基于CDIO教育模式的微处理器课程教学改革研究

张银行

[摘 要]为了应对新一轮科技革命对创新工程人才的需求，将CDIO工程教育理念应用到教学中是培养高层次工程型、应用型人才的重要举措之一。课题组对CDIO模式下微处理器课程教学需要解决的关键问题进行了深入的讨论与总结，最后探究了CDIO模式下提高微处理器课程教学质量的措施，对实践CDIO教育模式的其他课程同样具有一定的参考价值。

[关键词]创新;工程教育; CDIO;微处理器

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0083-03

随着科技的不断进步，科技知识的内容、社会对科技人才的需求都在不断发生变化，这对学校教育的内容、教育的质量提出了越来越高的要求。CDIO是指构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以培养应用型人才为主要目标，以产品研发至产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程知识。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势。微处理器课程主要包括微机原理与接口技术、单片机原理与接口技术、ARM技术原理与应用、DSP技术原理与应用4门子课程。以微处理器为核心构成的系统广泛应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、智能家用电器等领域。微处理器课程教学目的为：使学生系统掌握各种不同处理器的体系结构、中断系统、接口技术和应用系统的设计方法，掌握智能化产品的开发方法。作为电子信息科学与技术专业的主干课程，微处理器课程对实践性要求非常高。按照CDIO教育理念开展的微处理器课程实践教学将有助于提高学生的工程实践能力和工程创新能力。

一、CDIO工程教育模式

CDIO工程教育是麻省理工学院、瑞典皇家理工学院、查尔摩斯工业大学和林雪平大学，从2000年开始经过4年的实践共同探索创立的，并以CDIO为名成立了国际合作组织。CDIO工程教育理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，而且还系统地提出了可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准[1]。CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的最新成果，它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的抽象表述。国内外众多知名高校已全面按照CDIO的工程教育理念来展开教学，并取得了显著效果，以CDIO模式培养的学生深受社会的欢迎。

CDIO包括了三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。1个愿景是指为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的“构思—设计—实现—运行”过程的背景环境基础上的工程教育[2-3]。1个大纲首次将工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力以逐级细化的方式表达出来，使工程教育具有更加明确的方向性、系统性。12条标准对整个模式的实施和体验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革更加具体化，可操作、可测量，对学生和教师都具有重要的指导意义。

二、CDIO模式下微處理器课程教学需要解决的关键问题

（一）教师CDIO工程实践教学能力问题

CDIO是教育理论与工程实践的有机结合，把系统的构思、设计、实施和运作作为工程教育的背景，而非简单地进行理论教学、实验教学，它要求教师具备能够采用处理器进行产品开发的能力。目前高校中普遍存在“重科研，轻教学”的现象，高校衡量人才的标准是SCI论文发表的篇数，而非教师的教学能力。因此，在这种背景下，很多高校教师重SCI论文的发表，轻教学，被动地参与教学改革，更无暇从事产品开发，因此在CDIO模式的微处理器课程教学中，教师的CDIO能力面临严峻的挑战。

（二）CDIO教学模式下的微处理器课程教材改革问题

我校微处理器课程包括微机原理与接口技术、单片机原理与接口技术、ARM技术原理与应用、DSP技术原理与应用4门子课程，选用的理论教材全部属于国家重点院校编写的精品教材。这四门子课程不同的地方在于处理器的体系结构不同，但是处理器与外围设备接口扩展的方法完全相同。四门处理器课程的理论教材相互独立，缺乏关联性、互补性，导致多本教材出现同样的内容。另外，理论教材普遍缺少工程设计的内容，不符合CDIO教育理念。

实验教材都是由实验设备厂商出版，且与实验设备相配套。由于实验设备选自不同的厂商，导致实验教材的质量差别较大，且存在部分重复的实验内容。如微机原理与接口技术实验教材中有直流电机实验内容，在ARM技术原理与应用实验教材中同样也有直流电机实验内容，不同的地方就是处理器不同，一个是8086处理器，一个是S3C2410处理器。有些教师在指导学生做实验的时候，完全按照实验教材让学生重复做相同的实验内容，浪费了人力物力。因此，迫切需要进行微处理器课程的教材改革，特别是实验教材的改革。

（三）CDIO教学模式与MOOC课程、翻转课堂等在线开放学习平台的深度融合问题

受在线开放教育潮流的影响，工程教育的教与学都在发生深刻的变化。MOOC课程和翻转课堂都是互联网的产物，都拓展了教学时空，扩大了优质资源的受益面，引发教师角色、课程模式、管理模式的变革[4]。这样的背景下，学生可不限时间、不限地点进行学习。学生主动操作，主动思考，老师线上、线下都能与学生互动，为学生答疑解惑。教师要利用现代信息化技术与CDIO工程教育理念进行深度融合，实现课上、课下多层次的新型教育模式。

（四）CDIO教学模式下微处理器课程与其他课程相互分离的问题

CDIO教学模式下微处理器课程应依据学生学习的不同阶段，开展不同层次的实践教学。CDIO理念是围绕项目来组织实验教学体系，遵循“由浅入深、循序渐进”的规律来规划和整合各类实验课程，构建由设计性实验、综合性实验和实际项目开发组成的多层次实践教学体系。一个实训产品的制作需要考虑本课程与其他课程之间的有机联系，以典型电子产品作为载体，实训内容要充分体现专业知识的综合性、递进性，对项目的设计方案进一步细化，能够体现多门课程的专业知识。如远程数据采集系统的设计中，包括了单片机与嵌入式系统、微机原理与接口技术、模拟电路、数字电路、C语言、自动控制原理、传感器技术、无线通信技术等一系列课程的知识，因此CDIO模式下必须解决微处理器课程要与其他课程之间相互分离的问题。

三、CDIO模式下提高微处理器课程教学质量的措施

（一）培养教师的工程项目研发能力

CDIO工程模式教学对教师的CDIO能力提出了较高的要求，迫切需要对教师的CDIO能力——以微处理器为核心进行产品开发的工程实践能力进行提升。可采取如下措施对教师工程实践能力、产品研发能力进行提高：（1）假期间，组织教师到企业参加培训，到企业挂职锻炼，参与企业的产品设计、生产活动;（2）教师在产品研发过程中，与企业界工程师们保持良好的合作关系;（3）把工程项目经验作为学校聘用教师和教师职称评审的条件;（4）直接聘请产品开发经验丰富的工程师到学校传经授教。

（二）加强微处理器课程项目体系建设

我们将CDIO项目分为共性实验（基础性）项目和开发性项目。共性实验如图1所示，主要包括微处理器的体系结构、指令系统及微处理器与单个开关、矩阵型开关、电机、D/A转换器、A/D转换器等扩展外围设备的方法。这都是学习每种处理器都必须掌握的基本知识，因此在最早开设处理器课程（微机原理与接口技术课程）的时候，我们就注意夯实基础。通过共性实验项目的实施，达到以下4个目的：（1）学生掌握微处理器的体系结构、中断系统;（2）学生掌握微处理器扩展简单外设的方法;（3）巩固大学二年级学习的模拟电路和数字电路等课程;（4）训练学生的C语言和汇编语言的编程能力。

鉴于学生在共性实验阶段已完全掌握微处理器与简单外围接口电路扩展的方法，因此学习单片机原理与接口技术、ARM技术原理与应用、DSP技术原理与应用等3门课程的时候，重点为利用所学的处理器进行项目开发[5]。选取的项目可以为曾经做过的实训项目，也可以为未做过的项目。图2所示为无线远程数据采集系统，通过该项目的实施，学生掌握以下3方面的本领：（1）市场需求分析，项目策划;（2）功能分析，方案对比，器件选择，画PCB板，焊接器件，测试产品;（3）对项目进行总结，找出产品外观方面存在的不足或功能方面存在的不足，改进产品外观，优化功能。学生完整地完成“构思—设计—实现—运作”的全部流程。在此过程中，学生不仅学到一些必要的专业知识，而且提高了更重要的应用能力和创新能力。如果每门微处理器课程的教学过程中都能实施两三个这样具体的项目，那么我们培养的学生一定能经得起社会的检验。

（三）组织学生开展创新设计

利用电子科技创新与竞赛工作室平台开展开放式实践教学，并组织学生参加学科竞赛。仅2017年我院就获第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛三等奖，全国大学生电子设计竞赛全国二等奖等多个奖项。我院申报了多项校级一般、校级重点、省级大学生研究性学习和创新性实验计划项目。项目成员组成负责创新性项目的实施，教师秉持“学生为主导，教师为辅”的原则，对项目的实施方案把关，提供技术性的指导，对学生购买的电子器件进行审查。项目经费完全由学生支配，老师负责监督，但无权支配项目经费。通过2年左右的时间进行CDIO项目训练，学生可申报校级大学生科研项目，依据项目的需要独立地开展研究，学习新方法、新理论，进一步提高自己的工程实践能力。

（四）与企业深度合作

在CDIO工程教育中企业起着独特的，学校无法替代的作用[6]。企业工程师处在项目开发的最前沿，因此CDIO模式下的微处理器课程教学需要与企业深度合作。依据学生的知识储备、创新能力的不同，分别在实践教学周、实习期、毕业设计3个阶段与企业开展不同模式的合作。

在实践教学周，为了提高ARM技术原理与应用实践课的质量，我院聘请广州粤嵌通信科技股份有限公司（简称粤嵌公司）的工程师到学校开展实训。粤嵌公司的高级工程师以体检、考驾照都需用的“色盲检测系统”为题开展实训，共分4个阶段实施。第一阶段包括：（1）项目需求介绍;（2）项目效果演示;（3）技术分析。第二阶段包括：（1）Linux环境下文件管理;（2）屏幕显示原理;（3）屏幕显示代码的编写。第三阶段包括：（1）图片文件格式解析;（2）Bmp图片文件的显示;（3）Jmp图片文件的显示;（4）随机文件的生成。第四阶段包括：（1）项目整体功能实现;（2）扩展功能及创新想法的实现。这4个阶段循序渐进，难度逐步加大。学生热情高涨地做项目，收获满满，教师发现了自己日常实践教学中存在的问题，实践最终获得学生与老师的双赢。

在学生实习阶段（我校学生实习时间一般安排在大四上半学期课程教学结束之后），安排学生到粤嵌公司、尚观嵌入式学院等从事智能化产品开发的企业实习。为了提高学生实习的质量，学校每年为企业提供2万元的实习经费，而企业必须制订实习计划，让学生参与实际项目的开发，并安排工程师加以指导。通过实习，让学生提前体会到必经的角色转换，接受职业文化特征的熏陶，体验到学习与工作的巨大差别，从而珍惜在学校的美好时光，增长才干，提高能力。

在毕业设计阶段，将以微处理器为核心器件开发的产品作为学生的毕业设计作品，并让学生在企業完成毕业设计工作。企业为学生创造了在实战化情境中从事产品开发的条件。与此同时，学生也为企业创造了利润。以这种方式开展的毕业设计，学生的社会竞争力显著提高，毕业时不会存在找不到工作的问题，企业也在学生做毕业设计的过程中发现自己需要的人才，会积极参与到微处理器课程的实践教学中，这样就从根本上解决了学校教育与企业人才需求脱节的问题[7]。

（五）定期开展项目交流活动

对于创新性实验计划项目、科研型项目以小组合作的形式开展实施。在项目的实施过程中，每个月开展一次项目交流活动。项目组长介绍项目的构思、项目的进展、项目的难点、项目经验。教师、学生集中对项目进行点评。通过项目交流，各小组发现本小组存在的问题，而汲取其他组的经验。交流会结束后学生改进方法，加快进度。定期开展项目交流活动不仅有助于提高学生的项目开发能力，同时也锻炼了学生的沟通交流能力、语言表达能力。

（六）评价考核体系多元化

传统考核学生的方法中平时成绩占10%，实验成绩占20%，期末考试成绩占70%。传统的评价体系只能考查学生对微处理器硬件资源掌握的熟练程度，无法对学生以微处理器为核心进行工程项目设计的能力、创新能力进行考查。基于CDIO工程教育理念的教学应采取多元化的评价体系。应降低期末考试卷面成绩所占的比重，提高平时成绩所占的比重，并对学生做的实际产品进行评估[8]。对于期末试卷，应该降低识记内容占试卷的比重，增加理解知识、应用知识的比重。对平时成绩可采取作业、课堂回答问题、产品案例分析等形式进行考核。对实际产品的评估可用产品功能演示、产品包装、市场需求、产品说明书的书写等进行考核。对学生的评价群体不能只包括任课老师，还应包括企业的工程师。任课教师负责对平时成绩、考试成绩的评价。企业的工程师对学生做的实物、产品进行评价，因为他们对此项最有发言权。

四、结束语

在微处理器课程教学中深入贯彻CDIO工程教育理念改变了传统教师满堂灌、学生满堂听的教育方式，充分调动了学生的积极性和主动性。通过实施CDIO工程教育，学生逐步掌握抽象理论知识与实际产品之间的联系，学生的自学能力、工程实践能力和创新能力得到了显著提高。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 顾佩华，胡文龙，陆小华.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

[2] 吴涛，吴福培，包能胜.知识探索导向的层次化教学方法研究与实践[J].高等工程教育研究，2018（1）：146-153.

[3] 胡克用，安康寿，周翔.基于CDIO模式的电子系统设计课程的教学改革与探索[J].高等理科教育，2017（3）：107-112.

[4] 曲大为，张鹏. 慕课与高等学校教学改革研究[J].当代教育科学，2015（5）：119-122.

[5] 解凯，盛琳阳，李桐. CDIO模式下嵌入式课程改革的探索[J].教育教学论坛，2018（1）：97-98.

[6] 蒋海云，温辉，金继承.创新型工科人才培养大链的构建及实践[J].现代大學教育，2018（3）：103-110.

[7] 袁野.基于 CDIO的工科类本科毕业设计制度改革研究[J].汕头大学学报（自然科学版），2017（4）：74-80.

[8] 殷旭，胡景繁，张红.基于 CDIO 教育模式学生学习评估方法的探索[J].高教论坛，2010（2）：24-25.

[责任编辑：钟 岚]