基于CDIO模式下单片机实验教学改革

董铮 张其林 宁彬 谷琼

摘 要： 实验教学是高校教学理论课的重要延伸“课堂”，其实验效果好坏也是检验人才培养质量的有效手段。针对当前单片机实验教学中教学方法、实验考核方式等诸多问题，借鉴CDIO工程教育的评价体系，从实验教学体系思路等方面探讨了教学改革思路和方法。通过一年多的实践检验，证明了CDIO工程教育模式下实验教学改革是富有成效的。

关键词： 单片机； 实验教学改革； CDIO模式； 工程教育

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）09-75-02

Experimental teaching reform for MCU course base on CDIO

Dong Zheng， Zhang Qilin， Ning Bin， Gu Qiong

（School of Mathematics & Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： Experimental teaching is an important extension of the classroom teaching， and the experimental effect is also an effective means to test the quality of personnel training. According to the current status of microcontroller teaching， the teaching and assess modes， by introducing CDIO engineering education evaluation system for reference， from the aspects of experimental teaching system， the ideas and methods of teaching reform is discussed. One year's practice shows that the CDIO mode in the experimental teaching is fruitful.

Key words： microcontroller； experimental teaching reform； CDIO mode； engineering education

0 引言

當前就业形势的日趋严峻，应用型人才培养已成为高校人才教育的关键及教育研究的热点。单片机原理作为一门课程，早已在各个高校开设起来。单片机实验课程开设也较早，其理论与实践紧密结合，要求学生对基本理论理解要深，实验动手能力要强。如何提高学生实验实践能力，培养其工程创新能力，增强专业优势，提高就业竞争力，已成为每个高校实验教学面临的一个难题[1]。

CDIO工程教育模式是由麻省理工学院等四所大学组成创立的一种工程教育理念，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四个方面的有机整体。它是以产品研发到运行作为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系在一起的一种学习工程方式[2]。CDIO采用12条标准来描述其教学大纲要求的教育目标，其具体内容包括：①以CDIO为环境背景；②CDIO教学目标；③一体化的课程设置；④工程概论；⑤设计-制作经验；⑥CDIO实践场所；⑦综合性学习经验；⑧主动学习；⑨教师CDIO能力的提升；⑩教师教学能力的提高；[11] 学生CDIO能力评价；[12] CDIO项目评估。而当前单片机实验课程面临的主要问题是实践能力较弱，将CDIO模式运用到实验教学模式中来，国内外许多大学都进行了尝试。CDIO以其注重实验实践教学，逐步培养学生动手、动脑的良好习惯，并能将理解研究技术发展对社会的重要影响，与社会所提倡的”学以致用”培养目标高度吻合，受到广大教育者的高度关注[3]。

1 单片机课程实验教学现状

单片机实验课程是为进一步巩固和扩展理论课程所学内容，通过软件实验、硬件实验两大部分内容，培养学生的系统分析能力，强调软硬件的关联和协同，使学生能够较好地将程序设计、汇编语言、操作系统等课程有效穿插起来，建立起一个完整的计算机系统理念，形成一门计算机系统的实验课程。但目前面临如下现状。

1.1 对整个课程缺乏相应的学习动力

由于理论与实验课课时相差悬殊，理论课上学习知识比较生涩难懂，在做实验时就把其他同学代码在实验箱上运行一遍完事，很少主动思考为什么要这样做。由于课程一般开设在大三学期，学生有的面临考研、考证，很少在这门课上下功夫，久而久之，对整个课程就失去了学习的动力。老师在授课时感到实验课时少，许多综合性实验项目无法开展，而综合性实验也往往要求学生动手能力要高，这无形中导致实验指导工作量加大，形成这种不利局面。

1.2 实验课程设备故障率高

由于单片机应用广泛，故实验设备也千差万别。一般采用厂家做好的集成度较高的实验箱来完成实验。这种实验箱一般主核心元器件均已固定，实验面板划分为各个功能区域模块。实验时，学生连通跳线，编写好的程序烧录至芯片即可完成实验。由于芯片集成，学生对于关键芯片引脚往往不清楚，有时出现误插导致芯片烧毁事件时有发生。根据多年数据统计显示，一学期下来，实验箱故障率在20%～30%之间。但实验箱多为厂家特殊定制，维修费用偏高，而学校维修资金紧张，导致严重影响实验教学效果。

1.3 实验课程考核流于形式

实验课程考核一般由实验教师对实验效果进行打分，很少关注实验过程，学生往往照搬实验指导书上给出的步骤，仅仅通过结果很难看出每个学生的掌握程度。有些学生浑水摸鱼，得过且过。导致实验考核往往达不到督促学生学习的目的。

单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛应用在各个领域，极大提高了人们的生活质量，已成为当今社会十分重要的一门技术。单片机实际应用能力也成为相关专业学生的必备技能。因此，要在有限的课时里培养学生对系统的设计及开发能力已成为当前单片机实验教学的重点和研究热点，这也与CDIO工程教育模式实践标准体系不谋而合。为此，结合我院自身特点，提出基于CDIO模式下单片机实验教学改革。

2 基于CDIO的单片机实验课程改革与实施

2.1 创建良好实验平台，激发学生兴趣

由于开设的单片机实验课程，普遍具有实验课时紧，学生反映理论课知识面宽，课后进行实验验证时总感觉动手难等问题。所以需要引导学生快速掌握实验要领，使学生”兴趣”实验。在新生入学时，开展基于CDIO模式下的教育导论实验课，每次由高年级学生或指导教师带领其进入实验室，参观往届毕业生实践实习作品。通过展示往届学生自己制作的作品，激发对实验实践课程的兴趣。例如，在学习单片机课程前，让学生对电子秤装置有一个直观的了解，然后再展示其内部结构，讲解其中A/D转换原理，使学生感觉很多”课程实例”就在自己身边。

2.2 开展实验设计创新大赛

为了最大限度地启发和培养学生的学习主动性和创造性，让学生在接受课堂教育的同时，提供给他们更大的空间进行学习实践和科学研究，以提高学生独立思考问题和解决问题的综合能力，激发学生学习单片机的兴趣。我院于2013年创办了单片机爱好者协会，其会员都是对单片机很感兴趣的学生，协会每年都定期开展形式多样的设计创新大赛，引用CDIO中‘项目的理念[4]，将传统的、枯燥的理论知识转化为实际项目，激发了学生的潜力。通过引进创新大赛，设计一个个项目，学生学习积极性和主动性得到了极大提高，也同时带动了周边同学的学习和实践热情，产生了“以一带十”的效应。

2.3 提倡”口袋”实验，开放实验

开放实验项目是学校深化教育教学改革，丰富校园文化科技氛围，培养学生创新精神与实践能力，提高人才培养质量的重要手段。针对实验课课时少，学生往往觉得实验课还没作什么就下课的实际情况，在大学三年级学生中，我们尝试在CDIO中运用二期项目——学期项目，一学期布置若干个目标，使用”口袋”实验教学改革，让学生将未做完的有些实验项目带回寝室，让其课下继续”消化”实验。教改后效果十分明显，学生主动学习能力有很大提高，毕业时也因动手能力强而受到用人单位的青睐。实验室平时面向全院系开放，为此专门设计了开放管理平台，实行预约登记，为全院师生打开方便之门，组织相关人员“一帮一”指导进入实验室的同学。经过改革，调动了广大学生的积极性与参与热情，也有力提高了实验室设备的利用率。

2.4 改进实验考核方式

实验考核是检查学生能否将所学理论知识运用到实践中的一种手段，以往实验成绩最后评定以实验课最终项目完成情况来决定实验成绩，但由于实验课时少，有时以小组一起考核，导致一些同学把别人做的代码拷贝过来”蒙混过关”。针对此项弊端，结合CDIO模式的构思、设计、实现和运作四个方面进行总结，找到一套行之有效的实验考核体系。考核时，主要包括两个方面。①综合认知考核。以多种形式让学生自己對自身认知程度的掌握情况考察，或以小组”登台”展示阶段成果，或在实验室以辩论会形式展开讨论，提供各种方式让学生选择，使之努力提高自身的综合认知水平。②实践动手能力考核。对CDIO的四个阶段，分别给定相应的成绩，这也是对学生平时学习主动性的一种有力督促。

2.5 加强实验实践，与企业联合办学

加强校企合作是推进院校与企业互利、共赢，共同发展的内在要求。当前单片机产业发展日益加速，学校需要寻找厂商进行广泛深入的合作。我院现与麦博信息科技公司进行了人才订单式的培养合作，与CDIO模式殊途同归。让每一个学生在公司有真实项目下动手实践，从而进一步提高自己的实践能力；一面派教师深入企业进行师资培训，提高自身实力。针对学校实验平台更新慢，我方与麦博信息科技公司进行合作研发，一起组织编写实验实践教材，即提高了师资的整体水平，促进了实践实验教学的进一步发展，又让教师参与实验平台研发，将学生一并带入，使学生了解当前的开发流程，为今后学生理论学习和就业/创业打下良好的基础。

3 结束语

单片机原理实验是一个非常具有实用价值但又需要投入大量时间才能学好的实践类课程。经过一年多的单片机实验教学改革与摸索，基于CDIO模式下的实验改革在我院物联网专业中得到不断的更新与完善，也使广大师生自身身心素质得以提高。学生在就业和参加学校的相关竞赛中，成绩显著。我们将继续借鉴CDIO培养模式，加强专业教育研究，走出一条具有自身特色的应用型人才培养之路。

参考文献：

[1] 陈付龙，齐学梅，罗永龙.四维一体计算机硬件实验教学改革与实践[J].计算机教育，2013.3：50-53

[2] 宁彬，袁磊，谷琼，熊启军.基于CDIO模式的软件工程课程教改探讨[J].计算机时代，2014.3：44-45

[3] 胡志刚，任胜兵，吴斌.构建基于CDIO理念的一体化课程教学模式[J].中国高等教育，2010.22：44-45

[4] 郑薇薇.基于CDIO的创新型工程科技人才培养模式研究与实践[D].大连理工大学，2011.