CDIO项目教学法在单片机课程中的应用

谢 楠

(浙江水利水电专科学校，浙江杭州 310018)

0 引言

目前，国内高校开设相关的单片机课程主要有《单片机原理及应用》和《单片机系统开发》，均是理论性和应用性较强的课程，同时也是相关专业的核心课程.课程学习的目标是学生通过单片机课程的学习掌握单片机的基础知识，具有单片机系统设计与开发的能力，为单片机应用工程师岗位培养奠定基础.传统的单片机课程教学多为课堂理论教学和实验教学相结合的教学模式，按照教材内容讲解相关的理论知识，并为其配备一定比例的上机实验学时.但是因为单片机的基础理论知识比较抽象，实验学时所占比重相对较低，而且上机实验课也是针对某一类型单片机开发实验箱上进行操作实践的，同学们几乎只须按照实验指导书的操作说明和一定实验接线完成硬件电路的设计，学生在现有的硬件基础上进行相关的编程与效果实现.但是很多同学对实验程序的编写和具体硬件电路如何设计等知识的理解还不够透彻，对实验过程中出现问题独立解决的人数也不多，对于发现解决问题思路还是很模糊，因此这种传统的教学方法不利于工科学生学习和工程能力综合素质培养目标发展.

为了适应当前工程教育的需要，结合浙江水利水电专科学校“水文化”教学理念及CDIO教学模式，对单片机课程教学进行教学改革，开展以项目教学为主的CDIO模式教学，让学生做中学，在有限的时间内，既掌握单片机理论基础知识，又具有一定的实际工程问题解决能力和创新能力和团队协作能力.

1 CDIO项目教学模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果.CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期的为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程.CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[1］.

目前全国已有几十所高校在开展CDIO试点工作.近两年来，浙江水利水电专科学校加强校际交流，借鉴国内外教学模式改革经验，拓展新思路，特别是结合浙江水利水电专科学校近60年的办学特色，深入“水文化”的研究，推进CDIO高素质技能型人才培养模式CDIO教学改革试点，其一重要愿望——提高学生“应对市场变化的能力和可持续发展能力”，其中一个重要立足点就是加强职业核心能力的培养，职业核心能力是CDIO四大能力之一，需要通过精心设计的教学模式，实现人文精神、社会能力在第一课堂的渗透培养，凸显学生职业核心能力的培养，浙江水利水电专科学校已在一些重点专业上进行了CDIO教学改革试点[2］.

2 CDIO单片机课程项目化教学

项目教学法由以教师为中心转变为以学生为中心，由以课本为中心转变为以“项目”为中心，由以课堂为中心转变为以实际经验为中心，其实在一定程度上就是CDIO教育理念所提倡的在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面上进行综合培养的教学模式.而基于CDIO理念的项目教学法就是在项目教学法的基础上，按照CDIO教育理念进一步深化和系统化，使学生在掌握专业知识的同时，切实培养其动手能力、综合创新能力和团队协作能力[3］

2.1 课程项目设计

基于CDIO模式的项目教学设计，主要围绕课程理论和实践相融合展开，让学生们“做中学，学中做”地循环深入学习、思考和提高.根据专业模块岗位设置、教学计划和市场能力需要分析，将单片机课程的抽象内容化为具体的项目任务设计中.结合最新的职业教育改革要求以及教材授课内容[4］，主要将单片机课程从点到线到面，以项目化任务设计对MCS-51单片机的内部结构、最小系统、并行I/O口应用、定时/计数器、中断系统、显示与键盘接口技术、串行通信技术、AD和DA接口电路、存储扩展技术、单片机应用系统设计等10个知识块内容进行剖析、教、学、做，结合浙江水利水电专科学校“水文化”教育理念，共设计了10个项目来引领课程的教与学，见表1.

表1 课程项目化设计

2.2 课程教学实施

课程从CDIO教学理念出发，以项目化进行授课，每个项目分几个子任务，均有不同的重、难点知识内容，而每个项目的设计、教、学按教师和学生两种角色进行的，实施流程见图1.下面将以“船舶油耗监测系统”项目为例阐述一下CDIO教学实施过程，探讨一下该模式在单片机课程中的应用与实践.

图1 CDIO模式的单片机课程教学实施流程

(1)课程项目构思

项目主要目标是，让学生利用单片机中断功能、A/D接口技术、I/O口应用、键盘与LED显示功能接口技术，模拟完成船舶油耗量的在线监测系统设计.教师扮演项目经理角色，将仿真系统进行演示，将项目分模块布置任务:AD采集模块、按键启动模块、油耗显示模块、异常数据报警设置.让同学们在思考中学习，完成各个项目模块的设计思路.这个阶段可以很好锻炼同学们的独立思考和分析问题能力，加强自学能力，培养他们多思、问题分析与解决问题能力等.

(2)课程项目设计

教师通过对项目模块的分析，要求同学们对每一个模块进行概念分析、理论求解，提出设计方案，每组成员分模块进行方案验证，结合Keil C和Proteus电子仿真软件进行硬件电路原理图设计、代码编制与调试.教师需要不断地鼓励学生进行创作性设计、善于发现问题、解决问题，组成员之间如何对项目进行模块测试及项目集成调试，加强团队协作能力的培养.

(3)课程项目实施

在实施过程须强化学生对相关知识的理解和运用.教师对各个小组的设计方案进行仔细讨论和分析下，准备好电子元器件等实验设备与器材，给定前端油耗量和传感器硬件电路，组成员分模块完成电子元件焊接和电路测试.在进行课程项目实施过程中，教师须要求学生进行项目设计的验证和反验证，灌输他们项目研发过程一种坚持不懈的精神和成功信念，激发他们创新的灵感和学习兴趣.即使在实施过程中遇到困难，程序下载，LED无法正常显示油耗量，此时须启发学生应该去寻找和分析失败的原因，从硬件电路到程序设计等细心检查，运用不同的测试方法进行调试，以培养学生对项目的思考分析能力，以更进一步优化硬件电路设计和程序设计代码等.在这个过程，要让学生明白项目的完成是团队成员相互协作共同努力的结果，每个人负责自己模块与任务，并按项目设计方案达到项目目标，以更好地培养CDIO教学模式对工程教育动手创新实践、团队意识和协作精神等职业能力的执行深度和力度.

(4)课程项目运行与评价考核

在课程项目实施的同时，要做好每一项目的展示，团队共同参与项目演示，对项目的方案设计、设计思路与目标、项目设计原理、关键技术、难点攻克、调试过程中问题解决等内容须进行公开汇报，并将存在的疑问或无法实现的功能等做详细记录与汇报.在整个项目运行过程中，队员以说激思、以说验思、以说定思，从“听明白”到“想明白”再到“讲明白”.不仅可以巩固学生对相关知识的理解和运用，而且培养了学生综合运用能力、创新能力、举一反三的能力和解决关键技术问题的能力[5］.

对于课程项目考核，结合CDIO工程教育的能力培养为主，须从宏观和微观两方面进行阶段递进式考核.宏观上把握项目开发过程整个职业素质软能力、动手实践能力、团队协作、自学能力等提升情况考核，在不同的阶段有意识的重点锻炼不同能力;而在微观上，需要从每一个项目不同阶段要求掌握的知识重点以及能否灵活运用所学知识的能力，有效分析和解决问题，熟练掌握Proteus ISIS电路原理图设计、Keil C51编程以及联机调试能力.

3 结语

CDIO的核心理论是强调“做中学、学中做”，既加强专业技能的锻炼又提高职业素养和职业软能力的培养，以CDIO项目进行单片机课程教学须将抽象的理论教学转化为具体的实践教学，课程已在本校计算机应用专业2011级学生进行试点教学——基于Proteus的单片机技术项目化授课，改变传统的单片机教学模式，让学生在仿真学做中不断发掘解决问题新思路，将知识点融会贯通灵活运用，大大提高了学生的独立思考能力、逻辑思维能力、团队协作与沟通交流能力，使得整个课程的教与学变得更加生动，同时为今后的专业教学计划和人才培养方案的制定和执行提供一个有利的科学依据.

[1]马卫国.基于CDIO的单片机原理及应用课程教学改革探讨[J］.中国现代教育装备，2011(19):70 －72.

[2]浙江水利水电专科学校教务处.深入推进SWH－CDIO改革试点实施“学生职业能力提升工程”——学校举办《职业核心能力与就业竞争力》专家讲座[R/OL］.2012－10－25[2012－12－20］.http://www.zjwchc.com/Art/Art_4/Art_4_3538.aspx.

[3]陈春林，朱张青.基于CDIO教育理念的工程学科教育改革与实践[J］.教育与现代化，2010(1):30－34.

[4]王静霞.单片机应用技术:C语言版[M］.北京:电子工业出版社，2009.

[5]张 愉.CDIO项目教学法在自动检测技术课程中的应用工作[J］.常州信息职业技术学院学报，2011，10(1):54 －56.