基于CDIO理念的“微機原理與應(yīng)用課程設(shè)計”的實驗教學(xué)改革研究

劉麗麗，劉同禮，金小香

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江蘇南京,210088）

0 引言

“微機原理與應(yīng)用”是一門綜合性比較強的課程，其內(nèi)容具有很強的實踐性和應(yīng)用性，同時該課程是工科類電相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課。為了進一步增強學(xué)生的動手能力和應(yīng)用能力，特別開設(shè)了“微機原理與應(yīng)用課程設(shè)計”?！段C原理及應(yīng)用》課程涵蓋了“電子線路”、“計算機組成原理”、“單片機”等課程，其中根據(jù)教學(xué)目的我們開設(shè)的《微機原理及應(yīng)用》課程以單片機內(nèi)容為主，我們在單片機的選型上從以往的51型單片機改為了MSP430系列單片機，MSP430片上資源相當(dāng)豐富，除了基本的片上資源外，還具有硬件乘法器、溫度傳感器、SPI總線以及LCD液晶驅(qū)動模塊等片上資源，以下我們把微機原理課程設(shè)計統(tǒng)稱為單片機課程設(shè)計。

單片機課程設(shè)計是一門實踐性比較強的學(xué)科，為了能夠?qū)W好這么課程，除了具有扎實的理論基礎(chǔ)，還需要軟硬件環(huán)境的配合.雖然目前已經(jīng)建立了微機原理實驗室，但是遇到特殊情況，特別是疫情的沖擊下，課程設(shè)計的開設(shè)就存在困難。

傳統(tǒng)的單片機課程設(shè)計以單片機開發(fā)板為實驗器材，開設(shè)的內(nèi)容大多數(shù)屬于訓(xùn)練性實驗，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下根據(jù)講義一步一步完成相應(yīng)的內(nèi)容，在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往很被動，并且依賴性強。為了培養(yǎng)學(xué)生動手能力，解決問題能力和構(gòu)建創(chuàng)新意識，單片機課程設(shè)計的教學(xué)改革就顯得迫在眉睫。

另外突如其來的疫情，借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)力量，根據(jù)教育部提出的“停課不停教、停課不停學(xué)”的目標任務(wù)，大大加速了我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育融合的步伐。結(jié)合CDIO教學(xué)模式，對“單片機課程設(shè)計”進行教學(xué)改革，開展以項目教學(xué)為主的CDIO模式教學(xué)，讓學(xué)生做中學(xué)，在有限的時間內(nèi)，既能動手實踐，又具有一定的實際工程問題解決能力和創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力.

1 基于CDIO理念的混合式教學(xué)體系

CDIO 代表工程中的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）等四個步驟。CDIO教育的核心思想是通過項目的實施，來推動學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識、 個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)能力等四個方面的提高。

線上線下混合式教學(xué)主要是根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點，結(jié)合傳統(tǒng)課堂的線下課堂教學(xué)方式的優(yōu)勢和線上網(wǎng) 絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，建立線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，單片機線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺由課程信息、學(xué)習(xí)任務(wù)、案例展示、資源推薦等多個模塊組成。每個模塊又被劃分為多個子模塊，層層遞進，通過各個模塊的視頻講解，可以使學(xué)生 對知識以及技術(shù)的掌握更加直觀。

因此，CDIO工程教育與線上線下混合式教學(xué)的結(jié)合，本質(zhì)上是一種利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與工程教育理念對課程教學(xué)進行的改革。“微機原理與應(yīng)用課程設(shè)計”教改以理實一體化、多教學(xué)情景融合、優(yōu)化教學(xué)資源為出發(fā)點，建立了以“工程化教學(xué)內(nèi)容—混合式教學(xué)—課程考核體系”為指導(dǎo)的臺階式實踐教學(xué)體系，使學(xué)生真正做到在學(xué)中做、在做中學(xué)。臺階式實踐教學(xué)體系如圖1所示。

圖1 混合式CDIO教學(xué)體系

2 基于CDIO理念的混合式教學(xué)內(nèi)容

2.1 堅持線上與線下相結(jié)合

在單片機課程設(shè)計的教學(xué)過程中，學(xué)生作為主體，為了進一步促進學(xué)生的主動性和創(chuàng)新能力，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來開設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。

通過錄制視頻，通過網(wǎng)絡(luò)平臺，教師可以進行線上教學(xué)，線下布置任務(wù)、答疑。學(xué)生根據(jù)老師布置的任務(wù)進行構(gòu)思，設(shè)計、實現(xiàn)和運行。

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺與老師及同學(xué)之間進行溝通探討，這種線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式不會受到時間限制，隨時隨地可以進行教學(xué)與學(xué)習(xí)，在這種教學(xué)模式中，學(xué)生在課程設(shè)計中經(jīng)過實踐訓(xùn)練之后，對疑難問題可以通過該平臺進行討論，并且可以自我進一步學(xué)習(xí)，在課程設(shè)計中，除了提供大量開發(fā)板，還提供了很多模塊，學(xué)生可以根據(jù)自己在網(wǎng)上所獲得的興趣點進行進一步設(shè)計。

2.2 利用CDIO理念，項目式教學(xué)

在以“CDIO”理念為基礎(chǔ)的課程設(shè)計的整個實施過程中，采用項目式教學(xué)，分組進行，劃分每組3人左右。以學(xué)生為主體，以設(shè)計為中心，由組長組織組員完成從項目方案設(shè)計到項目完成的各項工作，如組織討論硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，讓學(xué)生自我組織、自我管理。教師作為項目管理者，在設(shè)計過程中主要起到輔導(dǎo)、答疑、評價的作用。項目式教學(xué)可以充分培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力以及團隊協(xié)作力。

按照“CDIO”模式，項目具體實施流程如圖2所示。

圖2 基于CDIO理念項目實施過程

2.3 利用Proteus軟件平臺，提高學(xué)生的實踐能力

以CDIO理念為基礎(chǔ)的單片機課程設(shè)計以理實一體化、多教學(xué)情景融合、優(yōu)化教學(xué)資源，混合式教學(xué)為出點，建立了“課上實踐教學(xué)—課外虛擬實驗”二個步驟的臺階式實踐教學(xué)體系，使學(xué)生真正做到在學(xué)中做、在做中學(xué)。

單片機課程是門對實踐和動手能力要求都很強的課程,根據(jù)以往所有的實驗都是在已經(jīng)搭建好的實驗箱上運行,即使在實驗課中原理電路已經(jīng)經(jīng)過講解， 但是學(xué)生并不知道實驗箱上每部分電路是如何構(gòu)成一個大的電路板，甚至經(jīng)過講解的功能電路都不能理解，因此經(jīng)常不能很好地將硬件電路開發(fā)和軟件編程結(jié)合起來一起思考，所以在課程設(shè)計中我們引用了Proteus仿真平臺。

Proteus是一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，提供了電路原理圖的設(shè)計、PCB印刷版的設(shè)計以及基于mcu的軟硬結(jié)合仿真系等功能，采用 Proteus 仿真工具開發(fā)電機控制系統(tǒng)流程為：建立工程→原理圖繪制→軟件編程→ 代碼加載→協(xié)同仿真→優(yōu)化。大體分為系統(tǒng)設(shè)計、硬件電路、軟件編程與協(xié)同仿真四個階段。

另外有興趣的同學(xué)還可以進一步對電路進行搭建，充分發(fā)揮學(xué)生的個性化思維與創(chuàng)新能力，在單片機課程設(shè)計中我們用的基于MSP430f5529芯片的開發(fā)板，課程設(shè)計中，每個學(xué)生都有一套開發(fā)板，這樣學(xué)生可以很方便得將開發(fā)板帶回宿舍進行研究和集體討論，這樣在教學(xué)中充分利用起學(xué)生的課余時間, 達到了很好的教學(xué)效果。當(dāng)課程設(shè)計結(jié)束后，再讓學(xué)生把開發(fā)板上交開發(fā)板。

2.4 鼓勵學(xué)生引用網(wǎng)絡(luò)資源

在以往的教學(xué)模式下,僅靠有限的書面知識已顯得力不從心。在信息技術(shù)高速發(fā)達的今天,網(wǎng)上充斥著大量的單片機學(xué)習(xí)資料,里面很多經(jīng)典的設(shè)計案例。理論課中我們用的主要是MSP430f6638芯片，而課程設(shè)計中主要用的是MSP430F5529，因此我們鼓勵學(xué)生在網(wǎng)上查找芯片資料和芯片資源,從而為將來走上工作崗位打下一定的基礎(chǔ)。

在網(wǎng)絡(luò)時代，信息的爆炸增長，要求學(xué)習(xí)者必須具備良好的自主學(xué)習(xí)能力和自我提升意識，學(xué)會在在網(wǎng)絡(luò)平臺上尋找自己需要的信息量并且加以設(shè)計。對于個性化學(xué)生,在此設(shè)計中讓其充分發(fā)揮,例如設(shè)計按鍵控制，藍牙模塊控制等有關(guān)的課題,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力,達到培養(yǎng)學(xué)生各種能力的目的。學(xué)生可以對此課題充分進行發(fā)揮,可以根據(jù)自己的思路，從而設(shè)計出一系列子課題,在接下來的時間中，學(xué)生會思考如何設(shè)計電路、編制程序、制成最后的產(chǎn)品。曾有學(xué)生在課程設(shè)計種對語音控制模塊產(chǎn)生了興趣，課程設(shè)計結(jié)束后，一直堅持，最終在畢業(yè)設(shè)計中獨立地完成了的基于MSP430的智能音箱設(shè)計，并推為校內(nèi)優(yōu)秀畢業(yè)論文。

2.5 課程設(shè)計時間安排

單片機課程設(shè)計通常安排在學(xué)期末最后兩周集中時間進行，由于設(shè)計時間短、任務(wù)重，加上課程設(shè)計前學(xué)生專注于期末考試，導(dǎo)致課程設(shè)計完成內(nèi)容比較單調(diào)，因此將單片機課程設(shè)計在開學(xué)初直接布置給學(xué)生，讓學(xué)生有足夠的時間查閱相關(guān)資料和學(xué)習(xí)相關(guān)仿真軟件。

大學(xué)4年里,如何使單片機實踐教學(xué)的應(yīng)用學(xué)習(xí)到真正掌握,這個過程通過實踐教學(xué)內(nèi)容與體系的改革慢慢解決。無論教學(xué)方法的改革,還是教學(xué)內(nèi)容的改革,提高了學(xué)生單片機對單片機的興趣，就提高了學(xué)生在單片機方面的應(yīng)用與開發(fā)能力。

3 基于CDIO理念的課程考核體系建設(shè)

對于課程設(shè)計的考核，結(jié)合CDIO教學(xué)理念，以工程的能力培養(yǎng)為主。一反面課程設(shè)計完成后組織答辯考核，學(xué)生制作匯報PPT，從設(shè)計方案、設(shè)計構(gòu)思、設(shè)計創(chuàng)意等方面匯報。在學(xué)生的匯報過程中，主要對學(xué)生的設(shè)計能力，動手能力和自學(xué)能力等提升情況考核；教師根據(jù)學(xué)生答辯情況、回答問題情況、作品完成情況以及設(shè)計說明書撰寫情況給學(xué)生評分。

另一方面需要學(xué)生在每一個項目的不同階段掌握相關(guān)的知識重點以及靈活運用所學(xué)知識的能力，加強有效地分析和解決問題能力的培養(yǎng)，教師根據(jù)學(xué)生的實際完成作品考核，考查作品中相關(guān)的知識點，從而根據(jù)學(xué)生的對知識點的掌握程度給學(xué)生評分。學(xué)生課程設(shè)計的成績由過程考核（50%）和答辯考核（50%）組成。

4 結(jié)語

21世紀是信息時代,要求學(xué)校培養(yǎng)更多探索創(chuàng)新型應(yīng)用人才,因此實踐教學(xué)的培養(yǎng)特別重要。實踐教學(xué)的培養(yǎng)更看種的是使學(xué)生具備獨立工作能力。實踐教學(xué)應(yīng)該有自己的目標和功能，它的目標是培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神;我們通過設(shè)置單片機課程設(shè)計，來增強學(xué)生在單片機應(yīng)用方面的能力，“微機原理與應(yīng)用課程設(shè)計”通過項目化任務(wù)的布置，應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生通過實踐發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng),培養(yǎng)學(xué)生初步的科學(xué)研究能力。在實踐教學(xué)中,應(yīng)該要求學(xué)生既要動手,又要動腦,只有這樣,才能達到單片機實踐教學(xué)的目標,實現(xiàn)單片機實踐教學(xué)的功能。

單片機課程設(shè)計是學(xué)生深化理論學(xué)習(xí)的必要途徑，可以使學(xué)生對抽象的概念，單片機結(jié)構(gòu)原理了解的更深入，以CDIO為理念結(jié)合混合式教學(xué)方式通過MSP430F6638套件和Proteus軟件的結(jié)合來開展單片機課程設(shè)計，極大的提高了學(xué)生的編程興趣，鍛煉了動手能力和編程能力，并且可以進一步引導(dǎo)學(xué)生，鼓勵學(xué)生參加相應(yīng)的機器人競賽，實踐創(chuàng)新能力進一步提升。