CDIO模式下“单片机原理及应用”课程教学改革对策探析

摘 要 为满足国家应用型人才培养需求，高等院校必须积极推进教育教学改革，以学生为本，科学设计课程教学模式。CDIO模式在工程教育中已取得广泛认可，是让学生在“学中做，做中学”，使其具备从概念到设计再到实现和运作的全方位能力。单片机原理及应用课程具有较强的实践性，如何契合CDIO模式的教学特点优化教学设计，是当前单片机原理及应用课程设计的热点课题。文章提出可从教学内容设置和教学方法创新两个方面进行教学实施，以培养学生的工程实践能力、创新能力和团队合作精神，使其适应未来工程领域的发展需求。

关键词 CDIO；单片机原理及应用；教学改革

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/UM34ed9Lm5ssJRPoJtAWJg==j.cnki.kjdk.2024.26.040

Exploration of Teaching Reform Strategies for the Course "Principles and

Applications of Single Chip Microcontrollers" in CDIO Mode

ZHOU Wei， SHANG Guanyu

（Zhengzhou SIAS University， Xinzheng， Henan 451150）

Abstract To meet the demand for cultivating applied talents in the country， higher education institutions must actively promote educational and teaching reforms， put students first， and scientifically design curriculum and teaching models. The CDIO model has been widely recognized in engineering education， which enables students to "do in learning， learn by doing" and equip them with comprehensive abilities from concept to design， implementation and operation. The course of Principles and Applications of Microcontrollers has strong practicality， and how to optimize teaching design in line with the teaching characteristics of CDIO mode is a hot topic in the current course design of Principles and Applications of Microcontrollers. The article proposes that teaching implementation can be carried out from two aspects： the setting of teaching content and the innovation of teaching methods， in order to cultivate students' engineering practice ability， innovation ability， and teamwork spirit， and make them adapt to the development needs of the future engineering field.

Keywords CDIO; Principles and Applications of Single Chip Microcontrollers; teaching reform

在当今快速发展的科技社会中，单片机技术作为嵌入式系统的核心组成部分，以其强大的功能和灵活的应用性，在各行各业中发挥着不可替代的作用。人工智能时代，单片机技术的应用领域正在不断拓展，这对掌握单片机原理及应用的工程人才提出了更高的要求。高校要重视“单片机原理及应用”课程教学改革，并针对当前课程教学中存在的问题，充分运用CDIO模式优化教学各个环节，以满足新时代对应用型专业人才培养的需求。

1 CDIO模式的内涵

CDIO模式的核心理念是以“Conceive， Design， Implement， Operate”（构思、设计、实现、运作）为基础，培养学生的工程实践能力、创新精神和团队合作精神[1]。这一模式是为了应对传统工程教育中理论与实践脱节、学生创新能力不足等问题，通过深化教学改革，使学生更好地适应现代工程领域的需求。

在构思阶段，学生要能够识别并理解现实生活中的问题，并通过科学方法进行分析和解决，不仅需要学生具备扎实的理论基础，还需要具备跨学科的综合能力和创新思维。因此，构思阶段的教学目标是激发学生的求知欲望和创造力，培养其对问题的洞察力和解决问题的能力。

在设计阶段，教师的主要任务是让学生学会从概念到设计的转化。在这个阶段，学生需要能够将问题抽象化，提出可行的解决方案，并对方案进行详细的规划和设计。其教学目标是培养学生的系统思维和工程设计能力，让他们能够熟练运用专业知识和工具，解决复杂的工程问题。

在实现阶段，学生需要熟练运用所学的理论知识和技术手段进行系统开发和实现。教师在教学过程中培养学生的实践能力和团队合作精神，并在实际工程项目中发挥自己的作用，完成既定的任务。

在运作阶段，学生应学会如何管理和运营已经实现的产品或系统，同时进行系统测试、优化和维护，确保产品或系统能够正常运行。其教学目标是培养学生的综合素质和创新精神，在工程实践中不断提升自己，适应不断变化的市场需求和技术发展。

2 “单片机原理及应用”课程教学存在的问题

2.1 教学内容相对单一

单片机技术作为一种应用性强的技术，理论与实践的结合尤为重要。一些高校的单片机实验设计缺乏与实际工程项目相关的内容，无法满足学生实践能力和创新意识的培养需求。当前的单片机课程以验证性实验为主，通常按照固有的实验模式进行，仅需按部就班地完成实验并获取预期的结果，学生缺乏主动思考和探索的机会，且实验内容往往局限于简单的电路连接和程序编写，无法充分锻炼学生的综合能力和创新意识，不利于进一步锻炼学生单片机系统设计、开发等方面的能力。

2.2 教学形式缺乏创新

在传统教学模式中，教师通过讲授知识来传授相关内容，而学生以被动接受为主，缺乏积极参与和主动思考的机会，容易导致学生产生学习疲劳和兴趣丧失，影响学习效果和教学质量。在单片机课程教学中，部分教师主要围绕传统的硬件接口和汇编语言编程展开，忽视新型电气控制元件的应用，学生学习的知识与实际工程应用需求之间存在较大差距[2]。且教师选用的案例相对单一，缺乏与工程实践相关的内容，学生在学习过程中无法将理论知识与实际应用相结合，缺乏对工程项目的深入理解和把握。另外，还有一些教师偏重于汇编和C语言编程指令的讲解，对自动化控制问题讲解不深，限制了学生对控制理论的深入理解和应用。

3 CDIO模式下“单片机原理及应用”课程教学改革路径

3.1 明确教学目标，优化教学内容

3.1.1 结合课程的，完善课程教学目标

单片机原理及应用包括硬件电路原理、编程技术、系统设计等方面的内容。教师在完善教学目标时，应该围绕这些学科特点展开[3]。首先，学生需要掌握单片机的基本原理，包括单片机的结构、工作原理、指令集等方面的内容。其次，学生需要掌握相关的编程技术，包括汇编语言、C语言等方面的知识，能够编写简单的程序并理解程序的运行原理。最后，学生还需要具备单片机系统设计和应用能力，能够根据具体的工程需求设计并实现相应的单片机系统。在此过程中，还需要考虑学生的学习需求，培养学生的实践能力、创新思维和解决问题的能力，使他们能够在工程实践中胜任各种任务和挑战。

3.1.2 与学生能力相对接，完善课程内容设置

在设计课程内容时，教师需要对学生的背景知识和技能进行深入调研和分析，以确保教学内容符合他们的学习需求和能力水平。一是了解学生在单片机领域的基础知识水平，如他们在电子学、计算机科学等相关领域的学习情况，对学生的基础知识水平进行调查，更好地把握教学内容的难度和深度，确保其与学生的实际情况相适应。二是根据学生的学习需求和兴趣，合理安排课程内容。课程内容应划分为不同的模块或单元，每个模块都应该围绕一个特定的主题展开，并设定相应的学习目标和评价标准，帮助学生深入理解课程内容的结构和组织，同时也能帮助教师监控学生的学习进度和表现，及时调整教6a2bdcbb80adc74db2f7da80a30edc93aec4cafc248d6829951c0d24e1020b65学策略和方法。三是注重对学生实践能力和应用能力的培养。除了传授理论知识，课程还应该注重实践操作和项目实践，让学生通过实际的项目设计和开发活动来巩固所学知识，并培养他们解决问题和创新思维的能力[4]。

在运用CDIO模式过程中，需要精心设计课程内容，可将其分为两个阶段。在“教师引导性项目学习阶段”，教师需设定具体的工程项目任务，引导学生逐步学习和掌握相关知识和技能，帮助学生建立起单片机系统知识的基础，并通过实际项目的设计、实施和运行过程，深入理解工程项目的全过程[5]。在“学生自主式项目实施阶段”，学生已经具备了一定的单片机系统知识和操作技能，让学生自主选择并实施工程项目，为学生提供必要的资源和帮助，并监督和评估学生的项目实施情况。为满足单片机原理及应用课程教学要求，教师可以选择与现实生活相关的实际案例，以“智能家居系统”为例，智能家居系统涉及的应用领域广泛，并且所运用的知识涵盖单片机原理及应用课程基础与实践的教学内容，通过对系统的设计、搭建和调试，让学生全面了解单片机的应用原理和工程实践过程。在项目实施过程中，学生需要学习并应用单片机的编程知识、电路设计知识和传感器应用知识进行系统的硬件和软件设计，以及系统的调试和优化，从而全面提升他们的实践能力和创新能力。

3.2 结合CDIO模式，优化教学设计

3.2.1 构思阶段

在这个阶段，教师和学生共同探讨和制定项目的开发方案，可将学生分组进行项目教学，在教师帮助下完成项目构思，确保项目的设计与实施符合课程的教学目标和学习要求。对此，教师需要根据学生的学习能力和实际水平，合理设定项目的难度和挑战度，以激发学生的学习兴趣和动力。同时，教师要帮助学生分析项目的需求，明确项目的功能、特性、基本框架和核心功能，引导学生学习如何从用户需求和实际应用出发，设计出符合实际情况的解决方案，合理分配项目所需的人力、物力和时间资源，确保项目能够顺利进行和完成。最终，引导学生制定项目的开发方案，包括项目的整体架构、功能模块划分、实施计划和评估标准等，教师可通过项目评审等方式，对项目开发方案进行评审和审查，确保方案的科学性和可行性，并根据评审结果进行适当调整和优化。

3.2.2 设计阶段

在设计阶段，学生需要对所涉及的理论知识进行全面系统的学习和理解，如单片机系统的基本原理、硬件组成、编程技术等方面的知识，并利用所学的知识，借助于先进的软件工具进行项目设计。例如，Proteus和Keil C软件是项目设计的重要工具。Proteus用于进行硬件电路的设计与仿真，而Keil C则用于编写单片机的软件程序。在设计过程中，学生需要将项目的需求转化为具体的设计方案，如电路图的绘制、软件代码的编写等，在这一过程中，学生要学会将理论知识转化为实际的设计方案，并掌握使用软件工具进行项目设计的技能。随后，学生要对设计方案进行调试和优化，模拟项目的运行情况，发现并解决潜在的问题，确保设计方案的可行性和有效性。在此过程中，学生根据项目的实际情况进行设计方案的修改和完善，通过与组内成员和教师的交流和讨论，进一步改进设计方案，使其更加符合项目的需求和要求。此外，学生可以通过网络教学平台进行自主学习，观看在线课程、教学视频、电子课件等学习资料，解决其中的难点问题。通过网络教学平台的支持，学生能够更加便捷地获取知识，加强与教师和同学的互动交流，提高学习的效率和质量。

3.2.3 实现阶段

在开始之前，项目小组要根据在构思和设计阶段形成的项目开发方案，采用Proteus + Keil C等软件工具进行项目设计。在软件设计过程中，学生需要编写相应的代码，实现项目所需的各种功能，并将设计好的电路图转化为实际的硬件电路，这一过程涉及焊接过程或PCB板的制作，学生需要按照设计图纸和电路原理图，逐步完成电路的组装和连接。

在实现阶段，学生要完成硬件调试和软件烧录两个关键任务。首先，他们要对所制作的硬件电路进行调试，利用电子测试仪器和调试工具，逐步排查可能存在的问题，并解决这些问题，以确保电路按照设计要求正常工作，需要学生具备良好的问题分析和解决能力，以及熟练的操作技能。其次，学生将使用Keil C软件中生成的HEX文件将软件烧录到单片机芯片中，进行项目软件与硬件联合调试，确保整个系统能够正常工作。在此过程中，学生需要仔细检查每一个功能模块，确保其性能和功能都符合预期。实现阶段是单片机原理及应用课程中至关重要的一环，它不仅是将理论知识转化为实际项目成果的关键，也是提高学生提高工程实践能力和问题解决能力的重要环节。

4 结语

在当前社会背景下，科技创新已成为国家发展的重要动力，工程人才的培养尤为重要。因此，推进工程教育的改革和创新，培养具有国际竞争力的高素质工程人才，已成为当务之急。CDIO模式作为一种以学生为中心、注重实践和创新能力培养的教学模式，为工程教育的改革和创新提供了新的思路和方法。在单片机原理及应用课程教学改革中，借鉴并实践CDIO模式，可以提升学生的综合素质，增强其工程实践能力，培养创新精神和团队合作意识，从而更好地适应未来工程技术发展的需要。

基金项目：郑州西亚斯学院应用型本科高校建设专项课题“应用型课程教学模式改革的研究与实践”（2022YYXZX10）；河南省教育厅河南省本科高校2023年度产教融合研究项目“产教融合视域下的人工智能专业集群教学育人模式创新研究与实践（重点项目）”（20240110）。

参考文献

[1] 申彩英，张丽萍，刘立东，等.单片机原理及应用课程教学改革研究[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2024，26（1）：99-101.

[2] 李丽娜，徐攀峰，高哲，等.赛教融合背景下的单片机原理与应用课程教学改革与实践[J].辽宁科技学院学报，2024，26（1）：61-63，69.

[3] 徐明.基于“思政+”的混合教学模式探索与实施——以“单片机原理及应用”课程为例[J].太原城市职业技术学院学报，2023（7）：98-101.

[4] 曹一鹏，吴昊，毛艳娥.OBE-CDIO理念下“单片微型计算机原理及应用”课程教学探索与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2023（7）：74-77.

[5] 徐笑娟，罗进，郎佳红，等.单片机原理及应用课程目标达成度分析及教学改革探索[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2022，39（6）：76-79.