基于CDIO 工程教育模式下《单片机原理及应用》课程教学研究

王洪涛，何益宏

(五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020)

1 CDIO工程教育模式概述

CDIO代表构思－设计－实现－运行(Conceive－Design－Implement－Operate)，是近年来国际工程教育改革的最新成果［1］.从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2 000万美元巨额资助，经过4年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织.CDIO是“做中学”和“基于项目的教育和学习”(Project based education and learning简称PBL)的集中概括和抽象表达［2］.它以工程项目从研发到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.CDIO提出的12条标准如图1所示，描述了CDIO模式下工程教学的必要特性，为工程教学改革提供了最佳实践的参照模型.

准则1说明了CDIO教学模式的基本理念，即“以CDIO为基本环境”;准则2、3、4说明了课程设置要求，包括学习目标、集成化课程设置和工程导论;准则5、6说明了“设计－实现”经验和工作场所;准则7、8说明了以“综合性、主动学习”为特点的新型教学方法;准则9、10说明了教师自身能力和教学能力的发展;准则11、12说明了学生和专业的考核评价方法［3－5］.正值我国高等教育提高本科质量工程之际，CDIO传到国内高等教育界后引起了强烈的反响，也是近年国外教育模式被国内教育主管部门和高等学校接纳较为广泛的一次.很多高校相继展开学习、研究和实践，成立CDIO交流协作组织.五邑大学作为全国首批参加试点的18所高校之一，参与机械、电子电气等两类专业的试点工作.

图1 CDIO的12项标准

CDIO创新工程教育模式倡导问题驱动，注重实践性教学和实际动手能力，主张课程实验教学应该从具体实践出发，然后上升至理论，最后再回到实际操作中来，以创作最终产品为教学目标.CDIO以工程项目设计为导向，以培养个人能力——包括自学能力和创新能力、团队能力和系统调控能力为主要目标;以项目设计为载体，以项目学习促进能力培养.CDIO教育模式的实践和实质性的展开，将对我国本科教育的改革产生深刻的影响.

2 CDIO工程教育的必要性

我国高等院校长期延续苏式人才培养模式，高校改革多年，课程改革始终走不出脱离市场和社会发展需求的怪圈.80%以上的本科毕业生不能随即上岗适应现代企业的岗位竞争机制，企业要进行职业性培训后才能适应工作要求.目前教学过程中由于原理性释义较多，工艺流程实践训练较少，学生系统的工程化概念和实践教育相对不足，至多有前半程C、D(创意、设计)训练，没有后半程I、O(实现、运作)训练.导致学生在校没能完成原发产品制作的全过程训练，毕业后把后半程训练留给企业增加培训负担，造成企业招聘时宁可录用层次稍低、动手能力强的高职学生.因此，现代本科教育应该培养能及时上手胜任工作，能独立完成岗位项目全过程的工程型应用人才，这也正是开展基于CDIO工程教育模式下《单片机原理及应用》课程教学研究与探索的目的与意义所在.

CDIO模拟现代工程师的真实工作环境，在工程教育背景环境下，参照工业界的要求，并对培养计划、教学方法、学生考核以及学习构架提出了全面的指导和要求，突显了CDIO工程教育在工程师知识和能力两方面并重培养的特征.迄今已有几十所世界著名大学加人了CDIO国际组织，通过国际合作的方式，多个国家、大学、专业可以并行探索，集国际智慧，大大加快改革步伐和保证改革方向的正确性.

《单片机原理及应用》是一门实践性很强的专业基础课，主要面向五邑大学信息工程学院电子信息工程、通信工程、自动化、电气工程及其自动化和交通工程专业学生，涉及3个系、近5个专业、数10个班级，并面向全校开设公选课.该课程的重要程度已超出了一门专业基础课的范围，并成为公认的电类专业所设置课程中最受欢迎的课程之一.

基于CDIO工程教育模式下《单片机原理及应用》课程教学研究，以工程项目设计为导向，以培养学生能力——包括自学能力、创新能力、团队能力和系统调控能力为主要目标;以项目设计为载体，以项目学习促进能力培养，以行动导向组织教学，以学生为中心、教师引导、教学做一体的工学结合教育模式，以解决学生知识、技能、素质协调发展问题.CDIO教育模式的实践和开展，将对我国本科教育的改革产生深刻的影响.

3 课程研究思路

3.1 课程设计理念

以单片机系统研发和满足行业企业的需求为前提，以学生能力培养和工程素养为主线，以企业真实项目的实现全过程为教育教学背景，以构建高技能人才培养“做中学”专业课程体系为重点，以与行业企业共建教学环境为条件，以“双师”结构协同教学团队建设为保障，以校企合作、工学结合的共享型资源建设为手段，以培养面向自动化工程设计的高技能应用型人才为目标，按照岗位和职业能力培养的要求，将学生能力培养的基本规律与课程系统化、以及学生专业能力、方法能力和社会能力相结合，形成以企业真实生产项目为载体，以行动导向组织教学，以学生为中心、教师引导、教学做一体的工学结合教育模式，解决学生知识、技能、素质协调发展问题［6］.

3.2 课程内容以项目为蓝本

课程内容以行业企业的产品研发与技术服务需求为导向，以培养学生能力为主线.对项目(系统功能要求)涉及到单片机教学知识点进行分析，以相对完整的产品模块作为教学项目，将相关的教学知识点融入到课程的教学项目中.教学成果以产品形式提供给企业，进而提升企业生产效益.教学项目的形成示意图如图2所示.

3.3 企业专家参与课程设计

根据企业产品初步确定教学项目后，邀请行业企业专家对拟定的教学项目从以下方面进行分析论证.

1)企业产品的实现方案是否合理及改进方案;

2)教学项目是否涵盖企业产品的技术需求;

3)教学项目是否具有通用性，是否能够培养学生单片机产品设计与研发的CDIO能力.

听取企业专家的分析论证后，对教学项目进行完善、修整.

图2 教学项目来自企业产品需求

4 课程教学主要内容

4.1 教学内容

《单片机原理及应用》主要包括两方面教学内容:一是硬件资源的运用，包括单片机内部资源(定时、计数、中断、存储、通信等)与外部资源的运用;二是开发平台的运用，包括集成开发软件Keil(uVision2)和仿真软件Proteus等的运用.

4.2 教学项目选取

教学项目以江门市士礼机械有限公司需求的产品——压配焊接机智能控制器［7］(简称:压力控制器)如图3作为教学载体，该压力控制器以单片机作为控制核心，由单片机最小系统电路、按键与数码管显示电路、A/D转换电路、继电器驱动电路、串行通信电路5个模块构成.

图3 压配焊接机智能控制器

我们将液压压力控制器各模块与单片机教学知识点进行有机结合，设计了5个CDIO教学项目，如图4所示.

图4 《单片机原理及应用》课程教学项目

通过教学项目，能够使学生掌握单片机的基本原理和应用方法，重点培养学生单片机系统设计开发能力.

4.3 教学内容组织

每一个教学项目都是一个完整的CDIO实施过程，在该过程中既训练了学生的单片机应用产品设计与开发能力，同时培养了学生的职业素质.每个教学项目的实施过程示意图如图5所示.每个教学项目都通过“构思(C)→设计(D)→实施(I)→运作(O)”4个典型环节进行实施，进行基于单片机产品开发工作过程的能力训练.

4.4 教学内容及对应学时

本课程采用项目式教学，将课程所需知识融入到5个教学项目中.教学项目分2个教学模块实施，如表1和表2所示，其中模块1侧重构思和设计，主要完成电路实现方案的构思(C)、电路原理图的仿真与绘制及程序设计(D);模块2侧重实施(I)和运作(O)，主要完成电路板的焊接、调试.

图5 教学项目的实施过程

表1 教学实施计划(模块1:侧重构思与设计)

教学实施计划(模块2:侧重实践与运作)

4.5 CDIO教学模式设计

为真正实现“教、学、做一体化”教学，体现学生在教学过程中的主题地位，针对《单片机原理及应用》课程的教学目标，构建了CDIO教学模式，如图6所示.

图6 基于项目导向的CDIO教学模式

在基于项目向导的CDIO教学模式中，学生在教师引导下对企业提出的产品需求进行任务构思、方案对比和任务分解，然后学生每两人一组对分解后的任务进行软、硬件设计与仿真，仿真通过后进行电路板的焊接与调试，最后将调试好的产品进行模拟现场下的调试、运行与维护.

4 总结

通过基于项目导向的CDIO教学，以企业真实项目的实现全过程为教育教学背景，以构建高技能人才培养“做中学”专业课程体系为重点，以校企合作、工学结合的共享型资源建设为手段，培养学生扎实的单片机系统研发专业知识与技能，增强了学生参加科技创新活动的兴趣［8］，提高学生分析问题、解决问题的能力，使学生逐步养成实事求是的科学态度和严谨的工作作风，具备良好的职业素养，以实现培养面向自动化工程设计的高技能应用型人才的目标.

［1］王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考［J］.中国高教研究，2009(5):86－87.

［2］朱张青，赵佳宝.以学科渗透思想建设自动化专业的创新实验体系［J］.中国科教创新导刊，2009(1):21－25.

［3］查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式［J］.高等工程教育研究，2008(3):38－45.

［4］花秋玲.大学生素质教育的三大要素［J］.科教平台，2008(7):67－72.

［5］刘经伟.大学生素质教育的思考，教书育人［J］.高教论坛，2008(7):41－46.

［6］石家庄铁路职业技术学院信息工程.单片机控制系统开发实训［EB/OL］.(2010－05－06)［2011－04－16］.http://www.sirt.edu.cn/content/xjjpk/2009/dpj/default.asp.

［7］王洪涛，伍广胜，陈锡勇，等.基于Atmega128单片机数字压力表设计［J］.江汉大学学报，2010(1):54－59.

［8］任其亮，李淑庆.提高大学生创新能力的对策研究［J］，重庆文理学院学报:自然科学版，2011(2):97－100.