摘 要 為滿足國家應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，高等院校必須積極推進(jìn)教育教學(xué)改革，以學(xué)生為本，科學(xué)設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式。CDIO模式在工程教育中已取得廣泛認(rèn)可，是讓學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”，使其具備從概念到設(shè)計(jì)再到實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的全方位能力。單片機(jī)原理及應(yīng)用課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，如何契合CDIO模式的教學(xué)特點(diǎn)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)課題。文章提出可從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法創(chuàng)新兩個方面進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，使其適應(yīng)未來工程領(lǐng)域的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞 CDIO；單片機(jī)原理及應(yīng)用；教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

在當(dāng)今快速發(fā)展的科技社會中，單片機(jī)技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)的核心組成部分，以其強(qiáng)大的功能和靈活的應(yīng)用性，在各行各業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。人工智能時代，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展，這對掌握單片機(jī)原理及應(yīng)用的工程人才提出了更高的要求。高校要重視“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革，并針對當(dāng)前課程教學(xué)中存在的問題，充分運(yùn)用CDIO模式優(yōu)化教學(xué)各個環(huán)節(jié)，以滿足新時代對應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

1 CDIO模式的內(nèi)涵

CDIO模式的核心理念是以“Conceive， Design， Implement， Operate”（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作）為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作精神[1]。這一模式是為了應(yīng)對傳統(tǒng)工程教育中理論與實(shí)踐脫節(jié)、學(xué)生創(chuàng)新能力不足等問題，通過深化教學(xué)改革，使學(xué)生更好地適應(yīng)現(xiàn)代工程領(lǐng)域的需求。

在構(gòu)思階段，學(xué)生要能夠識別并理解現(xiàn)實(shí)生活中的問題，并通過科學(xué)方法進(jìn)行分析和解決，不僅需要學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要具備跨學(xué)科的綜合能力和創(chuàng)新思維。因此，構(gòu)思階段的教學(xué)目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)造力，培養(yǎng)其對問題的洞察力和解決問題的能力。

在設(shè)計(jì)階段，教師的主要任務(wù)是讓學(xué)生學(xué)會從概念到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。在這個階段，學(xué)生需要能夠?qū)栴}抽象化，提出可行的解決方案，并對方案進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和工程設(shè)計(jì)能力，讓他們能夠熟練運(yùn)用專業(yè)知識和工具，解決復(fù)雜的工程問題。

在實(shí)現(xiàn)階段，學(xué)生需要熟練運(yùn)用所學(xué)的理論知識和技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。教師在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，并在實(shí)際工程項(xiàng)目中發(fā)揮自己的作用，完成既定的任務(wù)。

在運(yùn)作階段，學(xué)生應(yīng)學(xué)會如何管理和運(yùn)營已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品或系統(tǒng)，同時進(jìn)行系統(tǒng)測試、優(yōu)化和維護(hù)，確保產(chǎn)品或系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神，在工程實(shí)踐中不斷提升自己，適應(yīng)不斷變化的市場需求和技術(shù)發(fā)展。

2 “單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容相對單一

單片機(jī)技術(shù)作為一種應(yīng)用性強(qiáng)的技術(shù)，理論與實(shí)踐的結(jié)合尤為重要。一些高校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏與實(shí)際工程項(xiàng)目相關(guān)的內(nèi)容，無法滿足學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)需求。當(dāng)前的單片機(jī)課程以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，通常按照固有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行，僅需按部就班地完成實(shí)驗(yàn)并獲取預(yù)期的結(jié)果，學(xué)生缺乏主動思考和探索的機(jī)會，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往局限于簡單的電路連接和程序編寫，無法充分鍛煉學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意識，不利于進(jìn)一步鍛煉學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)等方面的能力。

2.2 教學(xué)形式缺乏創(chuàng)新

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師通過講授知識來傳授相關(guān)內(nèi)容，而學(xué)生以被動接受為主，缺乏積極參與和主動思考的機(jī)會，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)疲勞和興趣喪失，影響學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。在單片機(jī)課程教學(xué)中，部分教師主要圍繞傳統(tǒng)的硬件接口和匯編語言編程展開，忽視新型電氣控制元件的應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)的知識與實(shí)際工程應(yīng)用需求之間存在較大差距[2]。且教師選用的案例相對單一，缺乏與工程實(shí)踐相關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，缺乏對工程項(xiàng)目的深入理解和把握。另外，還有一些教師偏重于匯編和C語言編程指令的講解，對自動化控制問題講解不深，限制了學(xué)生對控制理論的深入理解和應(yīng)用。

3 CDIO模式下“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革路徑

3.1 明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

3.1.1 結(jié)合課程的，完善課程教學(xué)目標(biāo)

單片機(jī)原理及應(yīng)用包括硬件電路原理、編程技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。教師在完善教學(xué)目標(biāo)時，應(yīng)該圍繞這些學(xué)科特點(diǎn)展開[3]。首先，學(xué)生需要掌握單片機(jī)的基本原理，包括單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、指令集等方面的內(nèi)容。其次，學(xué)生需要掌握相關(guān)的編程技術(shù)，包括匯編語言、C語言等方面的知識，能夠編寫簡單的程序并理解程序的運(yùn)行原理。最后，學(xué)生還需要具備單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，能夠根據(jù)具體的工程需求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的單片機(jī)系統(tǒng)。在此過程中，還需要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和解決問題的能力，使他們能夠在工程實(shí)踐中勝任各種任務(wù)和挑戰(zhàn)。

3.1.2 與學(xué)生能力相對接，完善課程內(nèi)容設(shè)置

在設(shè)計(jì)課程內(nèi)容時，教師需要對學(xué)生的背景知識和技能進(jìn)行深入調(diào)研和分析，以確保教學(xué)內(nèi)容符合他們的學(xué)習(xí)需求和能力水平。一是了解學(xué)生在單片機(jī)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識水平，如他們在電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生的基礎(chǔ)知識水平進(jìn)行調(diào)查，更好地把握教學(xué)內(nèi)容的難度和深度，確保其與學(xué)生的實(shí)際情況相適應(yīng)。二是根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，合理安排課程內(nèi)容。課程內(nèi)容應(yīng)劃分為不同的模塊或單元，每個模塊都應(yīng)該圍繞一個特定的主題展開，并設(shè)定相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，幫助學(xué)生深入理解課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)和組織，同時也能幫助教師監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和表現(xiàn)，及時調(diào)整教6a2bdcbb80adc74db2f7da80a30edc93aec4cafc248d6829951c0d24e1020b65學(xué)策略和方法。三是注重對學(xué)生實(shí)踐能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。除了傳授理論知識，課程還應(yīng)該注重實(shí)踐操作和項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生通過實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)活動來鞏固所學(xué)知識，并培養(yǎng)他們解決問題和創(chuàng)新思維的能力[4]。

在運(yùn)用CDIO模式過程中，需要精心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，可將其分為兩個階段。在“教師引導(dǎo)性項(xiàng)目學(xué)習(xí)階段”，教師需設(shè)定具體的工程項(xiàng)目任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識和技能，幫助學(xué)生建立起單片機(jī)系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)，并通過實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行過程，深入理解工程項(xiàng)目的全過程[5]。在“學(xué)生自主式項(xiàng)目實(shí)施階段”，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的單片機(jī)系統(tǒng)知識和操作技能，讓學(xué)生自主選擇并實(shí)施工程項(xiàng)目，為學(xué)生提供必要的資源和幫助，并監(jiān)督和評估學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施情況。為滿足單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)要求，教師可以選擇與現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)的實(shí)際案例，以“智能家居系統(tǒng)”為例，智能家居系統(tǒng)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且所運(yùn)用的知識涵蓋單片機(jī)原理及應(yīng)用課程基礎(chǔ)與實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容，通過對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試，讓學(xué)生全面了解單片機(jī)的應(yīng)用原理和工程實(shí)踐過程。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)并應(yīng)用單片機(jī)的編程知識、電路設(shè)計(jì)知識和傳感器應(yīng)用知識進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)的調(diào)試和優(yōu)化，從而全面提升他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3.2 結(jié)合CDIO模式，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

3.2.1 構(gòu)思階段

在這個階段，教師和學(xué)生共同探討和制定項(xiàng)目的開發(fā)方案，可將學(xué)生分組進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，在教師幫助下完成項(xiàng)目構(gòu)思，確保項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施符合課程的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)要求。對此，教師需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)際水平，合理設(shè)定項(xiàng)目的難度和挑戰(zhàn)度，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。同時，教師要幫助學(xué)生分析項(xiàng)目的需求，明確項(xiàng)目的功能、特性、基本框架和核心功能，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何從用戶需求和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際情況的解決方案，合理分配項(xiàng)目所需的人力、物力和時間資源，確保項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行和完成。最終，引導(dǎo)學(xué)生制定項(xiàng)目的開發(fā)方案，包括項(xiàng)目的整體架構(gòu)、功能模塊劃分、實(shí)施計(jì)劃和評估標(biāo)準(zhǔn)等，教師可通過項(xiàng)目評審等方式，對項(xiàng)目開發(fā)方案進(jìn)行評審和審查，確保方案的科學(xué)性和可行性，并根據(jù)評審結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化。

3.2.2 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，學(xué)生需要對所涉及的理論知識進(jìn)行全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和理解，如單片機(jī)系統(tǒng)的基本原理、硬件組成、編程技術(shù)等方面的知識，并利用所學(xué)的知識，借助于先進(jìn)的軟件工具進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。例如，Proteus和Keil C軟件是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要工具。Proteus用于進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)與仿真，而Keil C則用于編寫單片機(jī)的軟件程序。在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生需要將項(xiàng)目的需求轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計(jì)方案，如電路圖的繪制、軟件代碼的編寫等，在這一過程中，學(xué)生要學(xué)會將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，并掌握使用軟件工具進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的技能。隨后，學(xué)生要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，模擬項(xiàng)目的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，確保設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。在此過程中，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修改和完善，通過與組內(nèi)成員和教師的交流和討論，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使其更加符合項(xiàng)目的需求和要求。此外，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，觀看在線課程、教學(xué)視頻、電子課件等學(xué)習(xí)資料，解決其中的難點(diǎn)問題。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的支持，學(xué)生能夠更加便捷地獲取知識，加強(qiáng)與教師和同學(xué)的互動交流，提高學(xué)習(xí)的效率和質(zhì)量。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)階段

在開始之前，項(xiàng)目小組要根據(jù)在構(gòu)思和設(shè)計(jì)階段形成的項(xiàng)目開發(fā)方案，采用Proteus + Keil C等軟件工具進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生需要編寫相應(yīng)的代碼，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需的各種功能，并將設(shè)計(jì)好的電路圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際的硬件電路，這一過程涉及焊接過程或PCB板的制作，學(xué)生需要按照設(shè)計(jì)圖紙和電路原理圖，逐步完成電路的組裝和連接。

在實(shí)現(xiàn)階段，學(xué)生要完成硬件調(diào)試和軟件燒錄兩個關(guān)鍵任務(wù)。首先，他們要對所制作的硬件電路進(jìn)行調(diào)試，利用電子測試儀器和調(diào)試工具，逐步排查可能存在的問題，并解決這些問題，以確保電路按照設(shè)計(jì)要求正常工作，需要學(xué)生具備良好的問題分析和解決能力，以及熟練的操作技能。其次，學(xué)生將使用Keil C軟件中生成的HEX文件將軟件燒錄到單片機(jī)芯片中，進(jìn)行項(xiàng)目軟件與硬件聯(lián)合調(diào)試，確保整個系統(tǒng)能夠正常工作。在此過程中，學(xué)生需要仔細(xì)檢查每一個功能模塊，確保其性能和功能都符合預(yù)期。實(shí)現(xiàn)階段是單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中至關(guān)重要的一環(huán)，它不僅是將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際項(xiàng)目成果的關(guān)鍵，也是提高學(xué)生提高工程實(shí)踐能力和問題解決能力的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語

在當(dāng)前社會背景下，科技創(chuàng)新已成為國家發(fā)展的重要動力，工程人才的培養(yǎng)尤為重要。因此，推進(jìn)工程教育的改革和創(chuàng)新，培養(yǎng)具有國際競爭力的高素質(zhì)工程人才，已成為當(dāng)務(wù)之急。CDIO模式作為一種以學(xué)生為中心、注重實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，為工程教育的改革和創(chuàng)新提供了新的思路和方法。在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革中，借鑒并實(shí)踐CDIO模式，可以提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，增強(qiáng)其工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作意識，從而更好地適應(yīng)未來工程技術(shù)發(fā)展的需要。

基金項(xiàng)目：鄭州西亞斯學(xué)院應(yīng)用型本科高校建設(shè)專項(xiàng)課題“應(yīng)用型課程教學(xué)模式改革的研究與實(shí)踐”（2022YYXZX10）；河南省教育廳河南省本科高校2023年度產(chǎn)教融合研究項(xiàng)目“產(chǎn)教融合視域下的人工智能專業(yè)集群教學(xué)育人模式創(chuàng)新研究與實(shí)踐（重點(diǎn)項(xiàng)目）”（20240110）。

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