邱丹

摘要：在傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用課程實(shí)踐教學(xué)過程中，存在著硬件投入大、維護(hù)工作難、經(jīng)費(fèi)緊張等普遍問題，本文基于CDIO工程教育理念提出一種新的思路，即利用Proteus和Keil軟件建立單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將“構(gòu)思―設(shè)計(jì)―實(shí)現(xiàn)―運(yùn)作”的工程方法融入建設(shè)過程中。結(jié)果表明，基于CDIO工程教育模式的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有成本低、投資小、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置自由、接近工程實(shí)踐、容易支持課堂教學(xué)等特點(diǎn)，能更好地激發(fā)學(xué)生實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO;工程教育;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9;G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-9129（2017）16-0073-02

Absrtact： in the course of practical teaching of traditional single-chip computer application course， there are some common problems， such as large input of hardware， difficult maintenance work and shortage of funds， etc. This paper puts forward a new way of thinking based on the idea of CDIO engineering education. The virtual experiment system of single chip computer is established by using Proteus and Keil software， and the engineering method of "conception-design-realization-operation" is integrated into the process of construction. The results show that the virtual experiment system based on CDIO engineering education model has the characteristics of low cost， low investment， free setting of experimental items， close to engineering practice， easy to support classroom teaching， and can better stimulate students' practice. Course learning interest， improve students' hands-on ability and innovative ability.

Key words：CDIO;engineering education;practical teaching

1 引言

高職院校的實(shí)踐教學(xué)，是支撐人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要支點(diǎn)，也是全面提高應(yīng)用型人才綜合能力的關(guān)鍵點(diǎn)，為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，各院校往往采用多種手段。在電子、機(jī)電和自動(dòng)化等電類學(xué)科的課程體系中，大多數(shù)的專業(yè)課程都是典型的應(yīng)用性課程，主要特點(diǎn)就是理論和實(shí)踐需要高度結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)所占比例較大，可以說實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)整體教學(xué)是否成功起到關(guān)鍵性作用。在實(shí)踐教學(xué)過程中，不僅需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件編程或者輔助設(shè)計(jì)，還需要大量配套的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)備，一般的學(xué)校和個(gè)人經(jīng)費(fèi)有限，很難滿足實(shí)際需求。而且隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，硬件設(shè)備不斷老化，實(shí)驗(yàn)儀器更新?lián)Q代也很快，這就需要不斷地重建實(shí)驗(yàn)室，資金耗費(fèi)嚴(yán)重，常常會(huì)步入經(jīng)費(fèi)投入不足、設(shè)備維護(hù)困難的窘境。另一方面，傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，因硬件具有固定性、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、不能自由變更，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知流于表面，影響對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為能解決上述實(shí)踐教學(xué)中存在的問題和培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才發(fā)展的需要，本文以電類學(xué)科的核心課程“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”為代表，引入CDIO[其中：C表示構(gòu)思（Conceive），D表示設(shè)計(jì)（Design）、I表示實(shí)現(xiàn)（Implement），O表示運(yùn)作（Operate）]的工程教育模式，借鑒其先進(jìn)的教育理念，利用Proteus和Keil進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐教學(xué)的不足，提升專業(yè)課的整體教學(xué)水平。

2 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)

2.1Proteus與Keil的簡(jiǎn)介。在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件中，Proteus是目前能模擬單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作狀態(tài)的最好仿真軟件之一。除了提供原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和SPICE仿真基本功能外，Proteus還提供了單片機(jī)周邊設(shè)備的仿真功能，例如虛擬示波器的仿真、LED的仿真等，這樣大大節(jié)約了周邊配套設(shè)備的成本。因?yàn)槭擒浖M，使得虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更容易支持課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置不受硬件條件的限制，更加自由，仿真結(jié)果能接近工程實(shí)踐。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，除必要的硬件外，同樣離不開軟件，Keil就是一個(gè)極為重要的單片機(jī)開發(fā)軟件平臺(tái)。它能提供包括C編譯器、連接器、宏匯編、庫管理及仿真調(diào)試器等完整的開發(fā)方案，再通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些組合在一起，具有界面友好、易學(xué)易用、用戶群龐大的特點(diǎn)。

基于Proteus和Keil的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能充分地利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)各種體系結(jié)構(gòu)的單片機(jī)編程，并可以模擬單片機(jī)真實(shí)工作過程去設(shè)計(jì)、仿真、開發(fā)自己的單片機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)大的功能和逼真的效果，能較好地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾，為此，國內(nèi)外很多著名大學(xué)都在致力于建立基于軟件的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)。根據(jù)高職院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在分析單片機(jī)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將整個(gè)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系按功能和內(nèi)容分成3個(gè)模塊，由學(xué)生根據(jù)自身的興趣和能力選擇適合自己的模塊。單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)練習(xí)模塊、綜合應(yīng)用模塊和創(chuàng)新實(shí)踐模塊，如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)練習(xí)模塊。該模塊以培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力為目標(biāo)。由12個(gè)細(xì)分的小模塊組成，學(xué)生根據(jù)單片機(jī)課程中大綱要求學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)的基本原理、工作方式和模擬仿真，要求能夠掌握單片機(jī)技術(shù)的基本內(nèi)容和單片機(jī)系統(tǒng)的仿真方法。

（2）綜合應(yīng)用模塊。該模塊以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)。由4個(gè)細(xì)分的小模塊組成，教師需要針對(duì)某一類型的微控制單元給定綜合應(yīng)用的題目，要求學(xué)生按照規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫和軟件仿真調(diào)試，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的。

（3）創(chuàng)新實(shí)踐模塊。該模塊以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力為目標(biāo)。教師和學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力進(jìn)行更高層次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或研究，例如作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的命題、參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和課題項(xiàng)目的實(shí)踐等。

3 引入CDIO教育理念的實(shí)踐教學(xué)

CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，是高等職業(yè)教育改革的一個(gè)創(chuàng)新思維理念，該理念將教育過程放到工程領(lǐng)域的具體情境中，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，通過貫穿整個(gè)人才培養(yǎng)過程的職業(yè)能力設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)。本人將單片機(jī)課程教學(xué)中引入了CDIO的工程教育理念，構(gòu)建了基于CDIO的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)過程之中，單片機(jī)的硬件基礎(chǔ)知識(shí)和軟件編程方法相對(duì)獨(dú)立，學(xué)生在完成了大部分的課程學(xué)習(xí)后仍不能較好地將硬件和軟件知識(shí)結(jié)合，工程設(shè)計(jì)理念較淡薄。為改變這一情況，本人設(shè)計(jì)了與實(shí)際生產(chǎn)流程類似的應(yīng)用場(chǎng)景，即基于CDIO的工程教育理念，將單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)以工程項(xiàng)目的形式貫穿課程教學(xué)始終，如表1所示。

在上述的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，通過工程項(xiàng)目引出課程的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)、講解知識(shí)點(diǎn)，讓項(xiàng)目案例的理論知識(shí)從始至終地貫穿到實(shí)踐教學(xué)之中，形成“構(gòu)思―設(shè)計(jì)―實(shí)現(xiàn)―運(yùn)作”這一工程理念的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，整個(gè)過程中，學(xué)生不僅掌握了知識(shí)和技能，提高了學(xué)生的動(dòng)手和實(shí)踐能力，也系統(tǒng)地培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通交流能力，讓學(xué)生充分感受到學(xué)習(xí)的成就感，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的自信心。

結(jié)語：將CDIO理念引入到高職院校的工程教育中，再通過“Proteus + Keil”的組合模式來搭建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以有效地解決教學(xué)資源不足的難題，還可以讓學(xué)生從工程的角度直接看單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作過程和結(jié)果，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用之間脫節(jié)的矛盾。

從這兩年的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐來看，該系統(tǒng)取得了良好的運(yùn)行效果，學(xué)生的綜合素質(zhì)也有了較大幅度的提升。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在課堂上能“學(xué)中做，做中學(xué)”，教學(xué)內(nèi)容更豐富，更生動(dòng)，大大提高了學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新開發(fā)能力，是當(dāng)前高職院校項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施的有力保障和推動(dòng);（2）基本解決了不斷重建實(shí)驗(yàn)室的資金困境，尤其適合教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)校，并增加了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，提升學(xué)生系統(tǒng)應(yīng)用的能力，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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