CDIO教育模式下电子信息专业单片机原理课程优化研究

赵阳，王立光

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春 130118）

0 引言

信息类专业无论在本科高等教育还是职业高等教育领域都是一个重要的分支，据不完全统计，开设电子信息类专业的高等教育机构超过500所，各类受教育毕业生人数每年接近100万人。在如此大规模的专业教育领域，如何提高人才培养质量、提升人才专业能力，进而促进学科专业稳定健康发展是一项十分重要的工作[1]。专业培养的核心是专业教育，而专业教育的关键是课程教学，由此可见课程的优化和改进在专业建设与发展领域的重要性。河北科技大学的教师认为新工科背景下工科院校应在传统课程体系改革过程中围绕创新性、应用型人才培养的目标，完成对课程体系的优化和构建[2]；西安建筑科技大学的教师强调要在工程认证体系和以成果为导向的教育背景下，实现课程体系对于毕业要求和毕业目标的完美支撑，着重人才创新能力和应用能力的培养[3]；长春工程学院的教师认为电子信息类专业课程教学内容要不断优化更新，注重夯实基础、拓宽口径、强化能力[4]；广东文理职业学院的教师认为高校培养的人才应适用于企业，教学内容应不断完善，避免与工程应用脱节，注重实践教学[5]；山西职业技术学院的老师指出单片机是实践性强、应用广泛的专业必修课，教学内容的完善应着重实现应用型人才培养目标，提升学生兴趣的同时注重激发学生潜能[6]。本文以单片机原理课程为例，从实际教学过程入手，分析现有课程教学内容与教学方式的现状及其存在的问题，探讨CDIO工程教育模式的能力培养与评价体系下，单片机原理课程的优化思路和方法，为专业领域培养满足学生、学校、社会（用人单位）多维度指标评价体系的人才奠定基础。

1 课程现状分析

作为电子信息类专业课程培养体系下一门重要的专业主干课程，“单片机原理”课程在电子信息类专业人才课程设置与人才培养体系的地位是不可替代的，单片机开发与应用是电子信息类专业人才从事相关技术研发与测试等专业领域工作的重要基础知识和技能。众所周知，单片机具有的优点主要包括体积小、性价比高、入门相对容易、面向应用等等，这些在与其他控制器相比较时，优势是十分明显的。我们以基础的51系列和应用广泛的STM32系列单片机为例，51系列单片机是单片机原理课程讲授的对象，具有基础易学、性价比高、学习资源丰富等多种优点。国产的51系列单片机性能优越，可很好实现小型控制系统如小型应急照明控制系统、小型温度控制系统、多功能电子钟、小型门禁系统等，该单片机是相关专业领域初学者和技术人员在一般应用场景的首选；STM32系列单片机属于相对高级的单片机，是智能机器人、小型嵌入式系统如网络电视机顶盒、网络路由器、教学仪器等应用场景的首选。正是由于应用如此基础、广泛，单片机原理成为电子信息类专业教育领域的必修课。综合多所学校课程大纲和多套教材总结得到，单片机原理课程主要介绍单片机的基本工作原理、基本结构（硬件机构）、语言程序开发（汇编语言开发设计）、硬件接口技术和相关小型应用系统原理分析与软硬件开发等相关知识内容，与此同时会结合理论授课知识内容配备16至32学时不等的上机实验。部分高校还会在单片机原理课程授课完成后，设置单片机原理与应用课程设计、微型单片机接口技术等课程，目的是使学生更好地理解掌握单片机基本工作原理、程序开发设计与单片机小型应用系统开发方法。

我们以某高校电子信息类专业现行的单片机原理课程教学大纲为例，该大纲是遵照工程教育论证相关标准要求编写和完善。大纲要求学生学习该课程后至少满足两项毕业指标要求：①具有一定的计算机软件和硬件、程序设计、微型计算机应用等知识与技能，了解微控制器对系统进行控制和管理的基本知识和方法；②具有控制理论、电子、信息技术等核心知识，以及较强的实践能力，并能够解决电子信息专业领域复杂的工程问题。从教学内容和授课学时上看，该课程安排在第五学期，即在专业基础课程电路原理、模电、数电等课程学习完成之后，授课学时48学时，其中包括16学时上机实验。授课内容第一章至第七章分别为单片机基本概述、单片机片内基本硬件结构、单片机指令系统与汇编语言编程基础、（外部）中断系统、定时器/计数器、串行通信、单片机的I/O接口，共同对应毕业指标的1和2。而16学时上机一共8组实验：8051单片机指令系统、LED流水灯实验、独立键盘实验、外部中断实验、定时器/计数器（C/T）实验、LED数码管动态显示实验、矩阵键盘实验、基于点阵型发光二极管显示控制实验，这8组实验对应毕业指标要求2。与此同时，结合专业整体培养方案建立6个课程目标，即课程目标1至目标6，在教学大纲中将七章教学内容与课程目标的关系进行对应和分解。

2 现有课程评价方式问题剖析

现有课程评价包括课程学生评价和课程教师评价。其中课程学生评价采用考试+考核相结合的百分制评价方式，并结合毕业指标要求达成度评价，评价过程如图1所示；而课程教师评价采用以课程目标达成度为主、毕业指标要求达成度评价为辅的方式。

图1 单片机原理课程学生评价示意图

课程学生评价以60分为及格线，以分数区间对应为优、良+、良、中+、中、及+和及七个课程学生评价等级。学生通过参与日常理论教学活动获取出勤成绩+作业成绩作为平时成绩，参加统一期末闭卷考试获取期末成绩，参与8组课上实验并按照实际表现和实验报告评价获得实验成绩。最终该课程的学生评价按照考试成绩:实验成绩:平时成绩的80%:10%:10%比例，得到加权得分进行百分制评价和等级评价。对于课程学生评价中毕业指标要求达成度，我们要按照课程大纲设定的毕业指标达成度分解方式；毕业指标要求一对应理论教学考核内容，评价方式为期末闭卷考试得分，毕业指标要求一的达成度计算方法为学生期末闭卷考试得分/期末闭卷考试总分；毕业指标要求二对应理论教学考核内容和课上实验考核内容，评价方式为期末闭卷考试得分与课上实验考核得分的加权值，即毕业指标要求二的达成度计算方法为学生期末闭卷考试得分×权值（8/9）与学生课上实验得分×权值（1/9）之和除以考核总分值（100分）。

课程教师评价采用以课程目标达成度为主、毕业指标要求达成度评价为辅的方式，其中毕业指标要求达成度评价方法与课程学生评价中毕业指标要求达成度计算方法，如图2所示。

图2 单片机原理课程教师评价示意图

课程教师评价中核心内容是课程目标达成度，该达成度计算依托期末考试试卷、实验成绩与平时成绩，关键步骤是综合课程大纲中各课程目标对应元素，分配试卷各试题分值、实验成绩和平时成绩与各课程目标的对应关系，综合考虑期末考试试卷、实验成绩与平时成绩的权重，实现期末考试试卷、实验成绩、平时成绩与各课程目标的目标值分解。依据每位学生期末考试试卷、实验成绩与平时成绩实际的分值，通过加权后的求和计算得到各课程目标的目标实际达成值，与各课程目标的目标值做除法运算得到目标达成度，并分别以班级、专业为单位计算各课程目标达成值的平均值，得到课程教师评价，为教师分析课程目标实现的教学目的方法、提高和优化教学过程提供有价值的参考。

通过前文的分析与介绍，现有的课程评价方法存在以下不足：首先，评价方法仍然是基于考试制的评价，虽能够客观反映学生对应知识的掌握水平和教学效果，但全过程学生是被动的接受和参与者，并未给予学生足够的参与度；其次，毕业指标达成度和课程目标达成度计算方法虽然清晰准确，但是分解方法依赖于毕业指标及课程目标的编制和设定，这个过程是一个任课教师主观的行为过程，并未考量影响和促进教学过程的其他重要因素，例如学生的接受程度、对学生学习能力和就业能力的支撑程度、学生工作或步入社会后知识的贡献度和参与度等。由于课程评价方法本身存在的不足，使得其对于课程优化的作用和效果也十分有限，而研究并提出一种更为科学有效的电子信息专业单片机原理课程优化方法则显得更有意义。

3 CDIO教育模式下课程优化方法

源自国外高校教育研究成果的CDIO工程教育模式，其命名由构思、设计、实现和运作四组词汇的英文首字母组合得到[7]。该模式按照全新的标准将能力培养目标和评价标准进行了重新的规定和划分，使得以电子信息类专业为代表的工程教育专业教学实施和改革优化过程具有明确具体、操作性强和可量化评价等优点，对于完善教学过程、提高师生参与度和积极性具有重要意义。

在此，我们将单片机原理课程的理论教学内容、课上实验和平时成绩按照能力目标要求进行重新的对应和划分。其中工程基础知识对应课程内容包含：单片机概述、AT89S52单片机内部硬件结构、单片机的指令系统与汇编语言编程基础、中断系统原理、单片机的定时器/计数器、单片机的串行通信、8051单片机指令系统实验。个人能力对应内容包含：单片机的I/O接口、LED流水灯实验、独立键盘实验、外部中断实验、定时器计数器实验。人际团队能力对应内容包含：平时成绩的50%。工程系统功能能力对应内容包含：平时成绩的50%，以及LED数码管显示实验、矩阵键盘实验、基于点阵LED显示实验的成绩。

图3 CDIO 模式下单片机原理课程考查体系划分示意图

依照CDIO体系划分标准，我们对单片机原理课程所涉及的理论教学、课上实验以及平时成绩进行上述划分，其中课程教学内容部分主要涉及学生课程基础知识、课程核心知识的培养，因而课程内容的前六章以及课上实验部分较为基础的实验一划分为工程基础知识考查体系。个人能力考查体系注重学生工程推理和解决问题的能力，尤其注重通过开展课上实验探寻知识、思维、态度以及技能的培养，故而将授课内容第七章以及课上实验二至五划入。人际团队能力部分注重培养学生的团队协作与交流能力，由于课上实验开展以学生个体为单位、实验箱为平台，按照实验指导书的要求，因此不能划入人际团队能力考查范畴。充分结合课程实际，该部分能力考查主要依靠平时成绩表征，而平时成绩还要划分一部分权重给工程系统能力考查部分，因而按照平时成绩的50%对应该部分内容。工程系统能力主要是学生对外部环境的构思以及工程系统的设计、实施与运行能力，我们把平时成绩的50%以及相对复杂的课程实验六至八划分到该考查体系。对于授课教师而言，平时成绩的考查体系划分以及学生的能力评定需要客观科学，即平时成绩的各个环节和要素如何体现在人际团队能力、工程系统能力的表征和考查上。这需要合理的评价体系，即该体系不仅能够科学地指导和评价学生能力，也能够在学生毕业、就业或深造等环节验证其有效性和合理性。

4 课程多维度指标评价体系建立

CDIO课程评价体系与其他评价体系相比较，主要改进在于评价体系不再简单依赖于课程预先设定的课程目标达成度、培养方案和毕业要求的支撑度，而是通过建立基础知识体系对应学生技能评价、个人能力对应实践技能评价、个人团队能力对应团队协作与沟通技能评价、工程系统功能能力对应创新技能评价，使得新的评级体系标准能够在学生、学校、社会（用人单位）等多个维度指标体系执行，这样课程的教学与培养效果的评价更加多维度，更加全面、完整和科学。显然，原有的评价体系仅仅可以在学校评价维度开展，无法在学生、社会（用人单位）维度开展，这不仅忽略了教学过程是教与学的充分互动过程，也忽略了电子信息等工程学科的特点，即学科培养要面向社会需求，培养的学生不但具有扎实基础能力，还应具有充分的解决实际问题的能力。CDIO模式下单片机课程多维度指标评价体系的评价结果可以充分表征当前教学过程在基础知识、个人能力、个人团队能力、工程系统功能能力培养和支撑存在的不足，进而指导教学优化，改进教学大纲与授课内容，促进单片机课程的不断完善。

5 结语

本论文以电子信息类专业课程单片机原理为例，探讨CDIO工程教育背景下单片机原理课程的教学评价与优化，以教学大纲和专业培养方案入手，分析现有课程评价方式存在的局限和不足，建立基于CDIO培养体系的单片机原理课程多维度评价方法，对于优化和完善单片机原理课程的教学过程、提高电子信息类专业人才培养质量具有重要意义。