基于CDIO的物联网基础应用课程教学模式探索

王启明 郭宁峰 周艳艳

摘 要：现有的任务驱动、项目驱动等教学模式虽然能够在一定程度上提升学生的自主性与团结协作能力，但其大多脱离现实生活，无法激发学生的学习兴趣。文中尝试以音乐频谱项目为载体，按照工程项目构思、设计、实现与运作四个部分进行教学设计，开展CDIO工程教育模式的教学实践，旨在提高学生的项目实践水平，激发学生的学习积极性，同时更加注重提升学生的职业素养与创新能力。

关键词：CDIO;工程教育;物联网实训;教学模式;课程改革;能力培养

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

物联网基础应用实训课程是在电路与模拟电子技术基础、数字电路技术基础、单片机原理及应用以及传感器与传感网络课程之后进行的实践操作与训练，采取工程化项目训练方式，使学生综合数字电路、模拟电路、单片机传感器等综合基础应用知识，培养学生的物联网基础开发实践能力，训练其专业技能素养与职业道德素质，从而为后续的毕业设计与毕业实习打下基础，提升物联网技术应用与开发的能力。

1 现状分析

本校物联网基础应用实训采用分散上课的模式，近年来进行了一系列课程改革，如采用集中实训的方式，任务驱动、项目驱动及对分课堂的授课模式。这样的改革方案虽然收到了一定的效果，但是在任务驱动的教学模式下，由于不同学生的知识储备与解决问题的能力有所差异，每组学生的学习进度快慢不等，甚至在实训的最后几天，有的组已经提前完成任务，有的组却还在半道摸爬滚打。这样的情况不仅不利于教师对教学进度的掌控，更会降低学生的学习效果。项目驱动的教学模式能使学生经历问题解决的全部过程，且项目基本都来自现实的生活需求，这样的方式能够较好地提高学生的积极性与协作能力，但是在实施的过程中存在一些问题，如学生过于以自我为中心，在解决一个问题的过程中往往会引出更多问题，以至于后来忘记了最初想要解决的问题。

2 CDIO简介

CDIO是一种在项目学习的基础上增加了产品管理的工程教育模式。在这种教育模式下，学生的项目内容不仅是完成一个产品的设计，还要完成产品的实现和运作。CDIO工程教育模式完善了项目学习模式下各项目小组之间的孤立性，使各小组之间相互联系，产品的最终质量受到学生之间诚信、协同等问题的直接影响，促使学生对项目的管理更加严格、谨慎，而这样的学习过程与学生未来将要从事的实际工作更加贴近，更加有利于学生的发展。

CDIO工程教育是由麻省理工學院和瑞典皇家工学院等四所大学在Knut and Alice Wallenberg基金会的资助下，经过四年的探索研究后创立的一套教育理念。这套理念不仅继承发展了欧美地区多年来工程教育改革的优秀理念，更重要的是它还系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验评测的12条标准。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），以产品研发到产品运作的过程为载体，使学生积极、实践地学习工程。其培养大纲首次将工程毕业生必备的工程基础知识、个人能力、人际协作能力及整个CDIO过程能力以逐级细化的方式表达出来，以更加明确的方式使学生在各个层面达到预期目标。

3 项目实施

以实施音乐频谱项目为例，物联网技术应用实训的时间要求为1周，5个工作日，每天8课时，总计36课时。在这一周内，其他课程全部停课，在3110实训室内进行综合实训。2017物联网工程1班安排在第一周，2017物联网工程2班安排在第二周，由学校导师和深圳信盈达科技有限公司工程师双师授课，具体时间分配如下：

（1）嵌入式、51单片机焊接实训（1天）;

（2）焊接音乐频谱的开发板实训（1天）;

（3）项目硬件验收以及环境搭建实训（1天）;

（4）项目功能综合实训（1天）;

（5）实现功能、撰写实训报告、答辩、考评（1天）。

3.1 音乐频谱项目的构思

通过1周的51单片机项目实训课程，完整地把一个音乐频谱仪开发板中所需要掌握的技能全部展现出来，使学生了解STC8A系列单片机与LED显示驱动芯片的原理及各引脚的含义，熟练掌握ADC模数转换原理、离散傅里叶变换快速算法（FFT）及各种取模软件的使用。另外，使学生熟悉简单的焊接技术与实际嵌入式51项目开发工作，并涉及各个环节。在实训过程中，向学生明确项目的需求，鼓励学生积极查阅资料，自主构建知识体系，从而提高学生的团队协作精神，培养学生发现问题、分析与解决问题的能力。完成本课程学习，可以使学生对嵌入式51项目开发流程有较为深刻的认识，同时也具备了踏入高端STM32开发的基础知识。

3.2 音乐频谱产品的设计

音乐频谱产品功能的实现可以分为信号接收、信号处理及信号显示三个模块。以STC8A4K60S2A12单片机为控制核心，利用单片机内置的ADC采集音频信号，并将采集到的音频信号转换成数字信号。通过离散傅里叶变换快速算法对数字信号进行处理与运算。FFT计算出频谱值后，由以74HC595芯片为显示驱动的LED矩阵将FFT计算得到的音频信号各个频点的大小进行直观显示。程序流程如图1所示。

另外，音乐频谱产品的功能还包括简单的开机Logo、按键开关等，在学生完成产品的主要需求后，鼓励学生自主创新，根据自身的创意丰富产品的功能与实用性。

3.3 音乐频谱产品的实现

音乐频谱产品的实现主要通过两个方面来完成。

（1）硬件实现

在学生掌握一定的焊接技术后，开始音乐频谱开发板的焊接工作。其中包括单片机、显示驱动芯片、晶振、电阻电容、六角按键开关、LED灯等各种元器件的焊接。焊接过程中应要求学生严格遵守焊接规则，指导学生的操作，避免出现弱焊与虚焊的情况，焊接后还应做到元器件的排列整齐、美观、稳固。

（2）软件实现

基于C语言编写ACD程序、FFT算法及LED显示程序，编写Logo的动态显示程序等。鼓励学生进行讨论、交流，并根据学生的编写情况，对代码进行指导和评价。产品实物如图2所示。

3.4 音乐频谱产品的运作

演示音乐频谱产品的各项功能，验证成品能否满足项目要求。从外观、功能、创新等方面对产品进行评估，对有创新的小组提出表扬，对有缺陷的小组则提出意见与修改建议;发现并总结产品中存在的问题，然后进行讲解;总结归纳知识要点、难点，梳理项目从构思到实现的全过程。

4 结 语

相比于其他的教学模式，学生在CDIO工程教育的教学模式下经历了从产品设计到产品实现、运作的全部过程，创作的作品都具有鲜明的个性。由于实训时间有限，学生不得不更加精准地把握时间，严格按照进度表进行作业。这不仅避免了学生过于“放飞自我”，也有利于教师对其进度进行检查与督促。采用CDIO工程教育的教学模式，能让学生的学习内容更加贴近实际工作，使其未来进入企业后可以更加快速地适应工作环境。

参 考 文 献

[1]马前帅，王二敏.CDIO模式在《液壓与气压》实训课程教学中的应用[J].职业技术，2019，18（5）：40-44.

[2]钱游，张建平.基于CDIO-OBE人才培养模式的无人机专业创新教学模式的改革与探索[J].智库时代，2019（23）：190-191.

[3]张任，张鹏程.物联网工程专业中单片机课程群建设的探索研究[J].电子世界，2019（9）：24-25.

[4]种楠楠.新工科背景下独立学院物联网工程专业教学体系研究与探索[J].物联网技术，2019，9（4）：116-118.

[5]徐华军，李元熙.基于物联网架构的智慧实训室建设研究[J].信息通信，2018（12）：222-223.

[6]闫冰洁.新工科背景下基于CDIO理念的机械电子工程专业实践教学改革探讨[J].科技风，2019（15）：25.

[7]谢维珏.新工科建设背景下大学英语教学改革研究[J].教育教学论坛，2019（21）：116-118.

[8]蔡文霞，杨蓓.基于CDIO的线上线下交互式教学模式改革研究与实践：在“互联网+”背景下[J].石家庄学院学报，2019（3）：152-156.

[9]曹景胜，段敏，王冬霞，等.基于单片机的汽车类设计性实验开发[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019（3）：113-116.

[10]唐琳，刘星月，廖先莉，等.仿真与实验相结合的单片机实验教学研究[J].实验技术与管理，2019，36（4）：213-216.