外屏蔽抗干擾設計，具有抗干擾能力強、能在低電壓工作、寬角度及長距離接收等特征[8,9]，輸出電平兼容單片機，工作范圍在2.7V~5.5V，低電平有效，其廣泛應用于冷氣機、暖風機、電風扇、燈飾等家用電器。在電路中紅外接收管VS1838B 的第1 腳接單片機的P3.2 口，2 腳接地，3 腳接+5V 電源，電路如圖2 中VS1838B 紅外接收模塊所示。當收到38kHz 紅外信號時，VS1838B 的P3.2 口為低電平，當沒有接收到任何信號時，VS1838B的P3.2口為高電平。

4.3.4 顯示模塊電路設計

系統選用0.96 寸OLED 顯示屏，分辨率為128×64。OLED 是一種有機發光的顯示器，區別于常用的液晶顯示屏，其不需要加背光，因此其消耗的電能也遠遠少于普通顯示器，能顯示各種文字及自定義的符號與圖像，只需要兩個輸出/輸入口便可控制模塊上的顯示內容，速率高，不會發生殘影拖影等現象。顯示模塊電路如圖2 中OLED 顯示屏所示，模塊的第1、2腳分別接地與+5V電源，第3、4、5及6腳連接單片機P1.0~P1.3口，單片機模擬I2C總線與顯示屏模塊進行通信。

4.3.5 負載連接與繼電器驅動電路設計

負載連接與繼電器驅動電路設計如圖2中繼電器驅動電路所示，因為單片機的驅動電流比較小，繼電器驅動需要較大電流，故在電路中加入了NPN三極管Q2共射放大，當P0.2為高電平時三極管導通，紅外管發射，繼電器工作，驅動負載開；當P0.2 為低電平時，三極管截止，紅外管不發射，繼電器不工作，負載關，三極管也擔當開關角色。繼電器的回路中接入一個續流二極管D12，繼電器從導通到關斷時有比較大的反向電流，二極管續流可以保護繼電器不被燒壞，繼電器直接連接實際負載（例如，燈泡和風扇）。

4.4 系統主要軟件設計

系統的軟件設計是系統實現很重要的部分，本項目的軟件主要由主控程序、紅外發射程序、紅外接收程序、LED顯示程序和按鍵掃描程序組成。程序可在宏晶公司提供的串口燒錄軟件進行下載，將串口線與單片機的TXD、RXD 連接，并且共地便可進行下載。

4.4.1 了解并使用好紅外通信協議

紅外通信協議規定了利用紅外線通信時傳輸數據的時序和高低電平[8,9]，系統使用紅外通信協議為NEC，其規定了開始傳送時高低電平的時間和發送高電平或低電平的格式，軟件設計時一定要了解NEC 協議特征：8 位地址和8 位命令長度、每次傳輸兩遍地址（用戶碼）和命令（按鍵值）、通過脈沖串之間的時間間隔來實現信號的調制（PPM）、8kHz載波。

4.4.2 紅外發射及按鍵程序設計

這部分程序目標：開始工作時，定時器0初始化，當單片機檢測到按鍵按下，則輸出對應的按鍵指令，調用發送函數根據NEC通信協議編寫時序，將要發送的數據傳遞給發送函數[13]，紅外發射管發射，然后顯示屏上顯示相應的控制指令。4.4.3 紅外接收及繼電器控制程序設計

這部分程序目標：當單片機接收到不同的紅外指令時，單片機控制繼電器，當接收到指令0x10時，繼電器1開，當接收到指令0x20時，繼電器1關；當接收到指令0x30時，繼電器2開，當接收到指令0x40時，繼電器2關；當接收到指令0x50時，繼電器3開，當接收到指令0x60時，繼電器3關。三個繼電器分別控制三個不同的負載（例如家用電器），因此可以實現不同負載的控制。

4.5 系統調試及測試結果分析

發送不同指令，測試紅外多路系統的多路接收情況。紅外發射電路遙控器上有6個按鍵KEY1~KEY6，分為3 組，每組遙控一個家用電器（開或關），遙控3路負載工作情況可設計為對應表格描述。

對紅外多路系統的傳輸距離與傳輸數據的準確率必須做實驗測試，在不同的距離下紅外系統功能實現，按鍵能控制對應家用電器的動作，并能控制多個電器，測出系統的通信距離（如5cm~200cm），若超出該范圍則有可能接收到錯誤的數據或接收不到數據。測試時還要了解紅外通信特點，例如：紅外通信時，紅外發射頭必須對著接收管；紅外發射電路的功率越強，通信距離越大；空氣質量不好，如水分或霧霾亦有可能影響紅外通信的質量。

4.6 系統設計實施后的總結

系統完成后需對系統總體情況作描述總結，如本項目設計的總結可表述為：基于STC12C5A60S2單片機的紅外多路遙控系統，結構簡單，通信穩定，系統能夠進行數據的多路發送與接收，具有很好的抗干擾能力和擴展能力，系統可輕松嵌入各種電子設備中，適合用于短距離無線通信場合。

5 改革的特色與創新

（1）項目主要探索CDIO工程教育應用于普通本科高校的創新型人才培養，目前CDIO工程教育改革主要在國內較知名的一本高校進行，普通本科高校實施CDIO工程教育改革，要考慮學生條件特點和學校條件。

（2）項目的CDIO模式改變只將“知識傳承”作為教學目標的傳統做法，在重視知識傳承的基礎上，加強能力培養的要求。在專業課程中拓寬知識面，針對課程的特點，專門設計項目指導書，明確提出課程的能力培養要求。

（3）結合美歐CDIO和中國國情，加強學生專業知識、工程能力的同時，重視人文教育，重視學生綜合素質教育及工程師工作等職業教育，真正踐行學?！坝藶楸?、德育為先”的人才培養教育理念和崇尚應用之創新，追求“應用之卓越”的教學理念。

6 總結

文中對基于CDIO工程教育的應用型人才培養理論與實踐做了研究，分析了我國工科教育現狀和改革與實踐的意義，對改革實施方案、實施方法作了描述，提出了改革的特色與創新點。本文以“紅外多路遙控系統設計”為例，闡述基于CDIO 工程教育思想的實用電子系統的設計及實施過程，有可復制性及較好的延展性。

項目研究以工程師應具備的核心素質教育作為工程教育的主線，理論教學與實踐教學統籌規劃，從課程內容到實踐教學平臺建設，將知識傳授與能力培養融合在一體化的教育過程和課程實施中，在教學方式、教學安排和教學過程作出相應改革，探索適合我國普通工科高校的本土化CDIO 教育模式。項目有較高的學術價值，預期推廣、應用范圍首先是本學校本院系的工科專業，繼而是廣東甚至全國的高校工科各專業。