CDIO背景下《单片机原理及应用》课程教学研究

方天红

(湖北工程学院 物理与电子信息工程学院，湖北 孝感 432000)

2000年，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。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］。单片机原理与应用课程是电类专业一门重要的专业基础课，注重对学生实际动手能力的培养。本课程教学结合CDIO的教学理念，推进基于项目研究的教学方法改革，课程重点是培养学生的动手能力。

在推行CDIO理念的单片机教学中，项目式教学贯穿整个培养过程，项目实施过程是以学生为主体、教师为主导的项目研究与实践的过程，共分为以下三种项目:三级项目(随理论课与实验课进行)，促进专业核心课程知识的学习;二级项目(单片机课程设计)，培养学生应用专业的核心知识模块的能力;一级项目(基于单片机的毕业设计)，培养学生综合运用专业知识设计复杂产品和系统的能力。

1 基于CDIO的单片机课程教学

单片机的课堂教学及实验中存在的问题有:(1)单片机课堂教学多以理论教学为主，形式单一，效果不明显;(2)实验教学大部分实验是验证性实验，缺乏对学生动手能力培养;(3)学生做实验时存在受场地和时间限制等问题，学生除了上课外，平时难得有机会实践。针对在理论和实验教学中遇到的这些问题，提出改进思路。

1.1 理论教学

《单片机原理及应用》课程内容主要包括单片机硬件结构、指令系统、汇编语言、C51语言、并口、中断系统、定时器计数器、串行接口、总线扩展和应用接口技术［2］。单片机课程是一门综合性较强的课程，对初学者入门来说，有了模拟电路、数字电路和C语言的基础，是可以学好这门课程的。要最大限度地激励学生的学习兴趣，特别是学生课后的自主学习，需要合理地安排教学内容、教学方法和教学手段。为此，设计了一个的流水灯教学项目，贯穿整个单片机教学内容，在理论课堂上应用proteus软件［3］实时演示实际效果。

课程安排了七项内容。(1)绪论:电子设计竞赛获奖作品智能小车演示，让学生获得最直接的体验;(2)单片机内部结构:讲解51单片机的英文手册和51单片机集成电路的内部组成，单片机可以做些什么;(3)指令系统、汇编语言、C51语言:这三个内容讲课重点以C51语言为主，特别是C51与标准C不同的地方，指令系统和汇编语言简要阐述;(4)并口:课堂上应用proteus演示一个开关控制的速度可调的流水灯，使用软件定时;(5)中断系统:两个开关模拟两个外部中断源，不同中断源对应不同模式和显示速度的流水灯，使用软件定时，并演示优先级;(6)定时器计数器:应用proteus演示一个开关控制的速度可调的流水灯，使用定时器定时;(7)串行口:应用单片机的串行口，通过74LS164驱动一个开关控制的速度可调的流水灯，使用定时器定时。

从上面的教学内容可以看出，一个流水灯就可以贯穿所有的内容，而流水灯对于初学者而言，是容易理解接受的。对于更复杂的应用系统设计，可以在后续的课程设计和毕业论文中涉及，在这里主要要求学生掌握单片机的基础知识。

1.2 实践教学

目前，大部分实验是验证性实验，设计性实验内容偏少。学生做实验是在实验箱上完成的，由于实验箱的限制，很难锻炼学生的实际动手能力。为此，实验教学要求学生自己制作一个单片机学习板，学生可以灵活选择学习板的基本实验内容、扩展的项目。制作的学习板可以在后续的课程设计和毕业论文中继续使用。以学校的湖北省电工电子实验教学中心为依托，学生可以充分进行自己的创造性实践。在课程总学时不变的前提下，适当增加实验的学时，扩大实验在课程考核中所占比例。让学生切身践行CDIO的做中学，提高个人学习能力。

2 单片机课程设计

CDIO工程教育理念的一个重要的目的是培养人际团队能力。在单片机课程设计中通过开展讨论式、互动式和研究式教学，着重激发学生的学习兴趣和创新精神，不断提高学生的自主学习能力，并开展基于团队的项目研究教学方法的改革与探索。在单片机课程设计教学中，主要把握下面3点。

2.1 分组方案

成立3人小组，组成小团队。以往教学中的单人单组，会出现很多弊端。如学生在学习过程中遇到问题，不方便进行相互的交流，不利于控制学习成本，选择同样题目的千篇一律等。成立小组后成员分工明确，分别有人主要负责硬件的、软件的和撰写报告的，组长负责团队的整体协调合作，有利于锻炼学生的团队合作精神。

2.2 设计题目的选取

课程设计题目主要参考全国、省大学生电子设计竞赛题目模式。一人一组的模式下，若课程设计题目太难，学生完成有难度;若太简单，又不像课程设计题目。在小组模式下，题目参考竞赛赛题，适当降低难度，提出基本要求、扩展要求和评分细则［4］。在拟定设计题目的时候采用教师出题与小组出题并存的形式，以教师出题为主，学生出题比例控制在题目总数的20 以内。

2.3 具体实施

以学生为主，教师为辅。安排学时为4周。第1周:通过各种途径查找资料，确定课程具体实施方案，熟悉所要设计单片机系统，教师负责审核可行性;第2周:系统设计与仿真，学生首先利用keil和proteus对所设计系统进行仿真，达到功能要求的，教师发放相关芯片，未达到要求的继续修改;第3周:实物制作，对仿真通过的系统进行实物制作与调试;第4周:答辩和上交作品材料，材料包括制作的实物和一份符合统一格式要求的报告，让学生自己在全班同学面前现场演示自己的作品，介绍自己小团队组员的分工、发挥的作用。最后，教师根据整个小组每个成员从选题开始到答辩结束的分工表现情况，给出这门课的成绩。

3 基于单片机的毕业论文设计

在学习完本课程后，鼓励学生在单片机平台上与其他课程相结合，完成相应的毕业论文设计。由于本科毕业设计时间安排上的问题，使得现存毕业设计(论文)环节产生以下主要问题:(1)毕业论文时间紧迫，目前毕业论文选题的时间是在大三的下学期即6月开始，除去期间寒暑假，还要考虑学生外出找工作、考研等因素，学生真正用在毕业设计上的时间不到4个月;(2)学生缺乏主动性，绝大部分题目是由老师选定，并非学生个人爱好，在一定程度上限制学生的主动创造性;(3)论文质量下降，迫于学生就业、考研和毕业的原因，答辩要求相对有所放宽，导致质量下降。

基于CDIO思想，将这种先进的教育理念充分地融入毕业设计改革中，充分激发学生的独立思考能力、创新能力，培养他们解决问题的能力。

3.1 新的毕业论文执行时间

具体实施分为:(1)确定导师与选题阶段，从大三的下学期开学初即3月左右，确定导师与选题，与单片机开课时间同步。按照学生为主、教师为辅的原则确定论文题目，教师参与论文可行性的分析。(2)具体实施阶段，从大三下学期的5月初到大四下学期的3月，学生要完成实物制作和调试。(3)答辩阶段，从大四下学期的3月到6月，毕业论文的撰写、修改、定稿和总结。

3.2 新的论文指导制度

由于院系采取的导师命题、学生选题的形式，在一定程度上造成学生自主意识不强、毕业设计质量不高。同时，教师每年平均要出10个左右的题目供学生选择，很难保证教师每年出的题目都具有新颖性。针对上述问题，建立学生为主、教师为辅的新导师制度。从选题、执行到最后的答辩主要由学生自主完成，每名学生有一名指定的导师;遇到棘手的问题，同方向的教师有责任辅助指导学生，达到教师资源共享［5］。

3.3 考核形式

考核形式采用答辩的形式，包括论文内容简述、实物演示和答辩。评价标准包括:题目的难度和创新性、论文工作量、毕业论文格式与完成质量、实物制作与实现指标和答辩表现等。有了详细的评价标准和统一的评判表格，教师和学生均明确各个环节的最低要求，最后给出恰当的成绩和评语。

4 教学效果

通过对一些改革措施的实施，在实际中产生了一些良好的效果:(1)学生通过课程设计和毕业论文设计，提高了自己的实际动手能力，培养了自己的创新性;(2)课程设计和毕业设计不仅提高了对学生的要求，同时也对教师提出了新的要求，促使教师提高自己的业务能力，教师与学生之间形成互促的良性循环;(3)电子竞赛类成绩显著提高，获得了全国电子设计竞赛一等奖1项，中国TI大学计划2011—2012年德州仪器(TI)C2000及MCU创新设计大赛控制类比赛获本科组三等奖1项，2012年湖北省大学生TI杯电子设计竞赛获省本科组特等奖1项、专科组二等奖1项、本科组三等奖2项，2012年湖北省第二届大学生物理实验创新设计竞赛获省二等奖1项、优秀奖3项。

5 结束语

《单片机原理及应用》是一门实践与理论相结合的课程，CDIO理念在强调学生理论基础知识的同时，注重培养学生应用能力、团队合作能力及工程系统掌控能力。文中针对单片机课程教学过程中存在的问题，结合CDIO教学理念对学生的要求，探讨了以三级项目为中心的教学方法，激发学生的学习兴趣，培养了学生的CDIO能力。

［1］中国 CDIO网站 .CDIO 简介［EB/OL］.［2013－05－23］http://www.chinacdio.cn/vNews.asp?typeID =30＆parentID=29.

［2］李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［3］赵洋，江维，王佳昊，等.Proteus在单片机实验教学的应用研究［J］.实验科学与技术，2011，9(5):16－18.

［4］郑梁，胡冀，徐平原，等.单片机课程设计的创新教育模式研究与实践［J］.电气电子教学学报，2009，31(S1):99－101.

［5］李庆虎，霍冠英.电类专业学生毕业设计教学改革探索［J］.电气电子教学学报，2011，33(1):9－10.