高校的混合式CDIO教学*——以“高校单片机原理”课程为例

王志强 管恩京 巩秀钢 韩 慧



高校的混合式CDIO教学*——以“高校单片机原理”课程为例

王志强1管恩京2[通讯作者]巩秀钢1韩 慧1

（1．山东理工大学计算机科学与技术学院，山东淄博 255049；2．山东理工大学信息与教育技术中心，山东淄博 255049）

CDIO是近年来国际工程教育改革的最新成果，但当课程引入CDIO教育模式后，面临大容量、系统化的工程教学内容与有限的课堂教学时间和资源之间的矛盾。混合式学习将传统课堂学习与网络学习相融合，优化了教学资源配置。文章将CDIO与混合式学习相结合，以“高校单片机原理”课程为应用研究对象，提出了一种以CDIO工程教育为内容、以混合式学习为手段，融合课内外实践、线上线下学习为一体的立体化教学体系——混合式CDIO教学体系。研究结果表明，该体系能够有效提高工程教育的教学效率，培养学生的自主学习能力、创新意识、团队合作能力和综合工程素养。

CDIO；混合式学习；实践教学；课程体系

一混合式CDIO教学体系

CDIO代表工程中的构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）等四个步骤。CDIO教育的核心思想是通过完整工程项目的实施，来推动学生在工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力等四个方面的提高[4]。混合式学习则强调在“适当的”时间，通过应用“适当的”学习技术与学习风格，为学习者传递“适当的”能力，其核心思想是根据学科特点，科学合理地对各类学习资源进行组织分配[5]。因此，CDIO工程教育与混合式学习的结合，本质上是一种利用现代信息化教育技术与工程教育理念对课程教学进行的改革。本研究将CDIO工程化的教学内容与混合式学习多元化的学习方法相结合，依托多种教学手段和实践平台，设计了混合式CDIO教学体系，如图1所示。

图1 混合式CDIO教学体系的设计

图1显示，混合式CDIO教学体系由工程化教学内容、混合式教学组织形式、台阶式实践教学体系以及网络学习支撑平台等四方面组成。该体系以层次化的工程项目教学为基础，融合课堂学习和网络自学两种形式，在网络资源平台的支撑下，通过E-learning将教学的课前、课中、课后三个阶段有机串联起来，同时通过多元化的课上、课下、课外实践教学活动，形成了以科学知识为基础、应用创新为目标、实践能力为重点的新型教学模式，并在此基础上建立了以形成性评价和结果性评价为基础的综合化课程考核方式。

二混合式CDIO教学内容

工程教育要求将理论教学内容渗透到实际的工程项目中，使学生在真实的情境中循序渐进地掌握知识[6]。通过对企业中的典型单片机相关工程项目进行归类、解剖和合理简化，本研究将“高校单片机原理”课程精炼出三个层次的模块化工程项目教学内容，如表1所示。

1 基础验证层

将1.00g沉积物样品放于50mL三角瓶中，然后加入0.2mL甲苯、4mL pH=11的缓冲溶液和1mL对硝基苯磷酸二钠溶液，轻摇混匀塞上瓶盖，在37℃下培养1h。加入1mL CaCl2溶液和4mL NaOH溶液，轻摇几秒钟后，铝制过滤。用分光光度计在400～420nm进行比色，测定溶液的吸光值。同时测定无泥及无底物对照。实际APA用每小时每千克干重沉积物产生对硝基苯酚的毫克数计算。

该层次项目在传统实验验证的基础上添加了创新和自设计元素，目的是使学生掌握单片机系统的基本工作原理和实验技能，夯实理论基础，引导学生建立起课程的核心知识框架。同时，该层次项目通过对单片机最小系统及其基本输入输出功能的设计实现，培养学生在工程“O-运行”和“I-实现”能力的提高，使学生在验证理论的同时，逐步掌握单片机运行和使用的技能并初步具备基础的系统设计能力。

2 应用实践层

该层次项目来源于单片机工程中较为独立的应用功能模块，内容侧重于对单片机内部各类资源的使用和系统扩展设计能力的提高。该层次项目注重培养学生的“D-设计”和“I-实现”能力，即通过单片机功能产品的研发，使学生逐步掌握单片机产品设计流程和软硬件协作开发模式，培养学生的个人工程应用能力、自主探究能力、分析解决问题的能力和创新性思维。

3 综合创新层

该层次项目融合了原有的课程设计，以提升产品的“C-构思”与“D-设计”能力为核心，通过对前期所学知识的整合和创新，借助个人探究和团队协作，完成系统级单片机产品的构思、设计、实现和运行全过程，重点培养学生的多学科交叉能力、团队合作能力和综合工程素养。

表1 模块化工程项目教学内容

三个层次的模块化项目之间存在很强的知识关联性，前一层项目均可作为后一层项目的构成部件，而后一层项目则是前一层项目的扩展和创新——这种“搭积木”的学习方式，可使学生在动手实践过程中逐步建立起完整的课程知识体系，并最终用来解决综合问题。此外，项目设计中强调多学科的交叉渗透，以构建完整的工程产品。如在智能三表和生产线过程控制项目中，要求单片机系统与桌面应用软件和数据库相结合，实现采集信息的批量存储与可视化界面操作；在基于物联网的监控系统设计中，则要求实现单片机系统的Socket网络通讯和数据动态ASP页面操控。

三混合式CDIO教学组织

基于建构主义学习理论，以问题为导向（Problem Based Learning），课程将学习过程分解为课前、课内、课后三个阶段[7]。在此过程中，根据知识认知的不同维度，“高校单片机原理”课程采用混合式CDIO教学模式展开，其教学流程如图2所示。

图2 课程的混合式CDIO教学流程

1 项目导入

项目导入在项目开始前两周进行，以网络微课形式完成。一节微课主要包含五个方面的内容：介绍项目的设置情景、明确具体任务目标、说明设计流程、提供学习资料和自学资源、明确分组办法和日程安排。通过微课的学习，使学生首先对项目产生一个直观的了解和整体的认识，然后借助教材、文献、网络资料等开展自主探究式学习，逐步形成自己的设计思路，最后借助仿真实验对设计方案进行初步验证。

2 课内教学

课内教学全面采用“小组协作学习法”。以山东理工大学计算机科学与技术专业的三年级学生为例，本研究根据学生的学业基础、兴趣爱好、个人能力、性别差异等，将处于同一专业的2个班共84人划分成3～4人的小组。分组时按照“同组异质、异组同质”的原则进行优化组合，从而形成组内互补、组间竞争的局面。每个小组指定一名组长，全面负责组织本组内的协作互动学习。组员按照岗位分工，分别完成软件设计、硬件设计和项目级联测试任务。项目教学实施按照工程的构思、设计、实现、运行等四个步骤来组织。教师首先对学生上交的设计方案进行反馈评价，对设计中的重点、难点和典型错误予以讲解。小组成员随后讨论，完善设计方案并通过分工协作的方式实现设计。之后，小组成员对设计细节和实验结果进行讲解演示，并接受同学和教师的提问。最后，项目组之间、项目组成员之间以及教师分别对项目的完成情况给予量化评价。

3 课后自学

课后全面依托网络学习，来完成知识的巩固和总结。按照工程实施规范，每个项目均制定时间任务节点表。学生严格按照任务节点，定时将文献调研报告、方案设计说明、仿真实验报告、项目实验报告、项目总结等上传至网络平台，教师及时给予批阅和反馈。每个项目完成后，学生通过网络教学平台进行知识点的回顾和在线测试，从而构建完整的知识认知体系。

四混合式CDIO实践教学

实践教学是增强学生感性认识，培养学生动手能力、解决问题能力和构建创新意识的重要环节[8]。“高校单片机原理”课程以理实一体化、多教学情景融合、优化教学资源为出发点，建立了“课上实践教学—课下虚拟实验—课外实训”三个步骤的台阶式实践教学体系，使学生真正做到在学中做、在做中学。

1 课上实践教学

课堂教学采用教、学、做一体化的“实验室授课”模式，不再区分理论和实验学时。根据项目教学的要求，建设了实践教学一体化平台。该平台的硬件采用工业传感器、信号发生器、采集和变送模块；软件采用Keil、IAR等单片机工程开发环境以及Proteus、Multisim等EDA仿真软件，可以满足学生实验验证、项目教学、毕业设计等不同层次的需求；教学则采用“边学边做、讲完就做、做后总结”的方式。教师首先讲解演示并布置教学任务，学生随后进行系统软硬件的设计和调试。在此过程中，教师全程跟踪学生的项目执行情况，对暴露的问题当场予以解决，克服了“先授课后实验”模式因理论与实践环节相隔离而造成的诸多弊端。

2 课下虚拟实验

虚拟实验是一种借助信息技术和虚拟现实技术发展起来的新型混合式学习模式。为解决大容量的工程实践教学与有限的实验课时和硬件条件之间的矛盾，“高校单片机原理”课程借助仿真软件Proteus和Keil构建了单片机虚拟实验系统。其中，Proteus提供了多款单片机，各类数字、模拟、交流、直流电路的仿真功能，以及信号发生器、示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器资源；Keil则是一款集成了汇编和C语言编译器、库函数和仿真调试等工具的主流单片机开发环境。在项目教学的过程中，学生按照时间任务节点要求，分别采用Proteus、Keil完成系统的硬件设计和软件编程，然后将两者级联运行并使用虚拟仪器查看仿真结果。学生带着自己的方案和想法进入课堂，通过教师讲解和小组讨论，逐步修正、完善方案，并最终将其移植到实际的硬件电路运行中。采用这种虚实结合的方式，以任务为驱动，通过学生的课后自主实践，能较好地克服传统实验教学受时间、场地、设备、人员等的诸多限制，提高了工程教学效率。

3 课外实训

“高校单片机原理”课程依托各类大学生科技创新竞赛活动，建立了内容丰富的开放式第二课堂，拓展和延伸了单片机课程的教学空间。如通过组织、培训学生参加大学生物联网设计竞赛、电子设计竞赛、机电设计竞赛、嵌入式设计竞赛等科技创新活动，培养了学生自主分析解决问题的能力以及乐于动手、团队协作和勇于创新的精神，从而为今后的课程实践乃至工作提前“热身”。与此同时，以产业需求为培养导向，山东理工大学分别与山东师创软件工程有限公司、山东科汇电力自动化股份有限公司等相关企业合作，建立了工程实训基地。按照“请进来、走出去”的理念，学校还邀请企业技术骨干作为指导专家，从工程的角度向学生传授企业开发习惯、项目分析管理经验、企业开发规范等知识，并定期组织学生参加生产实训，使学生在真实的工程情境中开展学习和实践，为他们将来从事嵌入式相关领域的工作打下坚实基础。

五网络支撑平台与教学评价体系

混合式学习的有效开展，离不开优良网络平台的支持。“高校单片机原理”课程依托校园网，采用B/S架构，建立了集教学、自学、交流、服务、管理等功能于一体的在线教学平台。该平台包括课程门户、教学资源、实验教学、在线测试、在线互动和系统管理等多个模块，在资源管理上采用共享共建机制，学生既是信息的使用者，也是信息的提供者，并通过考核机制来激励学生参与网络互助、资源上传和协作学习。该平台还提供了课程BBS、课后答疑模块、兴趣讨论组等多种形式的师生和生生交流渠道，为学生的在线自主学习提供全面的信息支持。

随着课程教学体系的改变，考核方式必须向更为综合化、多元化的方向转变。混合式CDIO教学的考核由三部分构成：①网络自学成绩占总成绩的20%，考核内容包括学生的网络学习时长、网络学习活跃度（如讨论参与度、资料上传、网络作业）和在线测试成绩；②项目考核成绩占总成绩的40%，考核内容包括教师评价成绩、组间互评成绩、组内互评成绩和设计报告成绩；③期末考试成绩占总成绩的40%。新的考核体系采用“过程评价＋结果评价”的模式，淡化了卷面考试成绩，强化了学生在自主学习和协作学习过程中体现出来的学习态度、交流合作、工程素养等方面的能力考核。此外，还引入了“组间互评＋组内自评＋教师评价”的多元化评价机制。其中，组间互评可以培养学生的批判性思维，并拓展其思维深度和广度；组内互评则可以防止学生在项目完成过程出现等、靠、要、“搭顺风车”等现象，实现学生的相互监督。

六效果与总结

为了调查混合式CDIO教学的效果，本研究在结束“高校单片机原理”课程后，采用网络教学平台对3个年级共217名参课学生进行了匿名问卷调查。学生分别从教学内容、教学形式、实践环节、考核方式和教学效果等五个方面对课程体系进行了评价，结果显示：绝大多数学生对这种新的教学体系表示认同，各环节满意度分别为92.4%、96.7%、88.3%、93.5%、92.2%。在调查中，学生普遍反映新的教学体系很好地调动了自己的学习积极性，促进了自己与老师和同学之间的交流，提高了自己的知识应用能力——这与在日常教学活动中观察到的学生出勤率高、课堂气氛活跃以及课后有丰富的实践作品等情况一致。从课程实施效果来看，混合式CDIO教学体系对比传统的“理论＋实验”教学模式的优势主要体现在以下几个方面：

1 提升了学生的实践应用能力

学生通过在项目教学过程中的深度参与，实现了从传统的“看中学”、“教中学”向“做中学”、“学中做”的转变。在这一转变过程中，学生潜移默化地提升了自己的工程实践技能，其效果体现为课程实践教学成果的“丰收”：近3年来，山东理工大学计算机科学与技术专业的学生在全国大学生电子设计竞赛、挑战杯、嵌入式大赛等相关科技创新活动中获得国家级奖励7项、省部级奖励21项；学生参与申请各类创新、创业计划12项，申请发明、实用新型专利15项；教师带领学生承担单片机类社会企业合作研究课题20余项。

2 提高了学生的自主学习能力

在信息时代，知识的爆炸性增长要求学习者必须具备良好的自主学习能力和自我提升意识。混合式CDIO教学体系按照认知规律，将知识的传递、内化、巩固和拓展过程分别放在课前、课中和课后完成，借助多样的微课、网络资源、交流互动、节点任务和网络测评等手段，引导、帮助和促进学生的自主学习。自“高校单片机原理”课程改革方案实施近3年来，课程网络资源的利用率达到98%以上，学生每学期平均累计在线学习时长达65小时，人均在讨论区发起提问或回复信息达40余条，上传或下载资料800MB，上交作业、实验报告、项目总结50余项，可见学生的自主学习和探究能力得到了明显提升。

3 培养了学生的团队合作能力

社会化大生产需要高校培养具有良好团队协作能力和沟通能力的工程技术人才。混合式CDIO教学体系以项目为引导，将团队教育贯穿在整个项目的规划设计、讨论改进、资源共享、协作完成以及答辩考核的过程中，并通过交流沟通激发学生的思想碰撞、通过互助互动培养学生的合作意识、通过分工协作增强学生的责任感。这种团队精神培养的效果既直观地体现在更加融洽的同学关系、和谐竞争的课堂氛围中，也间接地反映在毕业生的就业情况中。近3年来，山东理工大学计算机科学与技术专业毕业生的初次就业率连续达95%以上，学生从事测控、物联网等相关研发岗位的比例逐步提升，企业普遍反映毕业生具有较好的职业素养和较快的团队融入能力。

工程教育是目前高校培养应用创新型人才的必然发展趋势，但当前工程技术知识的泛化和更新常态化对高校的常规教学方法提出了严峻的挑战。混合式学习能够对各类教学资源、教学过程进行优化配置，并突破时空限制，提高课程教学效率，因此混合式学习是CDIO工程教育的必然选择。而混合式学习借助工程项目教学，可以将各个学习环节和学习情景关联起来，能防止学习中知识的碎片化和非结构化。因此，CDIO工程教育与混合式学习具备很强的内在契合性和互补性，两者互相倚重、互相促进。教学实践证明，混合式CDIO教学体系能够很好地提高学生的自主学习能力、团队合作能力、创新意识和工程应用能力，促进学生“知识、能力、素质”的协调发展，这对面向工程实践类的高校课程改革而言具有一定的普适性和参考性。

[1]王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究,2009,(5):86-87.

[2]赵国栋,原帅.混合式学习的学生满意度及影响因素研究——以北京大学教学网为例[J].中国远程教育,2010,(6):32-38、79.

[3]何克抗.从“翻转课堂”的本质,看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究,2014,(7):5-16.

[4]李文,黄文,李连胜,等.CDIO理念下硬件课程体系改革与实践[J].实验室研究与探索,2014,(7):161-164.

[5]黄荣怀,马丁,郑兰琴,等.基于混合式学习的课程设计理论[J].电化教育研究,2009,(1):9-14.

[6]邱学青,李正,吴应良.面向“新工业革命”的工程教育改革[J].高等工程教育研究,2014,(5):5-14、45.

[7]吴峰,朱锡芳,邹全,等.基于翻转课堂的应用型本科实验教学方法研究[J].现代教育技术,2015,(5):91-96.

[8]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):30-33、71.

编辑：小米

Research on Blended CDIO Teaching of Universities——Taking the College Curriculum of “Single-chip Microcomputer Principle” for Example

WANG Zhi-qiang1GUAN En-jing2[Corresponding Author]GONG Xiu-gang1HAN Hui1

CDIO is the latest reforming achievement of international engineering education. However, the introduction of CDIO into the curriculum could brings about the contradiction between the massive, systematized engineering teaching content and limited class teaching time and resource. It well known that blended learning combines the traditional classroom learning with the e-learning, which optimizes the allocation of teaching resources. By taking the college curriculum of “Single-chip Microcomputer Principle” as research object, a three-dimensional blended CDIO teaching system was proposed through the combination of CDIO with blended learning, which took CDIO engineering education as content, utilized blended learning as learning tool, fused class inside and outside practice, and merged the online and offline learning into one. Actual practice demonstrated that this system can effectively improve the teaching efficiency of engineering teaching, cultivate the learners’ autonomous learning ability, innovation consciousness, teamwork skill and comprehensive engineering quality.

CDIO; blended learning; practical teaching; curriculum system

G40-057

A

1009—8097（2016）09—0113—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.09.017

本文受教育部在线教育研究中心在线教育研究基金“高校混合式教学效果评价指标体系构建研究”（项目编号：2016YB147）、国家级大学生创新创业训练计划项目“基于嵌入式的智能家居系统”（项目编号：201510433042）资助。

王志强，副教授，博士，研究方向为嵌入式系统教学研究，邮箱为zbwzq77@sina.com。

2016年2月1日