运用CDIO的应用型本科课程改革——以《单片机原理及应用》课程为例

陈文辉

（福建技术师范学院 a. 海洋研究院；b.无损检测技术福建省高校重点实验室 ，福建福清 350300）

教育部引导部分本科高校向应用型转变[1],为地方本科高校改革指明了方向.而课程改革是学校转型发展的基础,因此,需要开展适应工程教育特点的课程改革.

基于CDIO的工程教育模式,可有效提升学生的工程基础能力[2].将基于CDIO的工程教育模式运用于《单片机原理及应用》课程改革中,采用“任务驱动、项目教学”的教学理念,以工程案例为载体,以工作过程为导向,学生通过“做中学、学中做”,提高理论水平、实践能力和综合素质,培养工程基础能力,增强就业创新能力.

1 开展课程改革的背景

1.1 地方本科高校需要转型发展

2018年,全国各类高等教育在学总规模达到3833万人,高等教育毛入学率达到48.1%[3].依据高等教育社会学家马丁·特罗的高等教育发展三阶段论[4],我国己经处在大众化高等教育阶段.大众化的高等教育是新兴的教育发展状态,需要新的标准和体系来评价和估量[5].

随着我国的经济与产业结构的巨大变化,企业对高级专门创新型工程人才需求剧增[6].地方本科高校急需转型发展[7]以适应这种需求变化.2015年,教育部等三部委联合下发[教发〔2015〕7号]文件,引导地方本科高校向应用型转变,文件要求应用型本科高校推行案例教学、项目教学,实现教学过程与生产过程对接,以培养应用型人才,增强学生就业创业能力[1].

具有工程师基本素质是提高工程类学生就业创业的有效途径,即工程类学生应具有学习应用能力、思维分析能力、工程实践能力、表达交流能力和团队协作意识等[8].因此,应用型本科高校应开展基于工程教育模式[9]的教学改革.

1.2 传统的课程教学模式急需改革

《单片机原理及应用》是电类专业重要的专业基础课,理论性和实践性都很强.而传统的《单片机原理及应用》课程教学存在很多不足之处,造成学生毕业后需要较长时间才能适应工程实践环境.这些不足包括：理论与实践教学脱节,理论讲授比例较大,学生实践不足；教学与工程实践脱节,实验多针对实验箱,硬件实践不足；实验代码较少,代码的规范性、可读性和移植性不好[10].

因此,在应用型本科高校,《单片机原理及应用》必须进行课程改革,以培养出符合工程需要的,与工程实践相结合的应用型人才[11].

1.3 基于CDIO的工程教育模式可有效提升工程能力

基于CDIO的工程教育模式,包含构思(Conceive)、 设 计 (Design)、 实 现 (Implement)和运作(Operate)四个阶段,可有效提升学生的工程基础能力[12],在世界范围得到广泛应用[13].21世纪初，麻省理工学院等高校提出CDIO工程教育模式,促进了工程教育理论,为美国培养了更多优秀的工程人才,促进了经济发展[14].2005年,汕头大学引入CDIO工程教育模式[15],并结合自身的办学模式,形成本校的培养特色,取得明显成效.随后CDIO理念的教育改革在国内外高校迅速展开.

2 基于CDIO的课程设计与学习资源

在《单片机原理及应用》课程改革中运用基于CDIO的工程教育模式,以培养学生的工程基础能力[16].

2.1 学习进程设计

为引导学生掌握单片机系统知识,顺利开展项目教学,课程设计分为两个阶段：“教师引导性项目学习阶段”和“学生自主式项目实施阶段”.在“教师引导性项目学习阶段”,通过设定的工程项目的学习,学生在老师引导下“学着做”,完成项目构思、设计、实施和运行的整个过程.通过项目学习,学生掌握《单片机原理与应用》的理论知识,理解工程项目自构思至运行的全过程,为下一阶段自主实施项目做好准备.“学生自主式项目实施阶段”安排在第二阶段,在“教师引导性项目学习阶段”完成的前2周预先布置.在这一阶段,学生己掌握必备的单片机系统知识和相关的操作技能,通过自主完成工程项目,实现由“学着做”向“自主做”过渡,以进一步强化专业知识和操作技能,学习并掌握工程基础知识,提升工程实践能力.

《单片机原理及应用》课程学习进程设计如图1所示.

图1 《单片机原理及应用》课程学习进程设计图

2.2 精心选择工程案例

选择“智能家居系统”作为“教师引导性项目学习阶段”的工程项目.该系统是当前产业界的一个热门课题,具有实际的工程价值,容易激发学生兴趣；且采用单片机可以基本实现该系统的基础模块,具有项目实现的可行性.学生通过工程实践,接触工程实际项目,一方面使学生掌握单片机必备的理论基础知识,另一方面,建立起必备的工程理论知识和工程实践能力,快速形成工程思维.

“智能家居系统”包括四大部分,分别是：系统基础、传感输入、输出控制和通讯传输,共分为19个子项目,各子项目各自独立形成模块.模块化结构是单片机系统的重要特点,各个模块相对独立,也称“电子积木”,可以像搭积木一样形成整个单片机系统.

“智能家居系统”结构如图2所示.

图2 “智能家居系统”结构图

在项目实施过程中,尤其是学生开展自主项目过程中,需要丰富的课程资源的支撑.为了顺利开展项目教学,笔者与课题组成员按照“智能家居系统”的项目结构,开发了配套的课程资源,包括：特色教材、电子课件、配套视频和微课资源.这些课程资源均通过网络教学平台与所有学生共享,方便学生课外学习.在课程资源组织中,把19个子项目分为基础篇和拓展篇两个部分.基础篇是系统必备模块,在课堂教学中完成,是必修内容；拓展篇是拓展内容,供学生课外学习.学生在开展项目过程中,可以借助配套的课程资源进一步学习单片机系统知识和工程项目知识,提高其学习能力和应用能力.

3 课程设计实施

按照开展工程项目的工作顺序,依次完成构思、设计、实现和运作4个阶段.

3.1 构思阶段

构思阶段主要成果是形成项目开发方案.项目以小组为单位进行,每个小组3～4人,小组成员的分工由小组讨论确定.采用小组方式开展项目,可以增强学生交流沟通能力,也可以增强学生团队协作意识.

各项目小组通过文献检索,开展小组讨论,自主选定项目、探讨项目的功能及需求、确定系统的硬件和软件结构,最终形成项目开发方案.项目小组根据自身的能力水平,可在教师指定的范围内选择项目,也可自行确定项目.

在构思阶段,老师完成以下工作：为各项目小组提供必要的指导,帮助其完成项目构思；为需要的小组提供项目范围,协助其完成项目选择；点评各小组的项目开发方案并给予建议.项目开发方案经老师点评通过后,进入设计阶段.

3.2 设计阶段

设计阶段的主要任务是完成项目的软硬件设计并通过仿真调试.单片机系统是硬件与软件相结合而工作的,项目设计工作借助Proteus +Keil C软件开发平台开展.通过Proteus软件来设计项目的硬件电路,通过Keil C软件来设计项目的软件程序,两者相互结合,联调联试,实现项目的功能.采用Proteus + Keil C软件开发平台,可以实现虚拟设计、仿真调试,设计效果可视,设计内容易改,调试工作高效.项目设计过程中,采用规范的编程模板简化编程过程,实现规范编程,提高程序的可读性与可移植性.这种软件开发平台组合联调的方式也广泛应用于实际的工程设计工作中,通过项目训练,学生可以熟悉实际工程设计环境,培养工程意识.

在设计过程中,学生可以随时利用网络教学平台提供的课程资源进行学习,也可以通过网络教学平台等各种交流平台与教师进行交流互动,及时解决设计过程中存在的问题.网络教学平台的课程教学资源为学生进一步的学习提供了便利条件,也可以培养学生学习能力及应用能力.

3.3 实现阶段

在Proteus + Keil C软件开发平台上设计并联调成功后,进入实现阶段.在该阶段,各项目小组根据设计图,焊接制作实物作品.其中项目的硬件电路可采用两种方式制作：焊锡过线法和自制PCB板.焊锡过线法是在万能板上按照设计电路进行逐点焊接,形成项目硬件电路.这种方法可以强化钎焊等基本技能,能让学生进一步细化、理解硬件电路.项目小组也可以自制PCB板,在PCB板上焊接元器件,形成项目硬件电路.形成项目的硬件电路之后,把Keil C软件中生成的HEX文件烧录到单片机芯片中,进行硬件调试,形成单片机系统教学项目的实物作品.

硬件电路的制作过程包含钎焊和PCB板制作等多方面技能,可有效提高学生的动手实践能力；在硬件调试过程中,需要分析电路、软硬件联调,可进一步加强学生分析问题、解决问题的能力,有效提高工程素质.

3.4 运作阶段

在运作阶段,各项目小组进行项目总结并演示作品,开展项目考核.项目总结包括：制作过程、遇到的问题、解决的思路和实施项目的心得体会.

4 结语

基于CDIO的工程教育模式的《单片机原理及应用》课程改革方案通过几年的实践,取得较好效果.通过项目的开展,学生较好地掌握单片机的理论知识,理解单片机系统软硬件配合工作机制,掌握单片机系统的工程项目的工程环境；有助于学生提高学习应用能力、思维分析能力、工程实践能力、表达交流能力和团队协作意识.为学生后续课程学习、毕业设计、就业创业打下坚实基础.但是一个课程改革需要较长的时间持续改进与完善：一是课程资源尚需进一步充实；二是网络教学平台的应用尚需进一步积累经验.