基于CDIO教育理念的單片機課程的教學改革

董慧

單片機課程在基于CDIO教育理念的教學改革初期，筆者想到了日新月異的單片機發(fā)展史：由最初的4位單板機，發(fā)展到現在32位可以移植操作系統的嵌入式ARM內核，單片機的運算速度越來越快，功能集成度越來越高，那么對于高校工科專業(yè)而言，如今選擇哪一款單片機作為初學者最適合入門的機型成為首要問題。大多數高校在學生學習單片機之前都開設了“微型計算機原理與接口技術”這門課程，主要學習8086/8088CPU的結構原理與匯編語言程序設計，這與后來開設的單片機課程在理論上有很多相似之處，容易造成學生混淆，增添學習負擔，加之8086/8088現在已經沒有太大實用價值，同時以8086/8088作為主講機型的課程存在實踐教學和實際應用脫節(jié)以及教學效果不理想的問題。因此筆者認為有必要對“微型計算機原理”“微型計算機接口與應用”“單片機原理與應用”三門課程的內容進行整合。

那么該選擇哪一款單片機作為主講機型？它跟8086/8088系列CPU有什么區(qū)別和聯系？能否讓初學者快速入門且可以獨立完成屬于自己風格的智能產品設計？綜上問題，筆者最終在對單片機課程教學改革的首要問題之一單片機機型的選取問題中，還是選擇了51系列單片機。在選取了51系列單片機作為該課程的主講機型后，傳統的該機型的教學手段不適應快速發(fā)展的信息時代對學生掌握該課程的基本要求，那么單片機課程的教學手段就必須做出根本性的改變。而選取一本合適的教材也是該課程教學改革的重要任務，因此筆者參閱了大量的51系列單片機教材后，選取由高等教育出版社出版，鄭郁正教授編著的《單片微型計算機原理與接口技術》為“單片機原理與應用”的主講教材。

一、課程總體教學改革

單片機課程的教學改革是基于CDIO教育理念模式，即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），這種模式突破了傳統的以學科知識傳授為主的人才培養(yǎng)模式，更加適應產業(yè)界對工程人才的需求。在該理念的引導下，單片機課程在過去近一年的時間里，已經做出了以下幾個方面的教學改革：

（1） 構建“單片機原理與應用”課程理論與實踐一體化的教學體系，吸收世界先進的工程教育理念，以學生為核心，合理安排理論課程與實踐課程，尤其是增加了實踐課時，讓學生在更多的實踐過程中對該課程的核心內容進行熟練掌握。并反過來在理論教學中以“單片機開發(fā)板”為教學工具，實時把理論知識當堂給學生用實踐的方式展示出來，加深學生對理論知識的印象。

（2） 突出學生的主體地位，把課堂還給學生。教師和學生處于同等地位，在學生自主發(fā)現問題的同時，與老師、同學一起討論后解決問題，讓課堂真正成為“說課”式的教學模式。

（3） 建立多樣的教學評價體系。該課程的教改方向、所取得的教改成績以及需要解決的教改問題都已經有了一個對照改革目標所進行的評估與反饋的教學評價模式，以便持續(xù)改進。當然建立教學評價體系是為了更好地指導改革確保落實、自我提高、持續(xù)改進、方便比較、促進交流、積累經驗便于推廣等。

（4） 撰寫具有應用實例背景的劇本式教案，針對該課程的特點聯系生活實際。很多電子產品的設計都可以利用單片機來完成，包括產品的硬軟件設計等，因此以電子產品設計案例為主撰寫劇本式教案與相應的PPT，可以大大激發(fā)學生的學習興趣。

（5）教師可以以團隊項目制為主增加設計任務，布置一些基于單片機的電子線路設計任務以及電子產品設計任務作為該課程的實訓內容，讓學生實現實訓內容的基本要求，這不僅增加了學生對單片機課程學習的成就感，而且也帶動了他們的其他相關課程的學習和掌握。

以上單片機課程的教學改革措施在具體的實施過程中一開始是很困難的，但是隨著教學改革的深入，學生對這門原本很枯燥難懂的課程會很快入門，因為教學改革的初期學生在面對一種全新的教學模式以及了解到該課程與生活相關的電子產品設計緊密相連時，都會表現出一種濃厚的學習興趣和高漲的學習熱情。另外，筆者在理論課堂上利用“單片機開發(fā)板”為教輔工具，巧妙地把單片機難懂的學習技巧簡化，直接引出課程重難點讓學生舉一反三，融會貫通，因此學生在“說課”式的課堂教學模式下，輕松地掌握了單片機諸多理論知識。

二、課程實踐與實訓教學改革

1.實踐環(huán)節(jié)的教學改革

單片機課程教學改革的主要手段之一就是單片機理論教學采用了“單片機開發(fā)板”等教輔工具，而單片機課程的實踐教學便是基于這個教輔工具展開，這相當于把在實驗室才能教學的內容搬到了理論課堂上，即：提出單片機課程的某個知識點，圍繞這個知識點衍生出的硬軟件知識都可以一并在課堂講授。例如：在講授單片機某個接口電路原理及其C51語言（匯編語言）的編程方法時，都可以事先在理論課堂上結合多媒體啟發(fā)式地給學生進行講解，而后在實驗室里讓學生復現其課堂內容，并要求加入自己的軟硬件設計思路，這樣使得學生對這個知識點的印象更加深刻，理解更加透徹，從而不再感到枯燥難懂。

2.實訓環(huán)節(jié)的教學改革

當學生逐步掌握了單片機課程理論知識及實踐方法后，就可以逐漸形成屬于自己的基于51系列單片機的電子產品設計風格，因此在單片機課程的實訓教學中提出若干電子產品設計題目及其設計要求，讓學生以團隊合作的形式完成，這樣既可以鍛煉學生的團隊合作能力，又可以鍛煉學生實際的動手能力，尤其是在設計制作產品的過程中，學生需要針對產品設計要求，進行產品的市場調研、產品的設計方案論證、產品電路的器件選型等，按照公司研發(fā)生產一條龍的模式親歷實踐一遍，最后再編寫技術文檔或者實訓報告。

由于學生專業(yè)課程的基礎不同，對專業(yè)知識的理解力不夠，不同學生所表現出來的設計水平一開始是參差不齊的，但是隨著單片機實訓教學的深入，學生在產品調試的過程中會發(fā)現越來越多的問題，且這些問題環(huán)環(huán)緊扣，所涉及的知識面也越來越廣，已經不單單只局限于單片機本身的范疇，而是更加靈活地只把單片機作為產品開發(fā)工具，設計出不同功能要求的電子產品，這使得學生的設計思維達到了實質訓練，更是體現了各學科的專業(yè)知識綜合應用的優(yōu)勢，單片機課程基于CDIO教學理念的教學改革的目的之一也就在于此。

三、課程考核體系改革

1.課程的理論考核改革

單片機課程教學改革對學生的期末成績評定打破了傳統的成績評定方法，把該課程的理論考試由原來的閉卷考試只考單一的基礎知識，改成了現在的開卷考試，考核單片機的應用和設計。例如：在試卷考核內容的編排上，除了少量基礎知識外，大部分考核內容是基于單片機的電子產品設計題或者是基于單片機的接口線路設計題，需要學生完成其硬件設計和軟件編程。在考試過程中，學生不僅可以查閱所帶教材而不必死記單片機枯燥的理論知識，而且還可以訓練自己查閱相關資料的技能。這部分考核成績占期末總成績的50%。

2.課程的實驗考核改革

單片機課程的實驗考核成績占期末總成績的30%，以實驗室“單片機開發(fā)板”為主要考核工具，在開發(fā)板上編寫軟件程序，實現板上某個電路模塊的功能，根據該功能的達成度給出成績。學生同樣可以查閱相關資料，完成單片機課程的實驗考核。

結合平時對學生出勤率的考核以及課后作業(yè)的批改，促使學生慢慢養(yǎng)成一個良好的單片機課程學習習慣。根據該課程的綜合問卷調查顯示，絕大部分學生都非常認可這種理論和實驗考核方式，這樣會給他們帶來輕松愉快的學習氛圍。他們一致認為單片機課程的教學改革更能注重能力的培養(yǎng)，而不再是傳統的一張試卷定“生死”的模式。因此，單片機課程考核體系也是單片機課程教學改革的目的之一。

四、課程教學改革的影響

1.課程教學改革對其他學科的影響

單片機課程的教學改革會帶動學生學習其他學科的學習熱情，掌握其他學科的基礎知識，因為單片機課程教學注重的是實踐，而實踐以產品設計和接口電路設計為主，這樣必然會涉及其他學科知識的綜合應用，例如：“模擬電子技術”“數字電子技術”“計算機控制原理”“自動控制原理”“電路分析”“C語言程序設計”“匯編語言程序設計”以及相關EDA軟件工具等學科知識的綜合應用。一項好的課程教學改革舉措，不僅要看它本身的教學改革手段與教學改革成效，而且更要看重它與其他學科的交叉融合點，看重它能否促進其他學科一起探索學生容易接受的教學方法，看重它能否一起培養(yǎng)學生的綜合素質能力以及學生的思維方式，如果能滿足以上這幾點，筆者認為這才是一項好的課程教學改革。

2.課程教學改革對學生學科競賽的影響

有了單片機課程的教學改革經驗，學生在較全面地掌握51系列單片機的理論知識和應用實踐之后可以自主學習更高級別的單片機，其學習方法和實踐方法跟學習51系列單片機是一樣的。有了單片機的實踐經驗，學生在參加學科競賽時就會加入基于單片機的控制方法，其中包括控制電路的設計和控制算法的設計，這樣大大簡化了競賽方案的論證和選取，提高了系統設計效率。例如，學生在參加全國大學生電子設計競賽、物聯網競賽、機器人競賽、信息技術應用大賽等學科競賽時，幾乎都是以單片機為核心控制器件展開系統設計。因此學生的學科競賽是檢驗單片機課程教學改革成效的試驗田，且取得了不錯的成績。

當然單片機課程的教學改革步伐肯定不是一蹴而就的，也不會是一帆風順的，打破傳統的教學模式需要慢慢進行，腳踏實地地慢慢探索，步伐不能邁得太大，欲速則不達。通過該課程教學改革項目的實施，筆者在遇到教學改革問題時，也在不斷地改進改革的方法和手段，采取不同的措施，積極吸取同事們的寶貴意見和建議，這些都可以作為以后單片機課程的教學改革經驗傳承下去。

參考文獻：

[1]鄭郁正.單片微型計算機原理及接口技術[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]許維鎣，鄭榮煥.Proteus電子電路設計及仿真（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.