CDI O模式下的单片机原理课程教学方法探讨

2014-12-25林国汉李晓秀王迎旭

湖南工程学院学报（社会科学版） 2014年2期

林国汉，李晓秀，王迎旭

（湖南工程学院电气信息学院，湖南湘潭411101）

单片机具有结构简单、可靠性高、价格低廉等优点，在自动控制、智能仪表、医疗器械、家用电器等领域得到广泛应用。因此，国内高校都将单片机原理与应用这门课程设置为电气信息类专业的专业必修课程。该课程具有很强的实践性与综合性，课程学习目标主要是让学生通过学习，掌握单片机的基础知识，具备单片机系统工程开发的能力。传统的单片机原理与应用的教学方法多为课堂理论教学与实验教学相结合的模式。按照教材的内容讲解相关的理论知识，配合一定学时的实验课。然而由于单片机的基础理论知识比较抽象，很多学生感到枯燥，缺乏主动学习的热情。实验学时占的比重不大，实验主要集中在某一段时间，很多学生不能独立解决实验过程中出现的问题。因此这种传统的教学方法不利于对学生工程能力、创新能力和综合素质的培养。［1］

为了适应应用型本科培养需要，结合湖南工程学院卓越计划，负责全校单片机课程教学的课程组教师将CDIO工程教育模式引入单片机原理与应用课程，对单片机课程教学进行教学改革，开展以项目教学为主的CDIO模式教学，让学生在做中学，在做中学，在有限的时间内，既能掌握单片机理论基础知识，又能培养实际工程问题解决能力、创新能力和团队协作能力。

一 CDIO模式下的单片机教学方法探索

CDIO（conceive，design，i mplement，operate；构思、设计、实施、运作）是由麻省理工学院联合瑞典的皇家工学院、林雪平大学、查尔姆斯理工大学等高校通过多年的探索与实践建立起来的一种工程教育模式，CDIO工程教育模式以项目为导向，以培养学生工程实践创新能力、团队协作能力为主要目标，以从产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。在能力要求方面，CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个方面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个方面达到预定目标。［2］

二 CDIO工程教育模式

（一）CDIO工程教育模式下的项目教学法

项目教学法［3］是一种以学生为中心的教学方法。与其它教学方法不同，项目教学法以学生为中心，以教师为主导，以项目为中心，以课本为基础，以工程实践为中心。CDIO工程教学模式中对项目教学法进行了系统化，既注重专业知识，又能切实培养学生动手能力、创新能力及团队协作能力。设计－实现经验是CDIO 12条标准中的一条。该标准的具体要求包括培养计划是否包含至少两个设计－实现经历（其中一个为基本水平，一个为高级水平）？在课内外活动中学生有多少机会参与产品、过程和系统的构思、设计、实施和运行。针对单片机原理和应用课程实践性强的特点以及应用型人才培养的需求，我们在CDIO工程教育模式下从以下几个方面出发，尝试对该课程进行了一些改革，在进行项目驱动教学时，按照CDIO标准，根据学生及学校条件精心设计项目内容。

1．项目设计。在CDIO工程教育模式下，采取项目驱动法进行教学的关键是设计合适的项目。我们在进行项目设计时，尽可能使该项目覆盖更多的知识点，能够体现“做中学”和“学中做”的原则；同时注意应用型本科学生的培养特点，充分考虑学生的基础、兴趣及能力，设计项目具有层次性，以满足不同层次的学生需求；所设计项目具有通用性，能够培养学生进行单片机产品设计与研发的CDIO能力；项目选择尽量贴近企业需要，产学研相结合，让学生学到技术之外的许多东西。项目设计完成后，在课程的开始，我们对课程项目进行分析，让学生了解清楚他们需要掌握什么知识和技能，在课堂上将进行哪些方面能力的培养。在进行课程教学时，不再采取按章节顺序进行教学的传统方式，而是通过课程项目进行扩展，把每个课程项目分成几个单元项目，单元项目随着课程项目的推进逐一解决并进行整合，最终形成课程项目。

由于参与的学生较多，我们将企业项目、学生自选的有意义的项目、有社会和市场价值的项目进行整合，以便使学生有足够的机会学习和训练。［5］最终设计的部分项目如表一所示。

表一学习和训练的部分项目表

续表一

2．项目实施。在实施项目教学法过程中，为了在提高学习效率与效果的同时降低学习成本，课程组老师自行研制了功能齐全的单片机学习板（见图1）。

图1 自制的单片机学习板

该学习版主要包括具有ISP功能的单片机、4X4矩阵键盘、DIP开关、四位一体LED显示器、继电器、电源模块、串行通信模块、红外控制模块、串行E2PROM模块等。单片机所有的I／O口都预留了扩展端口，且预留一部分面包板以便进行系统设计。单片机的主要知识点，如I／O端口操作，定时器／计数器，中断，串行口、存储器、人机接口等，都可以在开发板上进行实践和验证，再辅以小车模块、电机模块等其它部件，可以进行相关项目的学习与训练。相对于传统的实验箱，单片机学习版结构简单，成本低廉但功能齐全，适合初学者；携带方便，适合在课堂上使用；预留接口丰富，便于进行系统扩展和设计。

按照CDIO工程教育模式，项目的具体实施如图2所示。

图2 CDIO项目实施

项目具体实施包括以下几个阶段：

（1）项目构思阶段。以3个学生为一组，学生可以从老师提供的项目组中选择项目，也可由学生通过查找资料，根据自己的兴趣，自行设计一些有一定难度的，知识覆盖面较广的项目。学生根据项目具体要求，列出项目所需元器件清单，拟定设计思路，制定好系统实现方案，并绘制软件程序流程图。通过这个阶段，可以培养学生的自学能力、独立思考和分析能力。

（2）项目设计阶段。学生查找资料，在宿舍或实验室焊接好硬件电路，用C语言或者汇编语言编写程序。对于一些复杂项目，学生可先利用PROTEUS等软件进行仿真，然后再进行硬件设计。这一阶段不仅使学生知道各种类型的组件，了解硬件电路原理，还可以培养学生的硬件电路调试能力。在这一阶段期间教师随时引导学生去解决所遇到的问题，也可对基础较差的学生进行重点指导。通过设计阶段的锻炼，可以培养学生的团队协作能力。

（3）项目实施阶段。学生自行对硬件电路和程序设计进行检查，采用不同测试方法进行调试，学生分析遇到的问题，寻找问题的解决办法。学生互相交流，取长补短，完善设计的系统，并根据调试结果撰写精炼的项目设计报告。这个阶段主要培养学生的创新能力及项目总结能力。

（4）项目运行阶段。每个小组按照项目的任务要求进行答辩，并进行相应的实物操作演示，教师及其它组的学生对该项目的设计方案、设计思路、关键技术、难点等进行评价，然后进行自评、小组互评和教师评价，根据考核评价表给出学生的综合成绩。

3．项目的评价总结。对每个学生完成的项目，教师从以下6个方面对其项目进行考核：

（1）设计方案合理性与创造性；

（2）学习板焊接工艺及调试完成情况以及软件设计的规范性；

（3）软硬件结合调试情况；

（4）项目说明书的质量；

（5）答辩中的综合表现；

（6）工作能力。

教师只要在项目评价环节进行严格把关，学生就可以在完成项目的过程中既掌握硬件设计和软件程序编写，又掌握如何撰写精炼的项目总结报告，同时在互动答辩环节中还能锻炼口头表达能力，完成一个完整的项目过程训练［6］。

（二）CDIO项目教学与科技创新活动、学科竞赛相互促进

为了更好地促进CDIO项目教学法的实施，同时检验学生应用单片机进行实际系统设计的能力，学校采取多种方式，鼓励学生积极参加科技创新活动，加强科研能力和创新能力培养。一是学校每年拨出专门经费，设立100项大学生科技创新项目，每个项目资助800－1000元，学生通过查阅资料，了解科学领域中有哪些需要解决的工程技术问题，有哪些新产品、新技术、新设计等，将CDIO项目进行扩展，结合实际工程问题形成科技创新项目；二是加强产学研合作，与企业联合组织电子设计竞赛：如与广州凌凯电子有限公司、《电子制作》杂志社联合举办电子设计大赛；与天煌科技有限公司联合举办“天煌杯”电子设计大赛；与台湾义统电子股份有限公司举办“义统杯”趣味电子设计大赛等。不少学生就是因为在参赛同学的带领和影响下，提高了单片机学习兴趣，形成了良好的学习氛围；三是利用湖南工程学院电气信息类创新训练中心现有资源，同时购进相关的仪器设备，建立常用电子元器件库，成立常态化的学生科技创新小组，形成了以学科竞赛赛促进CDIO项目教学、以CDIO项目教学增强学生竞赛能力的良性循环。这些都进一步培养了学生的科研实践和技术创新能力。