融合CDIO理念的单片机综合实验教学案例开发研究

余新栓 康金辉 宋潇

[摘 要] 综合实验是工科学生实践能力培养的重要环节。在单片机综合实验课程设计中引入CDIO工程教育理念，通过角色区分、团队合作形式对学生进行分组，围绕具体单片机产品模型开发案例，从产品构思、功能设计、安转制作、关联应用等过程培养学生的专业技术知识、个人能力、工程能力、职业态度、团队协作和交流能力，提高具有创新精神的应用型人才培养能力。

[关键词] CDIO;单片机;项目教学;工程能力

[基金项目] 2019年陕西理工大学一流专业培育项目子项目（实践教学类）“以培养目标达成度为导向的课程设计教学研究与实践”

[作者简介] 余新栓（1973—），男，陕西宝鸡人，硕士，陕西理工大学电气工程学院讲师，主要从事电力系统自动化与计算机应用系统研究;康金辉（1967—），男，陕西岐山人，学士，陕西理工大学电气工程学院副教授，主要从事电力系统自动化与计算机应用系统研究;宋 潇（1992—），女，陕西西安人，硕士，陕西理工大学电气工程学院助教，主要从事电力系统自动化研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）36-0383-02    [收稿日期] 2019-12-20

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即构思—设计—实施—运作）已经成为一种得到国际广泛认可的工程教育模式。CDIO模式具有大工程理念，是工程教育改革的一种主流体系，强调能力培养的针对性，密切联系产业实践，注重培养综合素质。该模式让学生进入主动实践，通过体验产品从研发到运行的整个生命周期，借鉴在社会环境下企业的生产开发过程，从系统构思、设计、实施、运作四个层面培养学生的工程能力。

单片机原理及应用是电气信息类专业普遍开设的一门专业技术基础核心课程，融合了电子技术分析、信号与系统测试、电路设计与程序设计等诸多工程应用能力的培养，具有实践性强、适应面广等特点。单片机应用产品往往以嵌入式形式出现，其中以单片机为核心的应用系统相对独立，可以作为电路控制器等微小型电器产品的形式单独存在，因此单片机综合实验课程适宜于以CDIO模式为方法论，结合项目式教学方法来开展。本文结合对CDIO工程教育模式的探索，尝试将其融入单片机综合实验教学案例开发工作，提高实验教学效果。

一、项目案例设计模式及要求

现今工程专业人才培养过程中存在的问题意识淡薄，专业兴趣不浓，创新能力缺乏等问题，都与教学内容设计脱离实际有关系。CDIO工程教育模式与项目式教学具有固有关联性。为了贴近企业生产环境，可以借助慕课、云学习、翻转课堂等虚拟课堂和网络交互学习平台，创设项目学习环境。在单片机综合实验教学案例实践中，遵循一些基本开发原则：题目的难度、知识覆盖面要符合课程要求和培养定位，避免出现实践能力要求弱、脱离学生实际的“软项目”;应该阐述较为完整的工程案例设计的完整步骤，突出真实案例选择和案例分解与重构环节，力戒项目教学中出现的案例选择不当、缺乏具体设计等问题，为切实增强学生实践动手能力和创新能力做好铺垫。总之，指导教师在项目初期选题和构思阶段应起到足够的引导作用。

CDIO能力培养分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，为使学生在这四个层面达到预定目标，分阶段将项目团队学生分为系统分析、电路设计、软件开发与测试、项目维护等角色进行实践训练。比如，进行系统分析的同学负责系统需求分析和构架设计，进行软件设计的同学负责程序设计与编码调试，进行项目维护的同学负责系统软硬件测试与维护。各组之间相互交流协作，在沟通中不但增进了对技术问题的理解，也培养了系统工程的能力。根据项目进展，一段时间后再进行角色调整。这样可以使学生轮流体验到不同工作定位和能力要求，以便学生增强自我意识，发现自身优势与不足，有效提高学生工程能力和个人自主学习能力，加强协作，提高工程创新意识，培养人际沟通与团队合作能力。

在项目运行阶段，指导教师平时要有意识与学生的多接触，倾听学生的创意，认同学生的努力付出，激发学生与指导教师交流的意愿，形成师生能力互补，与学生共同投入项目学习。特别要注重项目创新情况，为学生提供资料，指导学生进行调研，并管理实验进程，成为学习资源的提供者和学习活动的参与者。

二、案例项目教学的实施过程

以万年历电子时钟设计题目为例，提出基本功能要求和设计流程的整体安排，以单片机为控制器，设计具有数据显示、温度采集、时间处理和调整设置功能的功能电路。预期产品模块可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿、时间校准等多种功能。在显示器上同时显示年、月、日、星期、时、分、秒等时间信息。设计要求用较少的按键实现所有功能，计时准确;可以设定闹钟功能;有阳历、农历对照功能，平年闰年准确无误。对设计的具体细节则由学生根据构思在后续环节中调整优化。比如，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

构思阶段涉及构思产品形式与功能定位。产品定位包括：产品形式可以是消费电子系列的桌面摆件式、嵌入台燈式、户外大屏幕LED点阵显示式、公共建筑室内LED灯箱式等产品形式。鼓励学生构思各种功能，比如语音播报、整点报时、无线遥控、网络校准等。

设计阶段引导学生提炼设计中的主要技术问题，提出拟解决的思路，以不同的技术路线做出技术方案和实现办法。比如，计时及校准功能是电子时钟的基本功能，设计可以采用判断模式，定义一个用于模式调整的按键，其他两个为加减按键，为了能对按键按下的次数进行相应的操作，设计一个按键变量以存储相应的按键次数。计时是对计数器进行操作，可以使用片内定时器、片外日历时钟芯片等方式，具体实现过程中学生需要考虑不同的月份对应的天数、了解闰年与平年，根据判断值选择相应的数据。校准模式下当调整数据被选中时相关数据位闪烁显示。调整时间时，根据按键次数进行选择，当按键次数为设定值时，进入调年模式，然后进入闪烁状态，直至调整其他时间。当进入闪烁模式时，可以进行加或减的操作，其他调整方法类似，包括调整闹钟。

从项目实施角度看，电气工程师必须掌握电气工程制图、元器件参数运算与选择、硬软件实验、系统测试、工艺操作、应用计算机进行文档撰写等知识和技能。将CDIO实施分解成若干设计过程，分阶段完成功能结构设计、系统功能划分与设计工具选择。经过电路设计与制作、程序设计、调试与维护，最后加入一定推广与宣传文档撰写任务，进行行业应用与市场调查，有条件的情况下可以完成调查报告。

三、案例项目教学的成绩考核

为避免出现工科教育“理科化”，最终考核注重工程特性，注意培养训练和考查工程专业技能和实操能力。要求提供芯片资料、原件清单、原理图及设计程序。把项目教学课程植入实验室体系之中，促使学生重视包括实验仿真、PCB电路设计、制作安装设计的整个设计过程中，促使学生工程设计的实现。

参照CDIO理念标准，以创新训练为主线，通过层次递进的项目学习环节考查，建立较为科学和全面的评价体系，不仅考核学生课堂表现情况与课后思考题完成的质量，同时还兼顾实验项目中对专业知识的掌握、创新思维以及团队沟通与协作情况等综合表现，有利于促进教师进行教学改进，完善教学方法，从而提高教学质量。

四、结语

以产品生产流程从研发到运行的生命周期为载体，融入CDIO教育理念，使学生具备较强的工程应用能力。顺应工程教育发展趋势，找准学校培养具有创新精神应用型人才的定位，缩短工程能力与工业产业要求之间的差距，符合现代工程技术人才培养的一般规律，促进培养目标达成度的提升。

参考文献

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