陳文輝

（福建技術(shù)師范學(xué)院 a. 海洋研究院；b.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，福建福清 350300）

教育部引導(dǎo)部分本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變[1],為地方本科高校改革指明了方向.而課程改革是學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展的基礎(chǔ),因此,需要開(kāi)展適應(yīng)工程教育特點(diǎn)的課程改革.

基于CDIO的工程教育模式,可有效提升學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[2].將基于CDIO的工程教育模式運(yùn)用于《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程改革中,采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目教學(xué)”的教學(xué)理念,以工程案例為載體,以工作過(guò)程為導(dǎo)向,學(xué)生通過(guò)“做中學(xué)、學(xué)中做”,提高理論水平、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì),培養(yǎng)工程基礎(chǔ)能力,增強(qiáng)就業(yè)創(chuàng)新能力.

1 開(kāi)展課程改革的背景

1.1 地方本科高校需要轉(zhuǎn)型發(fā)展

2018年,全國(guó)各類高等教育在學(xué)總規(guī)模達(dá)到3833萬(wàn)人,高等教育毛入學(xué)率達(dá)到48.1%[3].依據(jù)高等教育社會(huì)學(xué)家馬丁·特羅的高等教育發(fā)展三階段論[4],我國(guó)己經(jīng)處在大眾化高等教育階段.大眾化的高等教育是新興的教育發(fā)展?fàn)顟B(tài),需要新的標(biāo)準(zhǔn)和體系來(lái)評(píng)價(jià)和估量[5].

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的巨大變化,企業(yè)對(duì)高級(jí)專門創(chuàng)新型工程人才需求劇增[6].地方本科高校急需轉(zhuǎn)型發(fā)展[7]以適應(yīng)這種需求變化.2015年,教育部等三部委聯(lián)合下發(fā)[教發(fā)〔2015〕7號(hào)]文件,引導(dǎo)地方本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變,文件要求應(yīng)用型本科高校推行案例教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué),實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接,以培養(yǎng)應(yīng)用型人才,增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力[1].

具有工程師基本素質(zhì)是提高工程類學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的有效途徑,即工程類學(xué)生應(yīng)具有學(xué)習(xí)應(yīng)用能力、思維分析能力、工程實(shí)踐能力、表達(dá)交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)等[8].因此,應(yīng)用型本科高校應(yīng)開(kāi)展基于工程教育模式[9]的教學(xué)改革.

1.2 傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式急需改革

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是電類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng).而傳統(tǒng)的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)存在很多不足之處,造成學(xué)生畢業(yè)后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能適應(yīng)工程實(shí)踐環(huán)境.這些不足包括：理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié),理論講授比例較大,學(xué)生實(shí)踐不足；教學(xué)與工程實(shí)踐脫節(jié),實(shí)驗(yàn)多針對(duì)實(shí)驗(yàn)箱,硬件實(shí)踐不足；實(shí)驗(yàn)代碼較少,代碼的規(guī)范性、可讀性和移植性不好[10].

因此,在應(yīng)用型本科高校,《單片機(jī)原理及應(yīng)用》必須進(jìn)行課程改革,以培養(yǎng)出符合工程需要的,與工程實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用型人才[11].

1.3 基于CDIO的工程教育模式可有效提升工程能力

基于CDIO的工程教育模式,包含構(gòu)思(Conceive)、 設(shè) 計(jì) (Design)、 實(shí) 現(xiàn) (Implement)和運(yùn)作(Operate)四個(gè)階段,可有效提升學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[12],在世界范圍得到廣泛應(yīng)用[13].21世紀(jì)初，麻省理工學(xué)院等高校提出CDIO工程教育模式,促進(jìn)了工程教育理論,為美國(guó)培養(yǎng)了更多優(yōu)秀的工程人才,促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展[14].2005年,汕頭大學(xué)引入CDIO工程教育模式[15],并結(jié)合自身的辦學(xué)模式,形成本校的培養(yǎng)特色,取得明顯成效.隨后CDIO理念的教育改革在國(guó)內(nèi)外高校迅速展開(kāi).

2 基于CDIO的課程設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)資源

在《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程改革中運(yùn)用基于CDIO的工程教育模式,以培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力[16].

2.1 學(xué)習(xí)進(jìn)程設(shè)計(jì)

為引導(dǎo)學(xué)生掌握單片機(jī)系統(tǒng)知識(shí),順利開(kāi)展項(xiàng)目教學(xué),課程設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段：“教師引導(dǎo)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)階段”和“學(xué)生自主式項(xiàng)目實(shí)施階段”.在“教師引導(dǎo)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)階段”,通過(guò)設(shè)定的工程項(xiàng)目的學(xué)習(xí),學(xué)生在老師引導(dǎo)下“學(xué)著做”,完成項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程.通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí),學(xué)生掌握《單片機(jī)原理與應(yīng)用》的理論知識(shí),理解工程項(xiàng)目自構(gòu)思至運(yùn)行的全過(guò)程,為下一階段自主實(shí)施項(xiàng)目做好準(zhǔn)備.“學(xué)生自主式項(xiàng)目實(shí)施階段”安排在第二階段,在“教師引導(dǎo)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)階段”完成的前2周預(yù)先布置.在這一階段,學(xué)生己掌握必備的單片機(jī)系統(tǒng)知識(shí)和相關(guān)的操作技能,通過(guò)自主完成工程項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)由“學(xué)著做”向“自主做”過(guò)渡,以進(jìn)一步強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)和操作技能,學(xué)習(xí)并掌握工程基礎(chǔ)知識(shí),提升工程實(shí)踐能力.

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)進(jìn)程設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程學(xué)習(xí)進(jìn)程設(shè)計(jì)圖

2.2 精心選擇工程案例

選擇“智能家居系統(tǒng)”作為“教師引導(dǎo)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)階段”的工程項(xiàng)目.該系統(tǒng)是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)熱門課題,具有實(shí)際的工程價(jià)值,容易激發(fā)學(xué)生興趣；且采用單片機(jī)可以基本實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,具有項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的可行性.學(xué)生通過(guò)工程實(shí)踐,接觸工程實(shí)際項(xiàng)目,一方面使學(xué)生掌握單片機(jī)必備的理論基礎(chǔ)知識(shí),另一方面,建立起必備的工程理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力,快速形成工程思維.

“智能家居系統(tǒng)”包括四大部分,分別是：系統(tǒng)基礎(chǔ)、傳感輸入、輸出控制和通訊傳輸,共分為19個(gè)子項(xiàng)目,各子項(xiàng)目各自獨(dú)立形成模塊.模塊化結(jié)構(gòu)是單片機(jī)系統(tǒng)的重要特點(diǎn),各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立,也稱“電子積木”,可以像搭積木一樣形成整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng).

“智能家居系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 “智能家居系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)圖

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,尤其是學(xué)生開(kāi)展自主項(xiàng)目過(guò)程中,需要豐富的課程資源的支撐.為了順利開(kāi)展項(xiàng)目教學(xué),筆者與課題組成員按照“智能家居系統(tǒng)”的項(xiàng)目結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)了配套的課程資源,包括：特色教材、電子課件、配套視頻和微課資源.這些課程資源均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)與所有學(xué)生共享,方便學(xué)生課外學(xué)習(xí).在課程資源組織中,把19個(gè)子項(xiàng)目分為基礎(chǔ)篇和拓展篇兩個(gè)部分.基礎(chǔ)篇是系統(tǒng)必備模塊,在課堂教學(xué)中完成,是必修內(nèi)容；拓展篇是拓展內(nèi)容,供學(xué)生課外學(xué)習(xí).學(xué)生在開(kāi)展項(xiàng)目過(guò)程中,可以借助配套的課程資源進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)知識(shí)和工程項(xiàng)目知識(shí),提高其學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力.

3 課程設(shè)計(jì)實(shí)施

按照開(kāi)展工程項(xiàng)目的工作順序,依次完成構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作4個(gè)階段.

3.1 構(gòu)思階段

構(gòu)思階段主要成果是形成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案.項(xiàng)目以小組為單位進(jìn)行,每個(gè)小組3～4人,小組成員的分工由小組討論確定.采用小組方式開(kāi)展項(xiàng)目,可以增強(qiáng)學(xué)生交流溝通能力,也可以增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí).

各項(xiàng)目小組通過(guò)文獻(xiàn)檢索,開(kāi)展小組討論,自主選定項(xiàng)目、探討項(xiàng)目的功能及需求、確定系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu),最終形成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案.項(xiàng)目小組根據(jù)自身的能力水平,可在教師指定的范圍內(nèi)選擇項(xiàng)目,也可自行確定項(xiàng)目.

在構(gòu)思階段,老師完成以下工作：為各項(xiàng)目小組提供必要的指導(dǎo),幫助其完成項(xiàng)目構(gòu)思；為需要的小組提供項(xiàng)目范圍,協(xié)助其完成項(xiàng)目選擇；點(diǎn)評(píng)各小組的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案并給予建議.項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案經(jīng)老師點(diǎn)評(píng)通過(guò)后,進(jìn)入設(shè)計(jì)階段.

3.2 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是完成項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì)并通過(guò)仿真調(diào)試.單片機(jī)系統(tǒng)是硬件與軟件相結(jié)合而工作的,項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作借助Proteus +Keil C軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)展.通過(guò)Proteus軟件來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的硬件電路,通過(guò)Keil C軟件來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的軟件程序,兩者相互結(jié)合,聯(lián)調(diào)聯(lián)試,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能.采用Proteus + Keil C軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試,設(shè)計(jì)效果可視,設(shè)計(jì)內(nèi)容易改,調(diào)試工作高效.項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用規(guī)范的編程模板簡(jiǎn)化編程過(guò)程,實(shí)現(xiàn)規(guī)范編程,提高程序的可讀性與可移植性.這種軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)組合聯(lián)調(diào)的方式也廣泛應(yīng)用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)工作中,通過(guò)項(xiàng)目訓(xùn)練,學(xué)生可以熟悉實(shí)際工程設(shè)計(jì)環(huán)境,培養(yǎng)工程意識(shí).

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,學(xué)生可以隨時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提供的課程資源進(jìn)行學(xué)習(xí),也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)等各種交流平臺(tái)與教師進(jìn)行交流互動(dòng),及時(shí)解決設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的課程教學(xué)資源為學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供了便利條件,也可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力及應(yīng)用能力.

3.3 實(shí)現(xiàn)階段

在Proteus + Keil C軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)并聯(lián)調(diào)成功后,進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段.在該階段,各項(xiàng)目小組根據(jù)設(shè)計(jì)圖,焊接制作實(shí)物作品.其中項(xiàng)目的硬件電路可采用兩種方式制作：焊錫過(guò)線法和自制PCB板.焊錫過(guò)線法是在萬(wàn)能板上按照設(shè)計(jì)電路進(jìn)行逐點(diǎn)焊接,形成項(xiàng)目硬件電路.這種方法可以強(qiáng)化釬焊等基本技能,能讓學(xué)生進(jìn)一步細(xì)化、理解硬件電路.項(xiàng)目小組也可以自制PCB板,在PCB板上焊接元器件,形成項(xiàng)目硬件電路.形成項(xiàng)目的硬件電路之后,把Keil C軟件中生成的HEX文件燒錄到單片機(jī)芯片中,進(jìn)行硬件調(diào)試,形成單片機(jī)系統(tǒng)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)物作品.

硬件電路的制作過(guò)程包含釬焊和PCB板制作等多方面技能,可有效提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力；在硬件調(diào)試過(guò)程中,需要分析電路、軟硬件聯(lián)調(diào),可進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,有效提高工程素質(zhì).

3.4 運(yùn)作階段

在運(yùn)作階段,各項(xiàng)目小組進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)并演示作品,開(kāi)展項(xiàng)目考核.項(xiàng)目總結(jié)包括：制作過(guò)程、遇到的問(wèn)題、解決的思路和實(shí)施項(xiàng)目的心得體會(huì).

4 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO的工程教育模式的《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程改革方案通過(guò)幾年的實(shí)踐,取得較好效果.通過(guò)項(xiàng)目的開(kāi)展,學(xué)生較好地掌握單片機(jī)的理論知識(shí),理解單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件配合工作機(jī)制,掌握單片機(jī)系統(tǒng)的工程項(xiàng)目的工程環(huán)境；有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)應(yīng)用能力、思維分析能力、工程實(shí)踐能力、表達(dá)交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí).為學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、就業(yè)創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).但是一個(gè)課程改革需要較長(zhǎng)的時(shí)間持續(xù)改進(jìn)與完善：一是課程資源尚需進(jìn)一步充實(shí)；二是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用尚需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn).