基于CDIO理念下《单片机原理与应用》核心素养的教学设计研究

康之讷　徐陶祎

摘 要：随着计算机与信息技术的飞速发展与进步，单片机系统在人类社会中的应用变得越来越广泛。《单片机原理与应用》作为单片机系统的主要专业课程，一直是各大高等院校电类专业的主干课程。该课程要求学生对单片机的硬件组成、原理有一定的了解，同时需要掌握相关软件、指令及编程相关的知识。教学过程中，重点、难点较多，理论与实践、硬件与软件的结合不够紧密等问题容易导致学生出现缺乏兴趣、难以掌握的情况。本文结合作者长期的课程教学经验，探讨该课程的核心素养，并结合CDIO理念改进教学方法并应用于实践教学当中，起到了提高教学效果的作用。

关键词：单片机原理与应用 核心素养 CDIO

Research on the Teaching Design of Core Literacy of "Single Chip Microcomputer Principles and Applications" Based on the CDIO Concept

Kang Zhine Xu Taoyi

Abstract：With the rapid development and progress of computer and information technology， the application of single-chip microcomputer systems in human society has become more and more extensive. "Principle and Application of Single Chip Microcomputer" as the main professional course of single chip microcomputer system， has always been the main course of electrical majors in universities. This course requires students to have a certain understanding of the hardware composition and principles of single-chip microcomputers， as well as knowledge of related software， instructions and programming. In the teaching process， there are many key points and difficulties， and problems such as insufficient integration of theory and practice， hardware and software can easily lead to students' lack of interest and difficulty in grasping. This article combines the author's long-term course teaching experience， explores the core qualities of the course， and combines the CDIO concept to improve teaching methods and apply them to practical teaching， which has played a role in improving teaching effects.

Key words：principle and application of single chip microcomputer， core quality， CDIO

1 引言

《单片机原理与应用》是一门典型的硬件、软件并重的课程。课程学习过程中，要求学生既要对CPU、存储器、I/O口、中断等硬件的原理有充分的了解，又要熟练掌握使用对应硬件资源时的指令与编程方式。正是基于以上这个特点，作者在教学过程中所接触的教材大多采用汇编语言及C语言两种编程语言同时进行单片机编程教学。其中汇编语言更贴近单片机的工作原理，能够加深学生对硬件工作过程的理解;C语言作为学生必修的前置课程，更贴近自然语言与逻辑，突出了对外部工作过程的描述，便于学生掌握对单片机相应资源的控制[1]。《单片机原理与应用》同时也是一门对理论与实践相结合要求比较高的课程。该课程的规划中，实验与实践环节占据了比较大的比重。无论是使用模拟仿真软件进行相关内容的练习，还是进行单片机实物操作练习，都对学生掌握该门课程的重要内容起到了至关重要的作用。

除了高等院校提供的相关课程，一些培训、线上教学也涵盖了与单片机相关的内容。结合二者来看，高等院校在该课程的教学中，容易出现理论、实践脱节的情况，即所学的知识并没有为实际应用中需要掌握的能力提供相应的支持;而培训、线上教学容易出现原理性内容掌握不牢靠的情况，从而影响学生更深层次的发展。作为长期从事该门课程教學的教师，从高等院校教学的出发点来看，需要结合二者的优点，从学生未来从事相关行业所需要具备的能力出发，基于该课程的核心素养针对性的提出改进方法。

2 《单片机原理与应用》课程的核心素养

一门课程的核心素养是指学生通过在学校内接受该课程的对应教育后，所形成的解决该课程相关领域专业问题的素养与能力。这种素养与能力应涵盖扎实的理论知识积累、解决实际问题的方式方法、遇到复杂问题后的自我探究与学习的能力等诸多良好素质[2]。以侧重培养学生未来在单片机相关领域解决专业问题的素养与能力为出发点，并结合上文对《单片机原理与应用》课程的特点分析可知，学生在学习这门课程的过程中应具备的核心素养可以概括为：掌握足够的单片机硬件原理、编程等相关知识及学习方法以具备设计能够解决实际问题的单片机系统的能力。这就要求该课程在进行教材编写、课程设计时，将理论知识与实践结合的更加紧密，同时兼顾硬件原理、编程等相关知识的传授。

3 CDIO教学模式简介

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），遵循产品从研发到投入运行的流程，强调对学生解决实际问题能力的培养，是一种非常符合上文中所探讨的关于《单片机原理及应用》课程的核心素养的教育模式[3]。本人在教学过程中发现，学生在学习过程中对动手实践环节的兴趣普遍高于对理论知识的学习。一种可行的方案为：以实践环节为整个课程的出发点，以教材中的引例为知识的切入点，教师将理论知识贯穿其中，引导学生完成单片机系统设计，解决引例中提出的实际问题。整个教学过程可简要分为如下几个步骤：（1）课程开始时以动手实践的方式激发学生学习单片机的兴趣;（2）设计难度适当的实际问题，引导学生构思解决问题的方法（在这个过程中学生会意识到相关理论知识的缺乏）;（3）由教师结合实例讲解对应的知识点;（4）学生应用所学知识点设计单片机系统并基于之前实践所得（单片机实物开发板或模拟仿真软件）将该系统实现，解决之前提出的实际问题。

4 CDIO模式在《单片机原理与应用》教学中的应用

以作者承担的《单片机原理与应用》课程为例，该课程的实训内容要求学生将一款51系列单片机的开发板散件焊接完成后，配以一系列的输入、输出模块，解决了一些具有针对性的实际问题，简要模拟了实际生活中单片机系统的开发过程。下面以讲解单片机I/O口的操作的教学过程举例来简要说明一下CDIO模式在该课程中的应用。

（1）学生完成了电路原理、C语言等前置课程的学习，并具备了一定的电路板焊接能力。该课程的开始阶段，每两位学生组成一个小组，共同完成一款51系列单片机开发板散件的焊接，如图1所示。其间教师简要介绍各部分的功能和原理，该开发板包含51系列单片机所需要的外围电路和一些基本输入/输出（5个按键、8个LED小灯等），便于进行接下来的教学安排。学生在焊接过程中，对硬件电路的组成及其原理有了基本的了解，同时产生了进一步学习和使用单片机的兴趣。

（2）以I/O口的操作为例，教师给出的引例为：请同学们为一间超市设计一款安装在入口处的设备，每当有顾客进门，就给出适当的提示音。随后教师简要介绍可供参考的传感器、蜂鸣器等设备的相关信息，学生分组构思并讨论可行的方案。

（3）在这个实例的设计过程中，核心知识点是I/O口的操作，即如何读取指定的输入端口的信号与如何在指定的端口输出正确的信号。附加的知识点（其中某些知识点在之前的引例中曾涉及过）包括输入/输出设备的接线方式、通信方式、分支程序设计等知识点，教师应根据具体情况进行安排。由于学生普遍具备C语言编程的基础，在教学过程中，可适当侧重汇编语言程序设计的讲解，便于加深学生对单片机硬件资源的理解。在此基础上，再使用C语言进行程序改写，学生的掌握程度普遍较好。

（4）搭建完成的系统如图2所示：其中左上角为避障传感器，可以检测到指定范围内存在物体遮挡;右下角为蜂鸣器，可以根据需求输出特定声音提示。学生在完成单片机系统设计并调试成功后，可以将样机尝试安装在适当位置，以进一步调试设备的运行效果，并给出可行的改进方案。指导教师根据每一组学生的完成程度进行打分，也可以在课堂上进行作品展示，有助于小组之间交流沟通、相互学习。此外，相同的原理可应用于设计其他场景下的同类型智能设备，如：公共厕所自动冲水装置、自动水龙头、自动烘手机、简易倒车雷达等，指导教师可以根据课堂需求增加实训项目、课后练习、项目考核等环节，以求达到使学生能够独立进行原理设计、传感器选型、完成系统搭建等项目设计相关环节的目的。

在这种模式的教学理念下，学生在课程开始阶段就能产生浓厚的学习兴趣，让自己精心焊接的开发板“跑”起来是他们最大的目标;知识点不再是空洞乏味的概念，而是解决实际问题的武器：掌握了单片机I/O口的操作方式，就能为超市设计有实用价值的小设备;课堂中，对未来从事相关工作可能面对的工作过程有了大致的了解，同时提前培养了分工协作、团队合作的能力。总体来说，这一过程不仅是对《单片机原理与应用》一门课程的深入学习，更是对学生全面素养的整体提升。

5 总结

由上文分析可知，将CDIO理念应用于《单片机原理与应用》核心素养的教学设计之中，能够起到提高教学效果的作用。与此同时，这种教学方式对教材的编写、课程的安排提出了很高的要求。例如教师给出的引例（或教材给出）应经过精心的设计，以求达到新知识点的引入由易到難，旧知识点适当重复出现达到巩固的目的，切忌随意穿插章节，不利于学生形成良好的知识体系。高校在培养学生的过程中，应重视每一门课程的核心素养，采用合理的教学模式，提高教学效果，促进学生全面进步。

基金项目：

2019年度地方高校省级大学生创新创业训练项目（No.S201913235005）

参考文献：

[1]徐涢基，黄建华.单片机原理及应用[M].北京：航空工业出版社，2016.

[2]陆和平.浅谈基于核心素养的《机床电气控制》教学[J].当代教育实践与教学研究，2017（09）：83.

[3]赵海茹，周慧，赵盛萍.基于CDIO的《自动控制原理》课程教学模式探究[J].智库时代，2019（31）：191+194.