基于CDIO理念的“微机原理与应用课程设计”的实验教学改革研究

刘丽丽，刘同礼，金小香

（东南大学成贤学院 机械与电气工程学院，江苏南京,210088）

0 引言

“微机原理与应用”是一门综合性比较强的课程，其内容具有很强的实践性和应用性，同时该课程是工科类电相关专业的专业基础课或专业课。为了进一步增强学生的动手能力和应用能力，特别开设了“微机原理与应用课程设计”。《微机原理及应用》课程涵盖了“电子线路”、“计算机组成原理”、“单片机”等课程，其中根据教学目的我们开设的《微机原理及应用》课程以单片机内容为主，我们在单片机的选型上从以往的51型单片机改为了MSP430系列单片机，MSP430片上资源相当丰富，除了基本的片上资源外，还具有硬件乘法器、温度传感器、SPI总线以及LCD液晶驱动模块等片上资源，以下我们把微机原理课程设计统称为单片机课程设计。

单片机课程设计是一门实践性比较强的学科，为了能够学好这么课程，除了具有扎实的理论基础，还需要软硬件环境的配合.虽然目前已经建立了微机原理实验室，但是遇到特殊情况，特别是疫情的冲击下，课程设计的开设就存在困难。

传统的单片机课程设计以单片机开发板为实验器材，开设的内容大多数属于训练性实验，学生在老师的指导下根据讲义一步一步完成相应的内容，在整个学习过程中，学生往往很被动，并且依赖性强。为了培养学生动手能力，解决问题能力和构建创新意识，单片机课程设计的教学改革就显得迫在眉睫。

另外突如其来的疫情，借助于互联网技术力量，根据教育部提出的“停课不停教、停课不停学”的目标任务，大大加速了我国互联网技术与教育融合的步伐。结合CDIO教学模式，对“单片机课程设计”进行教学改革，开展以项目教学为主的CDIO模式教学，让学生做中学，在有限的时间内，既能动手实践，又具有一定的实际工程问题解决能力和创新能力和团队协作能力.

1 基于CDIO理念的混合式教学体系

CDIO 代表工程中的构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）等四个步骤。CDIO教育的核心思想是通过项目的实施，来推动学生在工程基础知识、 个人能力、团队能力和工程系统能力等四个方面的提高。

线上线下混合式教学主要是根据学习者的特点，结合传统课堂的线下课堂教学方式的优势和线上网 络教学的优势，建立线上网络教学平台，单片机线上网络教学平台由课程信息、学习任务、案例展示、资源推荐等多个模块组成。每个模块又被划分为多个子模块，层层递进，通过各个模块的视频讲解，可以使学生 对知识以及技术的掌握更加直观。

因此，CDIO工程教育与线上线下混合式教学的结合，本质上是一种利用现代化网络信息技术与工程教育理念对课程教学进行的改革。“微机原理与应用课程设计”教改以理实一体化、多教学情景融合、优化教学资源为出发点，建立了以“工程化教学内容—混合式教学—课程考核体系”为指导的台阶式实践教学体系，使学生真正做到在学中做、在做中学。台阶式实践教学体系如图1所示。

图1 混合式CDIO教学体系

2 基于CDIO理念的混合式教学内容

2.1 坚持线上与线下相结合

在单片机课程设计的教学过程中，学生作为主体，为了进一步促进学生的主动性和创新能力，可以充分利用网络技术来开设网络教学平台。

通过录制视频，通过网络平台，教师可以进行线上教学，线下布置任务、答疑。学生根据老师布置的任务进行构思，设计、实现和运行。

学生通过网络平台与老师及同学之间进行沟通探讨，这种线上线下相结合的教学方式不会受到时间限制，随时随地可以进行教学与学习，在这种教学模式中，学生在课程设计中经过实践训练之后，对疑难问题可以通过该平台进行讨论，并且可以自我进一步学习，在课程设计中，除了提供大量开发板，还提供了很多模块，学生可以根据自己在网上所获得的兴趣点进行进一步设计。

2.2 利用CDIO理念，项目式教学

在以“CDIO”理念为基础的课程设计的整个实施过程中，采用项目式教学，分组进行，划分每组3人左右。以学生为主体，以设计为中心，由组长组织组员完成从项目方案设计到项目完成的各项工作，如组织讨论硬件设计和软件设计方案，让学生自我组织、自我管理。教师作为项目管理者，在设计过程中主要起到辅导、答疑、评价的作用。项目式教学可以充分培养学生独立分析问题、解决问题的能力以及团队协作力。

按照“CDIO”模式，项目具体实施流程如图2所示。

图2 基于CDIO理念项目实施过程

2.3 利用Proteus软件平台，提高学生的实践能力

以CDIO理念为基础的单片机课程设计以理实一体化、多教学情景融合、优化教学资源，混合式教学为出点，建立了“课上实践教学—课外虚拟实验”二个步骤的台阶式实践教学体系，使学生真正做到在学中做、在做中学。

单片机课程是门对实践和动手能力要求都很强的课程,根据以往所有的实验都是在已经搭建好的实验箱上运行,即使在实验课中原理电路已经经过讲解， 但是学生并不知道实验箱上每部分电路是如何构成一个大的电路板，甚至经过讲解的功能电路都不能理解，因此经常不能很好地将硬件电路开发和软件编程结合起来一起思考，所以在课程设计中我们引用了Proteus仿真平台。

Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供了电路原理图的设计、PCB印刷版的设计以及基于mcu的软硬结合仿真系等功能，采用 Proteus 仿真工具开发电机控制系统流程为：建立工程→原理图绘制→软件编程→ 代码加载→协同仿真→优化。大体分为系统设计、硬件电路、软件编程与协同仿真四个阶段。

另外有兴趣的同学还可以进一步对电路进行搭建，充分发挥学生的个性化思维与创新能力，在单片机课程设计中我们用的基于MSP430f5529芯片的开发板，课程设计中，每个学生都有一套开发板，这样学生可以很方便得将开发板带回宿舍进行研究和集体讨论，这样在教学中充分利用起学生的课余时间, 达到了很好的教学效果。当课程设计结束后，再让学生把开发板上交开发板。

2.4 鼓励学生引用网络资源

在以往的教学模式下,仅靠有限的书面知识已显得力不从心。在信息技术高速发达的今天,网上充斥着大量的单片机学习资料,里面很多经典的设计案例。理论课中我们用的主要是MSP430f6638芯片，而课程设计中主要用的是MSP430F5529，因此我们鼓励学生在网上查找芯片资料和芯片资源,从而为将来走上工作岗位打下一定的基础。

在网络时代，信息的爆炸增长，要求学习者必须具备良好的自主学习能力和自我提升意识，学会在在网络平台上寻找自己需要的信息量并且加以设计。对于个性化学生,在此设计中让其充分发挥,例如设计按键控制，蓝牙模块控制等有关的课题,激发学生的创造力,达到培养学生各种能力的目的。学生可以对此课题充分进行发挥,可以根据自己的思路，从而设计出一系列子课题,在接下来的时间中，学生会思考如何设计电路、编制程序、制成最后的产品。曾有学生在课程设计种对语音控制模块产生了兴趣，课程设计结束后，一直坚持，最终在毕业设计中独立地完成了的基于MSP430的智能音箱设计，并推为校内优秀毕业论文。

2.5 课程设计时间安排

单片机课程设计通常安排在学期末最后两周集中时间进行，由于设计时间短、任务重，加上课程设计前学生专注于期末考试，导致课程设计完成内容比较单调，因此将单片机课程设计在开学初直接布置给学生，让学生有足够的时间查阅相关资料和学习相关仿真软件。

大学4年里,如何使单片机实践教学的应用学习到真正掌握,这个过程通过实践教学内容与体系的改革慢慢解决。无论教学方法的改革,还是教学内容的改革,提高了学生单片机对单片机的兴趣，就提高了学生在单片机方面的应用与开发能力。

3 基于CDIO理念的课程考核体系建设

对于课程设计的考核，结合CDIO教学理念，以工程的能力培养为主。一反面课程设计完成后组织答辩考核，学生制作汇报PPT，从设计方案、设计构思、设计创意等方面汇报。在学生的汇报过程中，主要对学生的设计能力，动手能力和自学能力等提升情况考核；教师根据学生答辩情况、回答问题情况、作品完成情况以及设计说明书撰写情况给学生评分。

另一方面需要学生在每一个项目的不同阶段掌握相关的知识重点以及灵活运用所学知识的能力，加强有效地分析和解决问题能力的培养，教师根据学生的实际完成作品考核，考查作品中相关的知识点，从而根据学生的对知识点的掌握程度给学生评分。学生课程设计的成绩由过程考核（50%）和答辩考核（50%）组成。

4 结语

21世纪是信息时代,要求学校培养更多探索创新型应用人才,因此实践教学的培养特别重要。实践教学的培养更看种的是使学生具备独立工作能力。实践教学应该有自己的目标和功能，它的目标是培养实践能力和创新精神;我们通过设置单片机课程设计，来增强学生在单片机应用方面的能力，“微机原理与应用课程设计”通过项目化任务的布置，应该是培养学生通过实践发现、分析、解决问题的能力,培养学生严谨的科学作风,培养学生初步的科学研究能力。在实践教学中,应该要求学生既要动手,又要动脑,只有这样,才能达到单片机实践教学的目标,实现单片机实践教学的功能。

单片机课程设计是学生深化理论学习的必要途径，可以使学生对抽象的概念，单片机结构原理了解的更深入，以CDIO为理念结合混合式教学方式通过MSP430F6638套件和Proteus软件的结合来开展单片机课程设计，极大的提高了学生的编程兴趣，锻炼了动手能力和编程能力，并且可以进一步引导学生，鼓励学生参加相应的机器人竞赛，实践创新能力进一步提升。