“嵌入式系統”課程與CDIO教學模式改革的研究

摘要：為了適應業界對嵌入式系統工程人才的迫切需要，針對目前“嵌入式系統”課程存在的問題，討論了該課程的特點，并就卓越計劃中該課程在CDIO教育模式下的師資建設和課程群建設及教學方法改革進行了深入的探討和實踐，結果表明該改革與實踐能為“嵌入式系統”課程的CDIO教學改革提供一種新思路。

關鍵詞：卓越計劃；嵌入式系統；CDIO；教學改革

作者簡介：但永平（1976-），男，江西都昌人，中原工學院電子信息學院，講師；張五一（1955-），男，河南洛陽人，中原工學院電子信息學院，教授。（河南 鄭州 450007）

基金項目：本文系河南省重點教改項目“基于CDIO工程教學模式的大紡織類卓越工程師人才培養的研究與實踐”（項目編號：2012SJGLX02）、2012年度河南省高等學校（中原工學院自動化專業）“專業綜合改革試點”項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0060-03

為了促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國，我國提出了“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）。為了響應這一計劃很多學校提出了許多教改方法，CDIO[1，2]教學模式和我國的卓越計劃具有很多相同的思想。CDIO 是構思 （Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作 （Operate）四個英文單詞的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”[3] （Project Based Education and Learning）的集中概括和抽象表達。

嵌入式被廣泛地應用到工業控制系統、汽車電子、醫療儀器、信息家電、通信設備等眾多領域中，是典型的工程應用課程。業界對嵌入式系統的人才需求日益增加，因此，為了適應業界對人才培養的要求，越來越多的高校相關專業開始在本科、碩士培養計劃中開設嵌入式系統[4-6]方面的課程，并進行了有益的探索。但是由于嵌入式系統這個概念的提出及發展也是最近幾年的事，大家對嵌入式系統的認識還不統一，因此在具體的教學和實踐中各個學校的做法相差很大，沒有一個統一的標準。作為一個新興的課程，關于“嵌入式系統”課程體系、教材建設、教學方法、教學內容（包括硬件平臺與軟件平臺） 的選擇、實驗教學與實踐環節組織等問題依然處于爭論和探索階段。本文將在“嵌入式系統”課程的建設和基于該課程的CDIO教學模式的改革進行有益的探索與討論。

一、“嵌入式系統”的概念與課程特點

IEEE對嵌入式系統的定義：用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants。國內普遍認同的嵌入式系統定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。從該定義上來理解，上世紀70年代，英特爾研制出了4004微處理器開始，就應該有嵌入式系統應用了，后來又出現了單片機系統，DSP系統、ARM系統都是嵌入式系統。相比最近單片機系統，ARM系統可以被稱之為新一代的嵌入式系統。新嵌入式系統硬件上主要是性能上更先進，CPU從8位變成了32位系統，體系結構更優化，集成度更高，軟件商的區別在于有無操作系統支持。這兩個方面的發展，使新一代嵌入式系統的應用大大拓展了。

最近的智能手機、智能家電快速發展和ARM公司的宣傳和戰略使得ARM就使嵌入式系統深入人心，使得嵌入式系統好像就是ARM。由于單片機、DSP等嵌入式系統都有相對應的課程，因此本文的嵌入式系統主要是以ARM系統來討論?！扒度胧较到y”課程是一門綜合性課程，教學既涉及計算機結構、微機原理等硬件知識，又涉及操作系統、應用程序開發等軟件知識。該課程的教學覆蓋面大，從學科上涉及到電子科學與技術、計算機科學與技術、微電子學等眾多領域；在系統上涉及數字電路、模擬電路、嵌入式微處理器、嵌入式操作系統、底層驅動等技術。“嵌入式系統”課程是一門理論與實踐相結合的課程，特別注重學生工程實踐能力的培養。

二、目前的“嵌入式系統”課程教學現狀與存在的問題

目前很多高校的“嵌入式系統”課程設置和教學中存在很多問題，使得“嵌入式系統”課程的教學很難適應工程師的培養要求，主要表現：對該課程認識不夠，很多學校為了招生的需要只是在原來的課程中增加一門嵌入式課程，有的都沒有相應的試驗設備和實驗室支撐；沒有相應的教師隊伍，老教師不愿再教新的課程，新進教師研究理論的多，做實際工程的少，也很難進行有效的教學組織；學時設置不夠，大部分學校設置的是30學時，有限的課內學時，無法滿足實踐教學，尤其是綜合性、設計性實踐的需要；由于管理體制的原因，很多院校的實驗室并未完全開放，教師指導學生課外實踐的積極性沒有完全調動起來，課內安排的實驗更多的是為了配合課內理論教學的內容，一個實驗一個模塊，缺乏系統性，學生無法建立完整的系統概念；沒有合適的教材，雖然相關的書不少，但很難作為適用的教材；傳統的教學方法難以適應嵌入式課程教學的需要，嵌入式課程要求動手較多，綜合知識較多，傳統的教學使得學生根本無法掌握嵌入式系統的開發；課程群設置不合理，沒有很好的支撐課程體系；課程名字雖然是嵌入式系統，但上課內容各不相同，有的是單片機系統，有的是ARM7系統，有的是AM9系統，有的是ARM11系統，有的是MSP430系統，有的是CortexM3系統，沒有統一的標準。

三、“嵌入式系統”課程與CDIO教學改革探討

由于“嵌入式系統”課程是一門新的綜合性課程，業界對相關人才的需求又很迫切，因此“嵌入式系統”課程的建設和基于CDIO教學模式對卓越工程師計劃中的該課程教學改革就十分必要，下面從該課程相關的多個方面展開討論。

1.CDIO教學模式的師資隊伍建設

嵌入式是最近幾年才逐漸發展起來的新課程，教師的教學經驗普遍不足，師資隊伍的建設是CDIO教學模式的改革關鍵，是重中之重，有了符合CDIO模式的師資，就能順利展開基于該模式的教學改革和實際。沒有適應該模式的師資，一切改革都是空中樓閣，最后都會失敗。因此卓越計劃中“嵌入式系統”課程的CDIO教學模式的改革首先就是師資隊伍的建設，工科的許多教師沒有做過工程師沒有工程經驗，而在培養卓越工程師計劃中要求其培養出卓越工程師顯得十分可笑，由此可見畢業生滿足不了產業界要求的原因。師資隊伍的建設又包括三個部分：

（1）思想改革。首先教師要認識到CDIO教學模式的迫切性，拋棄多年傳統的教學模式與資料，對教師是嚴峻的挑戰。這將使教師重新學習，重新認識新的教學模式。沒有改革思想和對教育的新認識，也很難保證教學改革的進行，學校要認識工程教育的重要性，并進行支持。

（2）管理體制的改革。這需要相關的管理體制來保證從事教學改革教師的利益，包括考核體系、職稱評定體系。因為目前高校存在的普遍問題是過度考核科研，不重視教學，而科研又重視理論的科研，工程實踐的科研定位太低。如果沒有相應的管理體制來保證從事工程研究和工程教學相關的改革，進行改革的教師積極性得不到保證和肯定，最后一切的改革都會是流于形式，達不到目的，人才培養和卓越工程師計劃就是一紙空文。

（3）CDIO技能建設。“嵌入式系統”課程的CDIO教學過程中，教師工程能力達標是實施CDIO教學改革成敗的關鍵。既然教師應當擔任起幫助學生全面掌握知識、提升通用工程能力的責任，教師自身就要在這些能力方面率先垂范。目前大部分的教師技能難以適應CDIO教學模式的要求，而這只有通過學校與產業界的合作才能實現。不僅要派教師到產業界接受工程訓練和取得實際經驗，同時也要邀請產業界有經驗和熟悉理論的工程師到校兼職任教，使學生真正接觸到當代工程師的榜樣，也從他們那里學習真刀真槍的工程經驗和能力。

2.“嵌入式系統”課程群體系建設

“嵌入式系統”教學首先應從整體上認識與其他相關課程的密切關系，讓學生知道“嵌入式系統”課程是本專業課程群的一部分，是相關專業課的延續。孤立地講“嵌入式系統”課程，很容易給人造成嵌入式系統是新技術的錯覺，實際上它只是以前技術的延伸。“嵌入式系統”其實是一個課程群體系，僅孤立地討論“嵌入式系統”課程沒有意義，嵌入式系統技術是一個典型的多學科交叉產物，是電類專業技術的載體和核心基礎技術，其核心課程不但包括電路分析、模擬電路、數字電路、數字信號處理、微機原理、匯編語言、C語言等理論基礎課程，還包括單片機原理與應用、嵌入式系統原理與應用設計、數字信號處理器應用、新型微處理器（Cortex M3原理及應用）、操作系統與Linux原理等大嵌入式概念下課程群體系。這些“嵌入式系統”課程群體系內的課程既相互關聯，又有區別。有了這些課程群的建設，將復雜的“嵌入式系統”基礎知識分解，即將“嵌入式系統”基礎課程內容分成幾個教學部分，循序漸進地講授，最后到講“嵌入式系統”課程的時候就水到渠成了。這樣經過課程群的建設，“嵌入式系統”課程就具體為以ARM應用為中心的課程。

3.“嵌入式系統”課程教學內容與CDIO教學模式

（1）“嵌入式系統”課程教學內容的選擇。目前很多高校的“嵌入式系統”課程的教學內容各不相同，根據上面“嵌入式系統”課程群體系的建設，“嵌入式系統”課程其實就是以ARM應用為中心的課程。那么嵌入式課程到底該教什么內容呢？根據ARM公司產品最新的三大系列產品：Cortex-A高級應用系統、Cortex-R實時應用系列、Cortex-M微控制器系列，在工業界ARM公司使用最多的就是Cortex-A高級應用系統和Cortex-M微控制器系列。其實Cortex-M微控制器系列可以作為單片機系統的補充，設置新型微處理器比較合適，這樣高級應用系統就成了嵌入式課程的主要內容。那么是否就把Cortex-A的應用作為教學內容呢？通過教學實踐發現ARM9系列作為嵌入式課程的內容最為合適，因為從體系結構和開發模式來看和Cortex-A開發模式完全一致。因此大部分學校都選擇三星的ARM9芯片2410或2440作為嵌入式系統的學習實驗平臺。

這樣“嵌入式系統”課程教學內容可以概括為：硬件系統；體系結構；硬件系統的設計；開發環境的建立；BOOTloader的移植；linux操作系統的基本操作；linux操作系統的移植；linux驅動程序設計；linux應用程序設計；QT圖像界面的設計。從這些教學內容來看，30個學時完全不夠。根據教學實踐來看，最少60學時較為合適，并且分為兩個學期：第一學期，在學完單片機系統的基礎上學習ARM9系統的硬件系統，著重比較32位的ARM和8位CPU的不同、體系結構的區別和構成應用系統的區別。先不上操作系統，把它當做32位的單片機來學，理解硬件系統的組成，培養該體系結構下系統的啟動模式，理解硬件開發的環境，掌握內部硬件資源的基本原理和開發過程。第二學期，在硬件系統的基礎上著重基于linux操作系統的開發，包括linux開發和交叉編譯器環境的搭建、Bootloader的移植、linux操作系統的移植、linux驅動程序的開發、linux應用程序的開發、基于QT圖形界面的開發等。掌握了這些知識后，就會很容易地掌握新的芯片與操作系統。知道本質的東西后，無論以后再出現什么新的芯片與操作系統，都不難駕馭。

（2）“嵌入式系統”課程CDIO教學模式。教學內容確定后，那么這些內容該怎么教呢？該課程的特點是以工程應用為主，因此為了達到卓越工程師的培養目標，必須改變傳統的教學模式，改變教與學、教與做、做與學的脫節，把課堂搬進實驗室，不分別設置理論教學與實踐教學，邊講邊練，邊練邊學。對于“嵌入式系統”課程的教學采用CDIO的教學模式，以項目進行教學，將試卷考核的方式改為對項目的功能進行考核和對自己的項目進行答辯的方式。下面以中原工學院（以下簡稱“我?！保┑腃DIO教學模式為例說明。

對于第一學期的教學來說，首先以一個小項目為案例講明白項目的流程和設計方法，教會學生學習的方法，包括怎樣看數據手冊，怎樣搜索相關資源和理解這些系統，怎樣去開發這些資源，知道項目知識和其他課程知識的關聯。講完該案例后，設置不同的項目，該項目設計本課程的大部分知識點。如：采用S3C2410完成采集交流電的電壓和電流，通過LCD顯示，同時通過無線傳輸給另一個模塊。教師要講明白設計思路，采用ARM和單片機設計方案的不同和有什么優點。信號采集與傳輸是通用的知識，教師應對相關的知識進行梳理和講解。后階段教師主要是和大家討論并給予具體的指導，對中間出現的問題進行講解和分析，分析知識點之間的關聯以及這些知識點和其他相關學科知識的聯系。這樣學生就可以在做中學，學中做，最后完成并理解做項目的思想與方法，達到觸類旁通的學習效果。這一學期其實是一個承上啟下的過程，在經過CDIO模式的單片機教學后，主要是理解S3C2410的開發過程和內部資源的使用。

對于第二學期的教學來說，在硬件基礎上再設計幾個具體的項目，分組進行。例如：能夠具有QT圖形界面的溫度顯示，超過設定的溫度會啟動報警。理論講授時講明白該項目設計知識之間的聯系以及項目的知識點和其他知識的內在聯系：如完成該課題需要QT的圖形界面設計、linux下溫度傳感器的驅動程序的設計、linux的移植、bootloader的移植、linux開發環境的搭建、硬件系統的理解、溫度傳感器的選擇、溫度傳感器接口電路的設計、報警電路的設計、報警驅動程序的設計、操作系統的調度。然后就在老師指導下，討論—設計—實現，最后答辯，教師參與討論與指導，學生是主角，學中做，做中學，通過項目的完成不僅學習了這些知識點，還學會了這些知識之間的聯系及其設計方法。

實踐證明，經過兩個學期的學習與實踐，學生完全可以明白一個項目設計與實現的流程，并理解項目的設計與思路。為了加強實踐，曾經有人討論該課程要不要課程設計，其實從CDIO教學模式來看整個學習過程都是課程設計，根本沒必要設置專門的課程設計。

四、結論

“嵌入式系統”課程是近年來的一門熱門課程，在卓越計劃的教學中，應以CDIO 工程教育模式為指導，針對目前存在的問題，對師資建設和課程群建設教學模式進行了討論，最后以我校的嵌入式CDIO教學模式為例進行說明，實踐證明該課程的CDIO教學模式改革比傳統的教學更能鍛煉學生的工程實踐能力。

參考文獻：

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（責任編輯：王意琴）