基于CDIO 导向的应用型本科高校单片机课程改革研究★

孙晓雪， 雷立群

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院， 吉林 吉林 132101）

1 《单片机原理与接口技术》课程教学现状

以吉林农业科技学院为例进行相关调研和研究，该校是一所具有悠久历史的百年学府，学校是教育部专业综合改革试点院校、国家级卓越农林人才教育培养计划改革试点院校、吉林省首批整体转型试点院校。《单片机原理与接口技术》是机械设计制造及其自动化、机械设计制造及其自动化（中外）、智能制造工程、机械电子工程等本科专业的一门专业核心课程。课程特点是应用性强，内容抽象，知识涉及多课程交叉。

1.1 教学方式枯燥

该课程理论部分系统地讲授单片机的结构和原理、单片机的指令系统、汇编语言程序设计、中断系统、定时/计数器、单片机串行通信、单片机系统扩展技术、单片机C51 程序设计方法等的相关知识和应用技能。往往授课过程中教师是以PPT 的形式进行，还有的老教师是以黑板板书、学生记笔记的方式进行，看似按照教学计划由浅入深有序推进，实际教学则会出现满堂灌现象，对于基础差的学生可能就像听天书一样根本听不明白，对于基础好的学生认真听了笔记也记了，但是由于课程内容较抽象，这种教学方式学生理解和掌握的内容也及其有限[1]。

1.2 实践形式单一

单片机是一门实践性很强的专业课，学完课程后，如果学生只掌握了理论知识而不会应用，那么课程的效果是不理想的，没有达到课程的教学目标。基于此，教学大纲安排本课程64 学时中有32 学时的实验学时。实验学时部分，主要是利用普中的开发板套件，授课内容以验证性实验为主，对于相应的实验普中有例程资料，学生只需照葫芦画瓢简单连线后即可实现相应功能。这样的实践形式不利于培养学生的创新能力，而且理论和实践联系不紧密，开发板内部连线都已接好，学生对于单片机的硬件资源使用一知半解，因而很多同学在学完课程后，在实际比赛和工作中，并不能很好地应用单片机[2]。

1.3 考核内容不全面

一直以来，单片机考核重理论轻应用现象突出，大纲考核方式为考试，平时成绩占40%，包括到课率、课堂态度、实验报告、作业、笔记，期末考试为闭卷占60%，题型包括填空题、选择题、简答题和设计题。这种考核方式并不能全面衡量学生单片机知识和应用的掌握情况，且未融入德育考核内容。

2 基于CDIO 导向的单片机课程改革思路

2.1 CDIO 概念阐释

CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以CDIO 为导向的单片机课程改革目的是让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习。

2.2 整合教学内容，优化教学方式

系统梳理教学内容，将知识点融入几个项目中。采用项目式教学法，在项目中自然的引出相关理论知识的学习，同时对于涉及到的电子技术、计算机基础等有关课程知识进行及时复习和巩固。例如，第一个项目为彩灯管理，项目的开始先给学生展示常见各种彩灯效果视频，激发学生的学习兴趣，然后以最简单的点亮一个LED 灯为例开始内容的讲解，因为用到先修课程模拟电子技术中的二极管知识，需要对其点亮原理进行回顾，能够自然的想到要想用单片机控制LED 亮灭，那就得学会控制单片机的I/O 口输出高低电平，进而讲解控制方法和原理，学生掌握了原理后，布置学习任务，让学生思考和实践点亮多个LED，并实现如流水灯、跑马灯等花样效果。整个学习过程教师只起到领路人的作用，学生作为课堂真正的主人，充分发挥其主观能动性，而且每个项目分小组完成，在进行过程中增强了学生的团结协作意识。

2.3 虚实结合，软硬兼施

KEIL 是高校单片机学习中普遍使用的一款编译软件，兼容C51 和汇编两种语言，界面简洁，操作简单。选定好单片机的型号后，可查看PSW、A 等特殊功能寄存器的状态，有反汇编窗口，能查看存储器的使用情况，程序单步执行的状态，方便检查程序。将电脑用一根数据线和普中开发板相连后，可把KEIL 软件编译好的HEX 文件烧录到单片机中，即可实现相应的功能。这种实践学习方式对于线下教学比较容易实现，但是近年来受新型冠状病毒肺炎疫情影响，单片机课程由线下教学转为线上授课，学生手里没有开发板供学习使用，这对实践教学造成了一定困难。同时，即使线下教学，如果不用开发板，学生自己搭建电路学习的话，很容易出现电路有误，烧损元器件和单片机的情况，这样既不经济也不安全。基于此，在硬件实物操作之前，若能先利用虚拟实验平台PROTEUS 进行仿真，有问题及时调整，直至达到理想的效果后，再进行实物操作，可大大节省时间和金钱，而且线上实践课也可顺利进行。

在进行PROTEUS 仿真时，需要学生自行设计并画出硬件电路，能画出电路的前提一定是理解了，硬件电路和软件联合才能出现现象，所以需要学生对软件编程也要熟悉，因此先采用KEIL 和PROTEUS 软件联调实现项目要求，线下再利用实物实现，这个过程既加强了学生对理论知识的理解和吸收，充分体现出主观能动性，也增强了学生应用单片机进行相关设计的能力。

2.4 考核方式和评价标准多样化

课程考核不以试卷为唯一合格标准，注重德育元素的考核以及实践能力的考核。允许在全国大学生电子设计竞赛等权威比赛中，取得优异成绩的同学申请课程免修且成绩定为优秀。在保证大多数学生学到知识的条件下，鼓励学生课后走进实验室进行自主学习和实践操作，鼓励优秀学生脱颖而出，根据难易程度制定不同分数等级的考核项目。

3 课程改革实施过程

3.1 构建基于CDIO 的单片机课程体系

将传统的单片机课程知识体系拆解，重构基于CDIO 的课程体系。将课程知识安单片机产品开发过程有机融入，针对不同的环节讲授课程相关内容，使得理论知识的总量不变，将理论知识与实践开发有机结合。教学过程采用项目式进行，教师结合应用实例引出子项目，指导学生自主学习，根据设计要求分组完成产品开发过程，在学习过程中注重培养学生的团队意识、工匠精神、创新思维等。

3.2 项目式教学模式

课程教学以实际应用的项目为主线，采用任务驱动式教学法，建立“做中学”的教学模式，将枯燥的理论知识融入到项目中进行学习，每个项目都按照CDIO 的过程进行，即确定产品功能；准备相关资料；硬件电路设计；软件程序设计；仿真调试；软硬件联调；产品制作与测试。每个项目开始前教师仅对必要的知识点进行讲解，项目进行中设计3 个左右的小任务，学生以团队形式自主分析设计并完成任务，团队成员分工协作。整门课程拆分了6 个子项目，2 个综合项目和1 个扩展项目。所有学生需完成6 个子项目，鼓励学有余力的学生完成综合项目，优秀的学生完成扩展项目。单片机原理与接口技术课程项目式教学体系，见表1。

表1 单片机原理与接口技术课程项目式教学体系

3.3 改革实践

以20 级机械设计制造及其自动化1 班的单片机课程改革实践为例。受新型冠状病毒肺炎疫情影响，教学实施过程中，采用线上授课模式。充分利用超星学习通平台资源，同时教师团队自建单片机课程，将关键知识点以微课、资料库等的形式上传云端，方便学生随时查看。线上授课的优点是可方便软硬件仿真的演示，缺点是学生无法真实操作实物硬件。但是从考核效果看，学生对单片机课程的学习情况比传统教学还是有所提升。下面以项目三广告牌控制为例，对改革实践过程进行详细说明。

3.3.1 课堂导入

以爱国主义元素引出授课内容，在线分享建党100 周年联欢会庆祝视频，重点展示点阵屏幕上“中国共产党”“爱你中国”等显示画面，激发学生的爱国爱党情怀，进而引入主题广告牌控制。

3.3.2 关键知识讲授

首先以8×8LED 点阵屏为例讲解显示原理，说明各种尺寸的广告牌均可由基础点阵屏拼接而成。8×8LED 点阵屏由64 个点状LED 构成8 行8 列的分布，每一行阳极连接起来，共用一个引脚，每一列阴极连接起来，共用一个引脚。通过单片机的I/O 口空着这8 个行引脚和8 个列引脚的电平高低，就可显示特定的图形。

回顾前面两个项目涉及的LED 灯和数码管，对比分析这些显示器的特点和使用场合，进而引出辩证思想即“否定之否定”规律[3]。LED 灯是最早也是最简单的显示，为单个独立点状LED，通常用来作为指示灯使用；随后人们发现LED 灯展示的不够直观，又发明了条状LED 构成的数码管，数码管可以形象地显示0 到9，以及一些字母和字符，常用来做电子钟、仪表数据等的显示，但是显示的内容还是有限；后来人们又发明了LED 点阵屏，点阵屏能展示更多更丰富的内容，常用来做广告牌，提示牌等，点阵屏其实就是阵列式排布的点状LED。这样看来LED 显示器，经历了点状—条状—点状的过程，也经历了两次否定后，才得到了更好的应用。

最后在大部分同学掌握了显示图形的方法后，扩展介绍字模生成器的使用，方便日后制作复杂动画使用。

3.3.3 分组协作，共同学习

要求小组同学根据所学知识自行设计广告牌，对于设计方案不做具体要求，但要能体现出爱国情怀。以某一小组为例，团队成员先讨论要设计的产品，确定好后，分工协作，有负责收集技术资料的，有负责软件编程的，有负责硬件设计的，对于教师布置的项目小任务，同学们共同探讨最终完成。由于是线上学习，同学们对于PROTEUS 和KEIL 软件的使用和联调要很熟练，对于完成的作品需要线上共享屏幕进行讲解，这无形之中又锻炼了负责讲解同学的语言表达能力，对于这样的作品展示过程，同学们表现的很积极，愿意和大家分享自己在项目过程中取得的成绩，当说到遇到的难题时，其他组的同学会共同探讨并想办法解决。

3.3.4 教学效果

通过课改的实施，明显感觉课堂氛围活跃了，考核内容增加了仿真硬件作图和德育内容，增加了平时作品展示环节，同学普遍反映学习变得不那么枯燥了，而且通过仿真软件的使用对知识的掌握更明了了。虽然是新型冠状病毒肺炎疫情期间学生不能走进实验室进行实践，但这样的教学方式激发了学生的学习兴趣，有些同学自行购买了相关元器件在家进行了实践操作，并且有一组同学参加了第十二届全国大学生电子商务“创新、创意及创业”挑战赛，获得了校级特等奖和吉林省二等奖的好成绩，还有两组同学参加了第十届全国大学生机械创新设计大赛，分别获得了省级一等奖和二等奖的好成绩。由于新型冠状病毒肺炎疫情原因全国大学生电子设计竞赛没能如期举行，但是目前来看课改班级学生报名踊跃程度比以往有所提升，期待比赛能取得好成绩。

4 结语

基于CDIO 导向的单片机课程改革，对于改善应用型本科学生学完单片机后，应用设计能力不强，甚至低于部分高职院校学生水平的现象有一定的作用。采用项目式教学，将知识点融入项目中，避免了理实分家的现象，提高了学生的实践能力。此改革模式可为相关或相近课程改革提供一定的参考方向和思路，相信疫情结束后，线下实践的融入将会使课改效果更好。