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【摘 要 】单片机是高校工科专业的必修课程,具有实践性、应用性强的特点.CDIO是一种新型工程教育模式,强调对学生工程能力、综合能力的培养.本文将CDIO理念应用于单片机教学,对课堂教学、教学活动、课程考核等进行改革,实践证明,该教学方法有效激发了学生的学习热情,提高了学生的创新能力和动手能力,符合单片机课程的特点,取得了较好的教学效果.
【关 键 词 】单片机 CDIO 教学改革 教学理念
【基金项目】电子科技大学中山学院质量工程建设项目（项目编号：ZLGC2011JXTD08）.
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0231-02
一、引言
单片机广泛应用于家用电器、仪器仪表、医用设备、航空航天、汽车电子等专用设备的智能化管理及过程控制领域.为适应市场需求和生产实际需要,单片机已成为机电工程、自动化、电子信息工程等专业的主干课程.单片机课程集微控制器理论知识与控制系统开发实践技能培养于一体,对学生工程思维能力和解决问题能力的培养具有重要作用.目前,该课程在理工科学校的重要地位已经受到广大教育工作者和学生的重视.对于工科学生来说,很好地掌握单片机技术,不仅有助于对专业知识技能的深入、对整体专业素养的提高、动手能力与创新精神的培养,更重要的是能够获得实用的职业技能,增强就业竞争力[1].
CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果[2].CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）4个英文单词的缩写.CDIO 模式的大工程理念、强调对学生综合能力的培养 、密切联系产业等特点,都对我国工程教育有较好的启示和借鉴作用,并在我国工程教育界产生了很大的反响,汕头大学、清华大学等率先进行了 CDIO 工程教育改革,并取得了较好的成效.目前国内许多高校都在研究CDIO模式,并根据学校各自的实际情况,探索工程教育理念的教学改革之路.
单片机作为一门实践性强的专业课,近年来也有许多高校借鉴CDIO工程教育模式进行了改革.文献3～6均提出摈弃传统教学方法,完全按照CDIO模式采取项目驱动教学.笔者认为,在学习借鉴 CDIO 工程教育改革模式中,我们可以在实践中参照 CDIO 模式,但又要切合学生的特点和学生的接受程度,CDIO 模式既是一种工程教育实施方案,更是一种工程教育理念,如果完全的项目驱动教学在无法被学生所理解和接受的情况下,我们依然可以借鉴这种工程教育理念.基于此,笔者采用CDIO工程教育理念,在单片机教学中,进行了一些改革探索和实践,取得了良好的效果.
二、改革背景
传统的单片机教学采用“满堂灌”的方式,根据教学大纲要求,教师每节课完成教材上的若干知识点的讲解.这种教学方式很难引起学生的学习积极性和学习热情,学生刚开始抱着极大的兴趣来学习,可是如果教师只是照本宣科讲解,久而久之,则让学生感到枯燥和倦怠.特别是传统的期末考试方式,只是进行了单片机原理的表面知识考核,单片机应用的精髓则未能体现.在以往教学过程中,曾经出现考试成绩非常高,但毕业设计动起手来却一塌糊涂的学生.可见,单片机教学与其他理论科目教学方式不完全相同,这门课程强调的是知识的应用,因此,它的教学方法就有必要进行改革.
三、考核方式改革
传统的期末定考已经不再适合于CDIO模式下单片机的教学,事实上,单片机知识的真正掌握也无法简单用期末成绩去衡量,因此,本次改革,单片机的成绩主要以项目的形式对学生能力进行综合考核,采取教师评价、他人评价和学生自我评价等各种方式.在具体实施中,为了避免个别同学长期打酱油,所有同学的成绩由个人成绩和团队成绩两部分组成,个人成绩包括平时课堂表现和课堂测试,团队成绩包括团队作业和课程设计.如果以CDIO模式表达的话,课程设计作品是单片机学习要达到的终极目标,称为一级项目,团队作业则是二级项目,也就是子课题,根据各个阶段的学习要求而设定.在一开始的教学过程中,让每个同学都清楚学习的的最终目标以及为了实现终极目标所设定的所有二级项目.
四、课堂教学模式改革
(一)以项目为导向,培养学生的团队精神
CDIO工程教育模式强调以项目为导向开展教学.所有项目的开展我们都以团队为单位, 3人为一组.由于单片机课程总成绩的绝大部分来自于团队成绩,每个团队成员必须要竭尽所能,才能在每个项目中拿到高分.每个团队的一级项目实际就是课程设计,从开题到结束,课程设计过程贯穿整个学期,课程设计开题前要撰写设计报告,通过教师论证才能确定是否继续开展研究,学生于期末结束前完成设计和实物制作并撰写设计报告,教师结合学生在验收答辩过程中的表现、对作品的理解程度、对作品的贡献大小和报告的撰写水平等,给每位学生一个综合评价.二级项目则由老师根据教学需要确定,主要包括中断、定时器、串行口、单片机扩展等几个子课题,二级项目可以通过PROTEUS仿真实现,二级项目的考核也是通过课堂答辩,由其他组的学生和老师共同评价打分.通过这些项目的开展,学生的团队合作意识普遍提高,表达与交流的能力得到提升,参与积极性加强,学习热情大幅提升.
(二)以引导教学为主,培养学生的自主学习能力
传统的填鸭式教学,学生处于被动学习状态,与主动学习相比,在学习效率上要大打折扣.单片机是一门实践性很强的课程,根据多年来的教学实践经验,讲的多不如让他们做的多,CDIO模式提出“学中做,做中学”,这一理念也是非常适合于单片机的教学.在课堂教学时,要抓主要,放次要,一些细枝末节的知识点没必要花太多时间阐述,在具体开展教学过程中,可以通过设定课堂练习和课堂思考题,引导学生自主学习.例如单片机的指令系统,如果是以C51语言为主进行教学的,那些指令点到即止,没有必要太过深入,否则很可能适得其反,主次不分.除了课堂的引导,最重要的还是通过项目在实战中学,边学边做,边做边学,单片机只有用了才能真正学会,看10遍书不如做一个项目提升得快. （三）采用案例驱动教学,培养学生的工程实践意识
案例驱动法是一种基于探究性学习和协作学习的一种教学模式,起源于“哈佛大学”的情景案例教学课.案例驱动法要求师生改变传统的观念和角色,充分发挥学生在学习中的主体作用和教师在教学中的组织、引导、促进、控制作用,将学生认为枯燥的知识转变为生动的学习内容,有利于真正培养学生的创新能力、自学能力、实践能力、增强学生独立意识和协作精神[7].单片机在生产生活中应用广泛,有大量的实践案例,教师应该根据学生专业特点,选取合适案例,在课前提出,让学生提前查找资料、整合知识、充分思考,教师则以案例为线索,介绍背景,提出问题,引导讨论,组织课堂教学活动.在本次教学改革中,我们还采用了分组课堂答辩等方式,对一些案例进行了详细分析,在教师的引导下,邀请每组同学上讲台给其他同学讲解不同的案例进行仿真演示,并回答台下同学的提问,这种方式不仅锻炼了学生的表达能力,利用实例推动了学生的自主学习,同时也让学生理解了单片机的实际应用方法,逐渐培养学生的工程设计能力和工程实践意识.
五、一级项目的开展
在整个CDIO教学模式下,一级项目设计是否合理至关重要.一级项目首先由教师提出总体需求,本次改革,要求完成一个有一定创新和实际应用价值的单片机作品,作品以单片机为核心,内容包括硬件设计、软件编程和程序仿真、实物制作、软硬件调试,通过一级项目的完成,使学生初步掌握单片机应用系统的开发方法.一级项目不能太大,也不能过于简单,太大太难学生做不出来会打击学习热情,太简单则没有达到目的.至于具体设计什么样的系统,可以由学生根据以下几个方面自行创新,经过调研后,写出设计报告,再由教师确定项目是否可行.
(一)以学科竞赛为平台
大学生学科竞赛是整合课内外实践教育教学的重要环节,是培养学生创新精神和动手能力的有效载体,对培养和提高学生的创新思维、创新能力、团队合作精神、解决实际问题和实践动手能力具有极为重要的作用.目前,在以应用型人才培养为主的高校,学科竞赛得到了各方面的重视,开展的越来越好.如全国大学生电子设计大赛、“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛、全国大学生挑战杯课外学术科技作品、全国机器人大赛、中国物联网创新创业大赛、机械创新大赛等,分析各种竞赛,很多控制类、数据采集类和信号发生类的题目都会涉及到单片机技术.将学科竞赛与课程体系和教学改革紧密结合,使学科竞赛成为日常教学的有益补充,在单片机教学过程中,可以用这些学科竞赛为平台,给有兴趣参赛的同学进行指导,以竞赛作品的高度来完成一级项目.
(二)以学生创新实验项目为目标
目前,很多高校为了鼓励学生的实践创新,培养其动手能力,特别设立了“学生创新实验项目”,有兴趣的学生皆可报名申请,学校经过答辩后对可行的项目进行资助.一级项目也可以此为目标,对单片机的应用进行研究,确定设计作品.
(三)以教师科研项目为依托
教师经常参加科研活动,视野开阔,熟悉专业发展和企业需求,在教学过程中应当将科研成果和技术应用带入教材、带入课堂,用生动实例激发和培养学生的学习兴趣.同样的,学生也应当积极参与教师的科研工作,主动与教师交流,寻找锻炼自己的机会.一级项目也可以来源于教师科研项目中的子课题.
(四)来源于对生活的思考
工科学生应当有意识的关注科技发展和技术应用,仔细观察,善于发现,从生活中发现问题,利用所学知识去解决.一级项目可以来源于对生活的思考,自行创新,可完全根据自己的兴趣和爱好,设计自己想要的作品.
六、教学改革实际效果
(一)激发了学生的学习热情
CDIO工程教育方式极大地激发了学生的学习热情,学生按工程项目的任务要求有针对性地学习知识,学习目的明确,学习积极性高涨,从过去的“厌学”变成了现在的“自主学”.
(二)锻炼了学生的团队协作精神
在单片机的学习过程中,学生被分为3人一组形成一个团队,分别完成多个二级项目和一级项目,团队成员之间必须团结协作,彼此配合,相互交流,有效锻炼了学生的团队协作精神.
(三)动手能力和创新能力大大提高
从完成作品情况来看,此次改革有效提高了学生的创新和实践能力,以竞赛为目标的有一组同学设计了一种环境监测魔力树,设计了一种伞状的树叶结构,将当前的环境气体情况通过树叶的收和来表现,该作品需要完成机械结构和电路方面的设计和制作,利用气敏传感器和LCD实现检测和显示；以实验创新为目标的做了一个新型马桶刷,用单片机作控制器利用超声波实现马桶清洁；以教师科研为目标的,参与了教师的科研项目,进行工业机械设备控制系统的开发；还有一些同学根据自己的兴趣,用LED点阵制作了一个贪吃蛇游戏机.从提交作品和答辩的情况来看,大部分同学都初步掌握了单片机应用系统的开发方法.
七、总结
实践证明,以工程能力培养为目标的CDIO工程教育理念,应用在单片机教学实践中,极大提高了学生单片机的应用能力,学习热情高涨,学习效率大大提高.教学过程不再是枯燥无味的说教,而是在边学边做当中获取到渗透在每个项目中的知识点,使学生学而难忘.