基于CDIO-OBE 工程教学理念的单片机课程教学方法探究

2024-01-23谭洁，刘震

物联网技术 2024年1期

谭洁，刘震

（铜仁职业技术学院，贵州铜仁 554300）

0 引言

单片机课程是物联网技术、计算机、机电一体化等专业的必修课程。依据2023 年中央一号文件中提出的“重点补上土壤改良、农田灌排设施等短板，统筹推进高效节水灌溉”“推进智慧农业发展”等内容，结合“工农结合、智能制造”的专业发展方向[1]，将电工电子技术、C 语言编程、传感器检测技术与单片机课程有机融合，以面向工程认证的CDIO-OBE 教育理念[2]为出发点，项目构思、设计、实现、运行四步骤为教学主线，打造以学生为中心、以培养学生创新思维和创新能力为导向的教学模式，设计了以开发制作智能灌溉系统为核心的教学方案，致力于培养学生专业基础能力、思维创新能力，大力弘扬传承“工匠精神”，激发学生“爱国情怀”，树立节水意识，为服务乡村振兴储备高素质技能人才。

1 教学整体设计

1.1 紧扣CDIO 工程教育理念，融通岗课赛证，工农结合重构教学内容

在传统教学中，单片机课程一般采用以理论教学、实验讲解为主，学生实践为辅的教学模式，教师讲授偏多，学生动手偏少，每个知识点案例独立，内容缺乏衔接，学生在学习过程中常常“知其然不知所以然”，导致逐步对课程失去兴趣[3]。根据物联网技术等专业的人才培养目标，结合2023 年中央一号文件精神，以学生兴趣为抓手，重构“工农结合+智能制造”的单片机教学内容，将课程分为4 个层次逐级递进的工程教学项目模块[4]，从项目构思、设计、实现、运行四个方面训练学生的工程思维[5]，岗证结合，因材施教，以赛促教。

模块一：电子广告牌。通过电子广告牌设计与制作项目熟悉单片机的基础知识、硬件结构，学会Keil、Proteus、STC-ISP 等开发设计、仿真验证软件的运用[6]，掌握C 语言在单片机控制中的作用，熟悉生活中常见电子广告牌的原理及实现过程。此项目涉及的是单片机的基础内容，可以拓展设计声光报警等项目，旨在夯实单片机基础知识，为后续知识的教学筑牢根基。

模块二：智能灌溉系统。将工科智能制造与农业灌溉相结合，响应国家“重点补上土壤改良、农田灌排设施等短板，统筹推进高效节水灌溉”“推进智慧农业发展”的文件精神，学习数码管、键盘、A/D 采样、水泵驱动等新知识的同时，引导学生站在单片机开发与设计应用工程师的角度，从如何构思智能灌溉项目、如何模块化分解项目任务、如何逐级设计实现子项目、如何将子项目组装合成等方面着手逐步推进完善智能灌溉系统，激发学生的创新思维，锻炼学生的工程实践能力，鼓励学生参加大学生挑战杯、全国大学生电子设计大赛、电子电路装调与应用等相关比赛，并报考电工证、单片机设计师、电气工程师等相关职业资格证书。

模块三：定时灌溉系统是模块二的功能拓展，融入中断系统、定时器/计数器、液晶显示等新知识，引导学生从不同角度分析、解决项目中的显示问题，对比分析数码管显示和液晶显示的不同点，并使用不同的创新方式实现相同的功能，提升项目质量。

模块四：综合设计阶段。引导学生在前三个模块的基础上进行头脑风暴、发散思维，寻找新的创新点，根据调研情况自行设计增加项目功能模块，完善智能灌溉系统功能，精益求精，不断突破，为推进农业灌溉系统建设和节约水资源打下基础，为推进智慧农业发展作出贡献。

1.2 师生问卷协同调研，多角度精准凝练学情，预判教学难点

单片机课程的前导课程有电工电子技术、信息技术、C 语言编程、传感器与检测技术。电工电子技术的学习为学生设计并制作硬件电路奠定良好基础；信息技术是Keil、Proteus、STC-ISP 软件操作的关键；C 语言编程是单片机程序控制的核心；传感器与检测技术是单片机与外部设备进行数据交换的桥梁。针对对应课程在单片机课程中的地位，制作课程分层问卷，邀请科任教师对学生学习情况进行评价。同时，在学习通制作问卷邀请学生进行自我学习情况评价，对学生整体与个体差异进行分析凝练。

紧扣课程标准，立足岗位需求，明确三维教学目标。对教学目标进行分级度量，确定教学重点；专业教师综合学情及教学目标难度系数，预判教学难点。如图1 所示为教学目标及重难点。

图1 教学目标及重难点

1.3 依托网络媒介，自制SPOC 教学视频，探索基于CDIO-OBE 工程教育的翻转课堂新模式

（1）自制SPOC 教学视频，推进课程资源建设。打破传统课堂以教师讲授为主、学生实践为辅的教学模式，根据学生的实际学习情况，自制新知讲解、重点复习、难点答疑、仿真、实作演示等SPOC（小规模限制性在线课程）教学视频，并在超星学习通平台发布供学生自主学习，学生可以不受学时、教学空间等因素的限制，扩展课堂学习空间，学生可以随时学随地学。

（2）借助网络媒介，营造良好的泛在学习氛围，加快信息化教学进程。充分利用QQ 群、超星网等网络媒介，为学生解答自主学习单片机的难题，学生可以随时学随地学的同时，还可以随时问随地问，且有教师在线进行“专问专答”，为学生营造轻松愉快的泛在学习氛围，提升教学质量，促进网络教学平台的建设，加快信息化教学进程。

（3）以项目为载体、学生为主导，以“构思、设计、实现、运行”四步骤实施教学方案。在授课过程中，紧扣以学生为中心的CDIO 工程教学模式，根据实际工程项目从最开始的构思分析到设计软硬件结合的项目流程，然后编写控制程序及制作硬件电路分步实现各个流程环节，最后调试运行项目四个步骤探索适应本土的、以学生实践为主和教师答疑为辅的CDIO-OBE 工程教育“翻转课堂”模式[7-10]。

（4）开发“口袋实验”设备，推广虚拟仿真教学，探索先仿真后实作的开放实验教学策略。单片机课程是理实一体化课程，传统的实训教学空间仅限于在实训室内，以教师程序讲解、实物演示操作为主，教师活动占据了大部分的实践时间。为了在有限的学时内完成实训，学生机械式照搬教师编写的程序和操作过程，缺乏自主思考、设计、程序编写等过程，学完以后“知其然不知所以然”的问题突出，难以达到通过实践教学培养学生工程应用和创新能力的真正目的。

为克服传统实训教学的不足，课程组采用模块化思想自主研究开发了便捷式的口袋实验教学设备[11-12]。口袋实验设备由各个项目所需的散件组成，学生在使用时需要熟悉每个项目的硬件电路的原理、单片机端口分配情况，以及与外部设备的连接关系。实物电路制作可以增强学生对元器件实物和原理的认识度，提高学生的实践动手能力，培养排除故障、解决问题的应变能力，激发学生的创新思维。此外，口袋实验室在开课学期由学生自主管理，学生可以不受时间、空间限制，随时随地验证实验，营造了“处处能学、实时可学、随时可问”的开放实训新环境。

为了避免学生在设计、搭接硬件电路时出现设计、连线等错误而导致设备器件损毁，引入了EDA 虚拟仿真实作。学生在进行实物制作前，需要在Proteus 仿真平台下绘制电路原理图，并下载控制程序进行仿真验证。仿真可以让学生清楚地掌握理论知识，减少实作过程中低级错误的发生率，减少实验损耗，便于硬件电路的设计和优化。

（5）完善单片机课程教学体系，建立合理的全员、全过程、全方位教学质量评价机制。单片机课程采用过程性评价和总结性评价相结合的方式，过程性评价从知识、能力、素养三个方面进行评价，总结性评价针对学生的成果展示与汇报情况进行考评，着重考查学生作品的功能实现、方案设计、职业素养、特色创新等情况；教师、学生全程参与评价环节，全面客观地评价学生的学习情况。

2 教学实施过程

2.1 整体教学实施过程

2.1.1 任务驱动，模块化教学

以项目二为例，智能灌溉系统分为显示湿度值、A/D 土壤湿度数据采集、按键设置湿度限值、水泵驱动灌溉四个模块的内容，每个模块4 学时，采用理实一体化教学方式。

2.1.2 虚实结合，强化重点突破难点

落实岗课赛证融通，根据人才培养方案和课程标准确定教学重点，基于学情分析，确定教学难点。在教学过程中，以信息化为教学手段，自制SPOC 教学视频讲解、演示操作仿真+实作过程，采用先仿真、后实作的实践教学方法，突破重难点[13-14]。

2.1.3 总结提炼，现场汇报

学生分模块完成智能灌溉系统的子任务，最后综合完成各个模块的设计，反思实施全过程，总结提炼实施过程中的困难及解决方法，现场进行分享汇报。

2.2 单元教学实施过程

2.2.1 课前自主探索

课前发布预习任务，学生观看相关教学视频、查阅对应芯片的datasheet 资料、设计仿真电路等，完成自学任务和自学知识测试，通过观看教学视频、资料查阅、设计仿真电路，提高学生自主学习能力，让学生带着问题学，让学生意识到课程内容的重要性，促进理论和实践教学。

2.2.2 课中强化技能

课中通过“导入-探究-演示-练习-总结”五环节强化技能，导入阶段带领学生回顾旧知识、导入新课；探究阶段，通过探原理、究方法，开展课堂互动，内化新知识；演示阶段，通过先仿真、后实作的步骤现场演示，提升学生的兴趣；练习阶段，学生自主动手仿真、实作演练，发现问题，现场解答，学生切身体验实作全过程，掌握方法，突破难点；总结阶段，分析学生遇到的问题，带领学生复盘所学内容，强化认识。

2.2.3 课后拓展应用

教师发布课后拓展任务，学生接受任务并在QQ 群讨论任务的难点，学生和教师一起为学生答疑解惑，为学生顺利完成课后任务提供保障机制。

3 学生学习效果

3.1 优化教学组织，高效达成学习目标

借助超星学习通和QQ 群等网络媒介，结合口袋实验设备、虚拟仿真软件，实现虚实一体的工程实践教学模式，为学生营造泛在学习环境；通过实际工程项目分模块化训练，学生不仅能够掌握每个模块的基本原理、硬件构造、程序控制流程、实践操作等，还能够按照6S 标准规范实作过程，夯实岗位核心技能，学生参与率100%，学习目标有效达成。

3.2 整合教学资源，有效激发学习动机

实际工程项目驱动、SPOC 视频等教学资源的支撑、不受时间和空间限制的现场+网络答疑的辅助，有效提升了学生的学习兴趣和积极性。鼓励学生发散思维，积极创新，申报并完成以单片机为核心的相关课题。同时，鼓励学生参加全国大学生电子设计大赛等相关比赛。

3.3 借助CDIO-OBE 工程教育模式，提升职业素养

以学生为中心，以实际工程项目为驱动，借助CDIO 工程认证的“翻转课堂”教学模式，切实提升学生的职业素养。学生能够以小组为单位构思项目框架、设计项目流程、仿真-实作搭接硬件电路、编写控制程序、调试实现项目功能、汇报展示项目过程及结果。小组共创项目，发挥团队精神和协调沟通作用；自主构思项目框架，不断探索创新，优化项目。设计项目流程，树立安全、规范意识，养成良好的6S 习惯；先仿真后实作搭接硬件电路，展示精益求精的工匠精神；编写控制程序，养成严谨的编程风格；调试实现项目功能，发挥临场应变能力；汇报展示项目过程及结果，总结提炼，展现风采。

4 反思改进措施

4.1 教学特色创新

4.1.1 德技并修，工学结合

多措并举，充分挖掘课程思政元素，思政贯通，形成守规矩、懂方法、会应用的课程思政体系。以2023 年中央一号文件为指引，以树立节水意识、服务乡村振兴为导向，以培养学生具有安全规范意识、创新思维、工匠精神为成果，从实践中领悟真理，切实做到内化于心、外化于行。

4.1.2 探索虚实一体的开放实验教学策略

通过自制SPOC 教学视频储备教学资源，将教学空间进行延伸，将“翻转课堂”应用到单片机课程教学中，提高学生自主学习氛围和教学品质。通过开发设计口袋实验设备，增加EDA 虚拟仿真实验，形成先仿真后实作的实训模式，学生可以不受时间、空间限制，随时随地进行仿真和实作，营造了处处能动手、实时可运行的开放实训新环境，从而提高学生自主思考、动手实践、故障排查等能力。

4.1.3 重构教学内容，探索CDIO-OBE 工程教育模式

以学生为中心，以CDIO 工程教育模式为导向，以兴趣为引导，以实际工程项目为任务，激发学生的学习热情和学习愿望，潜移默化中提高学生的自主学习能力，并将学生自主学习、总结汇报等纳入考核中，从而激发学生的课外学习热情。