CDIO模式下单片机课程设计教学模式探讨与实践*

李晓秀，林国汉

(湖南工程学院 电气信息学院，湖南 湘潭 411101)



CDIO模式下单片机课程设计教学模式探讨与实践*

李晓秀，林国汉

(湖南工程学院 电气信息学院，湖南 湘潭 411101)

以CDIO工程教育模式为指导，对单片机课程设计的教学模式进行改革和探讨，从课程设计的时间安排、项目设计、教学组织和项目实施等方面进行改革，构建了新的单片机课程设计实践教学模式，让学生在学中做，在做中学，以更好地培养学生的创新能力，提高其发现、分析和解决工程实际问题能力、增强学生的团队协作精神。

CDIO；课程设计；工程教育；能力培养

由于单片机具有性价比高、处理能力较强、结构简单等优点，在智能仪器仪表、 医疗器械、汽车电子、网络和通信设备领域得到了广泛应用。作为电气信息类专业一门实践应用性很强的专业基础课程，其教学目的主要是培养学生的实践能力和利用单片机进行产品设计的能力，因此，单片机课程设计作为单片机课程教学中重要的实践性教学环节，就显得尤为重要。传统的单片机课程设计教学模式存在一些弊端：一是学生按照老师布置的任务边讲边做，无法充分激发学生的兴趣和创造性；二是设计题目和内容较单一，没有充分考虑学生对单片机知识掌握的个体差异；三是没有充分考虑对学生团队合作精神的培养。另外由于教师实践能力和学校实验条件的限制，使得单片机课程设计未能与实际工程问题密切衔接。

为此，针对应用型本科自动化专业人才培养需要，结合湖南工程学院卓越工程师培养计划，引入CDIO教育理念，对单片机课程设计模式进行改革探索，以解决理论教学与应用实践之间脱节的问题，从而找到能更好地培养学生工程职业素质、增强实践动手和创新能力及团体协作精神的有效途径。

一　CDIO工程教育模式

CDIO是Conceive-Design-Implement-Operate的首字母缩写，是由麻省理工学院联合瑞典的皇家工学院、林雪平大学、查尔姆斯理工大学等高校经过4年的探索与实践于2004年创立的现代工程教育模式，代表构思、设计、实现、运行过程。CDIO以工程项目为主要教育工具，把学生的工程实践能力、创新能力、团队沟通和合作能力作为其主要培养目标。它以工程项目的生命周期(构思决策、工程设计、工程实施、工程运行)为载体，通过这个载体，学生以一种主动的方式学做结合，以实际工程项目为背景，并通过在不同课程之间建立有机联系的方式获取工程能力。在对工程毕业生的能力要求方面，CDIO将学生的能力培养分为四个层面，即基础知识培养、个人能力培养、团队能力培养和系统能力培养。第二版的CDIO教学大纲——The CDIO Syllabus V2.0已于2011年在丹麦举行的第七届国际CDIO会议上发布。[1]该大纲共列举了十二条标准，利用该标准，可以指导包括教师和学生的能力培养及项目实施过程，并可检验工程教育模式的成效，大纲还详列了学生在基础知识培养、个人能力培养、团队能力和系统能力培养层面上应达到的预定目标。[2]

二　CDIO模式下的单片机课程设计改革

(一) 改革的指导思想和实现目标

单片机课程设计是电气信息类学生能力培养中的重要的教学环节，将CDIO理念与单片机课程设计相结合，根据CDIO工程教育大纲的要求，学生作为教学活动主体，选择或自定工程设计项目或者产品，通过项目构思、项目设计、项目实现和运行等环节，达到学生能够主动学习的目的，提高学生理论联系实际能力、培养学生的工程素养。通过课程设计，进一步加深学生对单片机、电子技术、控制理论、检测技术等专业理论知识的理解，掌握利用单片机进行应用系统或者产品开发的基本流程，具备应用单片机进行设备技术改造和产品开发的初步能力，具备良好的沟通和协作精神。

(二)课程设计改革的具体措施

1.课程设计的时间安排。以往的单片机课程设计大多是在完成基本的课程理论教学后，集中安排时间(一般是两周)进行，这样虽然便于教学组织管理，但存在设计内容安排与设计时间紧张的矛盾。因此，我们将课程设计时间化整为零，在讲解完第二章后，学生已经熟悉了单片机硬件的基础知识，我们将课程设计题目提供给学生进行选择，并提供给每个学生一个单片机课程组老师自行设计的单片机电路板和不同设计课题相应的元器件。在整个设计过程中，学生可在课堂理论知识学习之余，以课外作业形式在一个星期之内完成单片机开发板焊接。学生可以利用开发板，在课堂上或者课外完成单片机最小系统、LED动/静态显示、独立式/矩阵式键盘接口、定时、中断等基本模块的学习和训练，实现了“学中做”和“做中学”的CDIO原则。采用这种教学与动手相结合、理论教学与课程设计融合的教学组织模式，让学与做有机统一，很好地解决了以往理论教学与实践教学不能同时进行的问题，而且消除了部分学生对单片机学习的恐惧心理，激发了其学习兴趣。

2.项目设计。针对应用型本科和卓越工程师培养的目标，围绕单片机技术在生产中的应用领域，根据教学大纲要求，课程设计的题目从统筹工程概念出发，使设计题目工程化，要尽可能覆盖单片机原理及应用课程的主要理论知识点并具有一定的工程背景，要有助于培养学生的独立分析问题、解决问题能力、实践动手能力和创新精神，同时注意与其它课程的衔接，题目应包含模拟电路和数字电路，设计题目充分考虑学生个体差异，具备层次性，以满足不同层次的学生需求。因此，在选择课程设计题目的过程中，一是根据工程实践 (教师科研项目、校企合作企业提供项目)设计出难度适中的具有工程背景的设计题目，如运料小车自动往返控制、货运电梯的单片机控制、采用单片机控制的3D打印等；二是参考历届国家和湖南省大学生电子设计大赛的题目，老师在该课题基础上设计符合要求的题目，如自动巡迹小车，单片机数控直流恒流源；三是从现实生活中寻找符合本课程教学计划的一些有工程实践背景的设计题目，如密码锁、智能交通灯控制、抢答器设计，同时允许并鼓励学生根据自己的兴趣和实践自己命题，通过这种选题方式，既可巩固理论知识，锻炼学生的工程应用能力，也可为学生参加大学生电子设计大赛等课外科技活动奠定坚实的基础，同时培养学生的创新精神和协作精神。

表一是在结合CDIO 理念，在学生能力、项目开展的硬件条件下，融合知识、技能、职业能力培养而设计的单片机数控直流恒流源设计项目。

表一　单片机数控直流恒流源项目设计

3.教学组织。学生根据自己的情况，自由选择组员，根据设计题目难度3-4人一组，自由选题。同时由组员自行推荐一位小组长，在指导老师的指导协作下，由小组长组织组员进行设计项目分析、设计方案优劣比较，确定设计方案。每一位组员需单独进行软硬件设计，组内成员定期开展项目讨论，共同解决设计过程中遇到的问题。每隔2-3周，由指导教师组织，小组内部和小组之间对项目进行评估和检查，通过这种方式可以充分调动和发挥学生的主动性，培养学生在设计中发现问题、通过独立思考分析问题和通过团队协作解决问题的能力。[3]

4.项目具体实施。在整个课程设计的实施过程中，以学生为主体，以设计为中心。将CDIO理念融入整个教学过程，教师在设计过程中主要起到辅导、答疑、评价的作用。按照CDIO模式，项目具体实施流程如图1所示。[4]

图1　设计项目CDIO实施流程

按照CDIO项目实施流程，以单片机数控直流恒流源项目为例，项目具体实施过程为：

(1)项目构思阶段。根据单片机数控恒流源具备的功能和具体技术指标(客户需求：输出电流/电压范围，纹波电流、误差等)查阅相关资料，组员可提出不同方案，对不同方案进行优劣讨论并确定初步方案。学生根据所选项目需要和具体设计指标，将项目按照功能模块进行划分，系统可划分为主电路、电源电路、恒流源电路、键盘显示、输出电流检测等几个模块。在此阶段，教师所做主要的工作是对学生的设计方案可行性进行判断。

(2)项目设计阶段。此阶段一般包括两个部分：仿真与系统设计。对于一些复杂项目，学生可先利用PROTEUS等软件对系统主电路和模块进行模拟仿真，以熟悉项目功能模块和电路设计，然后再进行硬件设计，然后根据系统性能指标进行参数计算，选择元器件，列出包括详细参数的元器件清单，再进行单片机最小系统、供电电源系统、恒流源电路、输出电流检测电路、键盘显示等电路设计，绘制原理图，然后生成PCB，进行制板和元器件焊接，最后进行系统软硬件调试。在此阶段教师随时指导学生去解决所遇到的问题。

(3)项目实施阶段。学生对硬件电路和程序设计进行检查，采用不同测试方法进行调试，检查所设计系统是否达到性能指标要求，如果没有达到性能指标要求，则查找原因并予以解决。

(4)项目运行阶段。学生以项目组为单位，公开展示和汇报直流恒流源项目设计方案、关键技术、成果、整个设计过程遇到的问题及解决办法等内容，并进行相应的实物操作演示，如果条件允许可邀请有丰富项目设计经验的企业工程师一起参与项目运行阶段，对该项目组的工作过程和成果进行评价和指导。[5]通过项目的汇报与展示，可以很好地督促学生认真完成项目任务，克服其畏难思想，提高其学习兴趣，使学生的表达能力、交流能力等得到较好的提升，创新能力和协作精神也得到提高。

三　结　语

打破传统单片机课程设计的教学模式，将CDIO以项目为导向的工程教育思想融入单片机课程设计。课程设计题目和设计过程较好地融合了“构思—设计—实现—运作”的指导思想。通过CDIO项目的设计，提高了学生的工程分析能力、发现和解决实际工程问题的能力，学生的创新能力、团队协作能力和工程素养得到进一步提高。学生作为单片机课程设计教学活动中的主体，教师成为教学过程向导和评估人员，经过在自动化卓越班的教学证明，通过在“学中做”，在“做中学”的CDIO项目设计训练，既能克服学生的畏惧心理，提高其学习兴趣，也可促进教师的专业实践技能，提升应用型本科学生教育的教学质量。

[1]Edward F.Crawley,Johan Malmqvist Sören Östlund,Doris R.Brodeur Kristina Edström.Rethinking engineering education:the CDIO approach[M].New York:Springer,2014：12-40.

[2]查建中.论 “做中学” 战略下的 CDIO 模式[J].高等工程教育研究,2008(3): 1-9.

[3]葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-140.

[4]汪利琴，张佳，郭麦成.基于 CDIO 理念的项目驱动教学法研究——以《数据库应用》课程设计为例[J].长江大学学报(自然科学版)，2015，12(13)：138-141.

[5]林国汉,李晓秀,王迎旭.CDIO模式下的单片机原理课程教学方法探讨[J].湖南工程学院学报(社会科学版),2014,24(2):101-104.

Exploration and Practice of the Teaching Mode of Singlechip Micro-computer Curriculum Design with the CDIO Approach

LI Xiaoxiu,LIN Guohan

(College of Electrical Engineering and Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

With the guidance of the CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate) engineering education approach,the mode of curriculum design in singlechip micro-computer has been reformeal and explored from such aspects as time arrange,project design,teaching organization and project implementation.With the construction of the new curriculum design mode,“learning to do” and “doing to learn” can be realized,the students’innovation ability can be developed,the ability to find,analyze and solve the engineering problems can be improved,and teamwork spirit can be enhanced.

CDIO; curriculum design; engineering education; ability training

2015-10-12

湖南省2013年普通高校教学改革研究项目“基于CDIO模式的‘单片机原理与应用’课程教学方法的研究与实践”(湘教通[2013]223号)。

李晓秀(1957-)，女，湖南郴州人， 硕士，教授，研究方向：计算机测控技术、传动控制技术。

G642

A

1671-1181(2016)03-0097-04