引入CDIO工程教育理念的高职院校虚拟实验系统的建设

邱丹

摘要：在传统的单片机应用课程实践教学过程中，存在着硬件投入大、维护工作难、经费紧张等普遍问题，本文基于CDIO工程教育理念提出一种新的思路，即利用Proteus和Keil软件建立单片机虚拟实验系统，并将“构思―设计―实现―运作”的工程方法融入建设过程中。结果表明，基于CDIO工程教育模式的虚拟实验系统具有成本低、投资小、实验项目设置自由、接近工程实践、容易支持课堂教学等特点，能更好地激发学生实践课程的学习兴趣，提高学生的动手能力和创新能力。

关键词：CDIO;工程教育;实践教学

中图分类号：TP391.9;G434   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2017）16-0073-02

Absrtact： in the course of practical teaching of traditional single-chip computer application course， there are some common problems， such as large input of hardware， difficult maintenance work and shortage of funds， etc. This paper puts forward a new way of thinking based on the idea of CDIO engineering education. The virtual experiment system of single chip computer is established by using Proteus and Keil software， and the engineering method of "conception-design-realization-operation" is integrated into the process of construction. The results show that the virtual experiment system based on CDIO engineering education model has the characteristics of low cost， low investment， free setting of experimental items， close to engineering practice， easy to support classroom teaching， and can better stimulate students' practice. Course learning interest， improve students' hands-on ability and innovative ability.

Key words：CDIO;engineering education;practical teaching

1 引言

高職院校的实践教学，是支撑人才培养质量的重要支点，也是全面提高应用型人才综合能力的关键点，为保证实验教学的效果，各院校往往采用多种手段。在电子、机电和自动化等电类学科的课程体系中，大多数的专业课程都是典型的应用性课程，主要特点就是理论和实践需要高度结合，实践教学所占比例较大，可以说实践环节对整体教学是否成功起到关键性作用。在实践教学过程中，不仅需要计算机进行软件编程或者辅助设计，还需要大量配套的硬件实验平台和设备，一般的学校和个人经费有限，很难满足实际需求。而且随着电子技术不断发展，硬件设备不断老化，实验仪器更新换代也很快，这就需要不断地重建实验室，资金耗费严重，常常会步入经费投入不足、设备维护困难的窘境。另一方面，传统的硬件实验设备通常采用实验箱或实验板，因硬件具有固定性、实验项目多是验证性实验、不能自由变更，导致学生对相关知识点的认知流于表面，影响对学生创新能力的培养。

为能解决上述实践教学中存在的问题和培养应用创新型人才发展的需要，本文以电类学科的核心课程“单片机应用技术”为代表，引入CDIO[其中：C表示构思（Conceive），D表示设计（Design）、I表示实现（Implement），O表示运作（Operate）]的工程教育模式，借鉴其先进的教育理念，利用Proteus和Keil进行虚拟实验系统的建设，以弥补传统实验课程实践教学的不足，提升专业课的整体教学水平。

2 单片机虚拟实验系统的建设

2.1Proteus与Keil的简介。在电子设计自动化软件中，Proteus是目前能模拟单片机应用系统工作状态的最好仿真软件之一。除了提供原理图设计、PCB设计和SPICE仿真基本功能外，Proteus还提供了单片机周边设备的仿真功能，例如虚拟示波器的仿真、LED的仿真等，这样大大节约了周边配套设备的成本。因为是软件模拟，使得虚拟实验系统更容易支持课堂教学，实验项目的设置不受硬件条件的限制，更加自由，仿真结果能接近工程实践。

单片机应用系统的开发过程中，除必要的硬件外，同样离不开软件，Keil就是一个极为重要的单片机开发软件平台。它能提供包括C编译器、连接器、宏汇编、库管理及仿真调试器等完整的开发方案，再通过一个集成开发环境（uVision）将这些组合在一起，具有界面友好、易学易用、用户群庞大的特点。

基于Proteus和Keil的单片机实验系统，能充分地利用计算机技术对各种体系结构的单片机编程，并可以模拟单片机真实工作过程去设计、仿真、开发自己的单片机系统，强大的功能和逼真的效果，能较好地弥补实验和工程应用间脱节的矛盾，为此，国内外很多著名大学都在致力于建立基于软件的单片机虚拟实验系统。

2.2 虚拟实验系统的建设。根据高职院校的人才培养目标，在分析单片机课程特点的基础上，结合学生的认知规律和多年的教学经验，将整个的单片机课程实验教学体系按功能和内容分成3个模块，由学生根据自身的兴趣和能力选择适合自己的模块。单片机虚拟实验系统主要包括基础练习模块、综合应用模块和创新实践模块，如图1所示。

（1）基础练习模块。该模块以培养学生的基本操作能力为目标。由12个细分的小模块组成，学生根据单片机课程中大纲要求学习单片机系统的基本原理、工作方式和模拟仿真，要求能够掌握单片机技术的基本内容和单片机系统的仿真方法。

（2）综合应用模块。该模块以培养学生的综合设计能力为目标。由4个细分的小模块组成，教师需要针对某一类型的微控制单元给定综合应用的题目，要求学生按照规定内容进行硬件电路设计、软件程序编写和软件仿真调试，达到综合训练的目的。

（3）创新实践模块。该模块以培养学生的创新思维能力为目标。教师和学生可以根据自己的兴趣和能力进行更高层次的系统设计或研究，例如作为毕业设计的命题、参加电子设计竞赛和课题项目的实践等。

3 引入CDIO教育理念的实践教学

CDIO代表构思、设计、实现和运作，是高等职业教育改革的一个创新思维理念，该理念将教育过程放到工程领域的具体情境中，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，通过贯穿整个人才培养过程的职业能力设计和创新实践训练，培养学生扎实的工程基础理论和专业知识。本人将单片机课程教学中引入了CDIO的工程教育理念，构建了基于CDIO的单片机虚拟实验系统。

传统的单片机应用技术课程教学过程之中，单片机的硬件基础知识和软件编程方法相对独立，学生在完成了大部分的课程学习后仍不能较好地将硬件和软件知识结合，工程设计理念较淡薄。为改变这一情况，本人设计了与实际生产流程类似的应用场景，即基于CDIO的工程教育理念，将单片机应用技术的知识点以工程项目的形式贯穿课程教学始终，如表1所示。

在上述的学习过程中，学生从被动学习变为主动学习，通过工程项目引出课程的相应知识点、讲解知识点，让项目案例的理论知识从始至终地贯穿到实践教学之中，形成“构思―设计―实现―运作”这一工程理念的单片机应用技术课程教学环节，整个过程中，学生不仅掌握了知识和技能，提高了学生的动手和实践能力，也系统地培养了学生的职业能力、团队协作能力、沟通交流能力，让学生充分感受到学习的成就感，增强了学习的自信心。

结语：将CDIO理念引入到高职院校的工程教育中，再通过“Proteus + Keil”的组合模式来搭建虚拟实验系统，不仅可以有效地解决教学资源不足的难题，还可以让学生从工程的角度直接看单片机应用系统的工作过程和结果，弥补实验和工程应用之间脱节的矛盾。

从这两年的单片机虚拟实验系统的教学实践来看，该系统取得了良好的运行效果，学生的综合素质也有了较大幅度的提升。其优势主要体现在2个方面：（1）基于项目的教育和学习，让学生在课堂上能“学中做，做中学”，教学内容更丰富，更生动，大大提高了学习的兴趣和创新开发能力，是当前高职院校项目教学实施的有力保障和推动;（2）基本解决了不断重建实验室的资金困境，尤其适合教学经费紧张的学校，并增加了学生动手实践的机会，提升学生系统应用的能力，具有很强的实用价值。

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