基于CDIO工程背景下的《单片机原理及应用》实验改革研究

熊杰 兰智高

摘要：以地方普通高校工科专业改革为导向，分析了地方本科高校试点改革学院《单片机原理及应用》课程的实验教学中存在的问题，借鉴CDIO工程教育理念中“做中学”经验，提出了“做中学”战略下的单片机原理及应用实验改革的新思路，文中以蓝牙技术篮球计分板为案例，以任务式教学方式对实验课程中知识点进行设计，设计了实验内容体系，实施了实验教学过程，讨论了实验成绩考核，并对传统实验教学与改革实验教学成效进行了对比。实践表明，经过实验教学改革后，学生的动手实践能力和学习积极性均得到了较大的提高，成绩优秀比率也有显著增加。

关键词：单片机; CDIO;项目驱动;蓝牙技术;篮球计分板

中图分类号： G424        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）34-0141-03

1 引言

为了应对经济全球化形势下的产业发展对创新工程人才的大量需求， 设在北京交通大学的联合国教科文组织产学合作教席提出了工程教育改革的三个战略：“做中学”、产学合作与国际化[1]。约翰.杜威（John Dewey ，1859～ 1952）首先提出“做中学”的学习方法，“做中学”原则更加有利于强调学生在教学中的主导地位，建立现代教学中的新型师生关系。在地方高校中，传统的单片机实验过度强调以教师为中心， 在教学中表现为教师的以灌输知识，而学生则被动地接受知识，这种教育方式大大的削减了学生掌握知识的主动性和积极性。而基于CDIO工程教育中要求在高校生活与学习中强调学生成为积极主动的参与者， 而教师则是学生活动的协助者[2]。

单片机原理及应用课程实验是黄冈师范学院电子信息工程专业和电子科学与技术专业的基础性实验课程，其主要目的是在理论教学基础上，培养学生实践能力和编程能力，同时对系统设计能力具有较高的要求。然而，在本校中，传统单片机原理与应用实验课程在实验教学过程中存在以下几个问题：（1）实验项目相互独立，关联性不强;（2）实践项目缺乏实用性、具体性;（3）综合性实验不多，且需要重新设计;（4）学生對项目整体设计，任务分解能力掌握不够。

基于以上提出的几个问题，对试点改革专业电子信息专业进行试点改革，在单片机原理与应用实验项目中融入“做中学”的教学理念，其主要思想是把设计任务分解成多个子任务，每个子任务设计为一个子项目。经过精心设计，在教学过程中，单片机I/O口输入输出、定时/计数器、中断、串口等知识点融入子项目中，最终在单个子项目的基础上，完成较为系统和复杂的设计任务。本文将篮球计分板为研究案例，拓展蓝牙技术，实现蓝牙技术篮球计分板的设计。

2 《单片机原理及应用》实验实施策略探析

实践动手能力是试点改革学院电子信息工程试点专业中应用性人才培养的关键。在单片机原理及应用的实验教学中，要对实验内容进行优化，增加工程相关的实验项目，按照工程项目来开展实验教学[3]。

单片机实验设置应通过与时俱进，结合学生感兴趣技术，本文以基于蓝牙技术篮球计分板为案例，介绍了单片机实验改革的具体内容。该系统既包含单片机I/O口、定时器、中断、串口通信等基础知识，又能通过一个完整的项目进行学习，学生能学到基础知识，同时也能锻炼学生团队合作精神，整体系统设计思路，真正实现 “做中学”战略思想。蓝牙技术篮球计分板结构框图如图1所示。

蓝牙技术篮球计分板结合电子技术、串口技术、蓝牙技术以及单片机接口技术等知识，整个实验过程中，实验教师主要采取引导为主，按照学生兴趣爱好、知识掌握程序自愿分组，以项目为驱动;参考CDIO工程教育模式，以篮球计分板为设计案例，经过系统设计，任务分解，理论与实践相结合，提高学生在系统设计的能力以及工程实践能力。通过任务式、启发式、分组式、讨论式、研究式等教学方法， 在任务驱动项目下构建“基础实验、进阶实验、系统综合实验”的层次化实验教学体系，体现工程教育的新模式[2]。

2.1 实验内容体系

内容体系的基本思想是分解“单片机原理及应用”实验课程的教学内容为若干个重要知识点，实验共分为3种类型分别为基础实验，进阶实验，系统综合实验，如图2所示。基础实验旨在教授学生掌握单片机基础实验内容，理解基础知识点原理。进阶实验是通过基础实验进行实验应用，系统综合设计实验是综合进阶实验内容，以实际项目为背景，完成整个项目。三个阶段相互关联，基础实验是进阶实验的基础，进阶实验是基础实验的应用。系统综合实验是基础实验和进阶实验的实际应用。

单片机原理及应用实验教学大纲分为32学时，具体知识点及学时分布见表1。

2.2 实验实施过程

本实验是一个完整的工程课题，通过基础实验、进阶实验、系统综合实验三个环节，同时通过完整的课题设计，基础实验是进阶实验的基础，系统综合实验是基础实验和进阶实验的进一步拓展。

（1） 基础实验

基础实验可让学生掌握KEIL软件，单片机I/O口，定时器，中断及串口等操作，通过基础实验让学生熟悉单片机编程环境，掌握单片机硬件编程方法，基础实验任务图如图3所示。

（2） 进阶实验

进阶实验是基础实验基础上进行综合，以篮球计分板为研究目标，结合基础实验知识，实现篮球计分板功能，其结构框图如图3所示，其中单片机控制数码管硬件电路未画出。。

通过进阶实验，让学生进一步掌握单片机I/O口输入/输出编程方法，掌握单片机控制数码管的方法，掌握单片机定时器使用方法。掌握单片机通过串口控制蓝牙模块HC-06编程方法。

（3） 系统综合实验

在进阶实验基础上增加上位机软件，通过上位机软件控制单片机，从而能够改变显示屏数据，达到远程控制目的。

通过综合实验，让学生了解整体系统设计方法与步骤，进一步掌握程序调试的方法，增加团队合作精神。

学生除了在上述三个实验阶段掌握基础知识外，在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）对学生进行分组

基础实验不分组，进阶实验和系统综合设计实验进行分组，每组3个同学，分组采取自愿原则与互补原则相结合，综合考虑学生特长，动手能力，硬件软件爱好遵循“组内有别，组间相似”的原则，主要目的是让每个小组中既能让学生发挥自己的长处，也能培养大家团结合作精神，而且在完成任务过程中，也能相互学习，弥补自己的不足。这样的分组模式可以保证了每个小组成员组成的多样性，同时培养他们合作交流的能力，在不断学习中激发更多有价值的观点，丰富学生的综合知识[4]。

（2）实验子项目的分解

本课程依据“做中学”理念，根据“蓝牙技术篮球计分板”设计要求，把篮球计分板中大任务分解为多个子任务，每个子任务形成一个相对基础的子项目，如表1所示。子项目的实践内容遵循与单片机理论知识同步，最终完成一个蓝牙技术篮球计分板。

（3）分组答辩

采取毕业设计答辩方式以组为单位进行答辩，答辩学生应从原理，硬件电路，软件流程图，实验结果等方面进行展示。

2.3 实验成绩评定

完善科学的单片机课程实验考核体系，不仅能够实现对学生的实验能力进行客观的评价，同时也能在一定较大程序上最大限度的发挥学生在实验学习的积极性，进一步提高学生实验水平[3]。鉴于上述提到的几点重要性，通过参照CDIO工程教育模式理念，精心设计，形成了较为完整的实单片机课程验成绩评价体系，如表2所示。

单片机课程实验成绩评价体系分别从学生提情预习情况，过程操作完成情况，实验报告等3个考察点对每个实验项目进行考核。

2.4 课程改革成效

该课程由同一个教师在电子信息工程专业2016级和2017级中分别用传统实验与改革实验进行教学，明显可以看出，学生学习兴趣深厚，由于课程采用的是实验分组，分工协作，需要每个同学都一起学习才能完成实验操作，锻炼学生的团队合作精神。通过对改革实验的精心设计，每个基础实验均是后续进阶实验和系统综合实验的基础，环环相扣，表3给出了实验教学改革前后评判的对比。

从表3中可以看出，不管是学习兴趣与团队合作，还是基础知识与综合知识，都比传统实验教学模式有较大的提高，成绩优秀学生比例明显提高。除此之外，學生熟悉了整个项目的设计过程，在此基础上，带领学生申报2019年大学生创新创业比赛获得省级立项。

3 结语

单片机实验教学作为单片机理论课程教学的有力补充，其有助于帮助学生理解单片机的基本概念和基本结构，培养学生实践动手能力。文中在传统单片机实验基础上融入基于“做中学”理念，以蓝牙技术篮球计分板设计实验项目为案例，提出了单片机实验项目“做中学”的实验内容以及实施方案。秉承工程教育专业认证的“成果导向”基本理念，针对传统单片机实验单一，关联性不强等缺点，对课程的教学内容，教学模式和评价机制进行了探索。通过教学实践证明：基于“做中学”实验教学模式既能激发学生动手能力，编程能力，使学生掌握系统整体设计、任务细化的能力，同时也能提高学生创新能力、学生综合分析问题、解决实际问题的能力。单片机原理及应用实验课程改革2年多来，学生实验兴趣，实验技能，以及对单片机实验的原理理解都有了更加深入的理解。

参考文献：

[1] 查建中.面向经济全球化的工程教育改革战略——产学合作与国际化[J].高等工程教育研究，2008（1）：21-28.

[2] 刘忠富，李厚杰，肖瑛，等.基于供给侧改革的单片机创新实验教学案例设计[C]//辽宁省高等教育学会2016年学术年会暨第七届中青年学者论坛论文集.沈阳，2016：441-445.

[3] 吕常智，王瑜萌，范迪，等.工程教育专业认证背景下数字电子技术实验项目设计——以BCD←→BIN变换实验为例[J].工业和信息化教育，2019（9）：71-74.

[4] 陈世海，王军，代伟，等.工程实践导向电子综合设计实验教学改革探索[J].教育现代化，2018，5（43）：64-66.

[5] 蔡美玲，张锦，窦亚玲，等.工程教育理念下《程序设计基础》实验教学改革探索[J].计算机工程与科学，2018，40（S1）：21-26.

[6] 徐志佳，舒泽芳，罗金刚.基于工程教育理念的电子技术实践教学改革[J].林区教学，2018（12）：31-32.

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