基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)課程改革實(shí)踐

楊偉力 李偉民 楊盛毅

摘 要 嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的計算機(jī)、儀器儀表、自動化類專業(yè)課。市場對嵌入式技術(shù)人才的巨大需求，許多高校相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程。本文分析了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)及問題，結(jié)合CDIO模式的項目驅(qū)動方式對嵌入式系統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)改革，提出了嵌入式系統(tǒng)的課程定位、目標(biāo)、課程體系以及教師講授與學(xué)生項目實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，將實(shí)踐環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 CDIO模式 嵌入式系統(tǒng) 課程改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.06.027

Abstract Embedded System is a comprehensive， strongly practical professional course of computer， instrument， automation major. Huge market demand for embedded technology talent， many universities have set up embedded system courses. This paper analyzed the characteristics and problems of current embedded system teaching mode， conducting teaching reform of embedded system combined CDIO project-driven approach. proposed curriculum position， target， curriculum system and combined teachers in the teaching and practice of student projects， integrating practice into classroom teaching and cultivating students' practical ability.

Key words CDIO mode； Embedded System； course reform

嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車電子、醫(yī)療儀器、信息家電、通信設(shè)備等領(lǐng)域，近年新興的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居等都是依托嵌入式技術(shù)發(fā)展起來的。市場對嵌入式人才的需求十分龐大，越來越多的高校在相關(guān)工科專業(yè)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程，并取得了一些開創(chuàng)性成果。

但是，由于嵌入式系統(tǒng)發(fā)展速度快、課程內(nèi)容覆蓋面廣、實(shí)踐性強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生入門較難，各高校講授內(nèi)容差異較大，各種教學(xué)問題凸顯。為更好地改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，貴州民族大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)在CDIO教學(xué)改革中對嵌入式系統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行一些嘗試與探索。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）四個英文單詞的縮寫，它是“做中學(xué)”和“基于項目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)。本次教改結(jié)合CDIO模式的項目驅(qū)動特點(diǎn)，對嵌入式系統(tǒng)的課程體系、師資力量、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗平臺、課堂模式等多方面進(jìn)行調(diào)整，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。

1 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)現(xiàn)狀及問題

嵌入式系統(tǒng)作為許多工科專業(yè)的專業(yè)選修課程，主要開設(shè)在大三下或大四上，課時一般是30～40學(xué)時；教學(xué)方式多為理論課程與實(shí)驗課程；教學(xué)內(nèi)容尚無統(tǒng)一規(guī)范，各高校的嵌入式系統(tǒng)課程，或注重概念性、基礎(chǔ)性的入門教學(xué)；或側(cè)重ARM體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)；或偏重嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux 或uC/OS-II為主講內(nèi)容；同時學(xué)生基礎(chǔ)差異大，有的是計算機(jī)專業(yè)，軟件知識扎實(shí)，但硬件知識缺乏，有的是自動化或儀器儀表專業(yè)，硬件知識學(xué)習(xí)的多，而軟件工程、操作系統(tǒng)方面的軟件知識缺乏。這些現(xiàn)狀使得在教學(xué)過程中產(chǎn)生了較多的問題，需要我們?nèi)ジ纳疲?/p>

（1）教師對嵌入式技術(shù)知識掌握不夠。高校教師普遍重理論、輕實(shí)踐，而嵌入式技術(shù)要求教師有較高的實(shí)踐研發(fā)水平；同時，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，老教師使用的嵌入式技術(shù)多還停留在8位單片機(jī)，沒有重新備課講授較新的嵌入式相關(guān)知識。而青年教師缺乏項目經(jīng)驗，嵌入式理論知識不夠扎實(shí)、實(shí)踐能力較弱。

（2）教學(xué)內(nèi)容陳舊。嵌入式技術(shù)是一種發(fā)展很快的應(yīng)用技術(shù)，而教材一般落后實(shí)用技術(shù)五年左右，這就導(dǎo)致嵌入式教學(xué)不能反映當(dāng)前市場廣泛使用的嵌入式技術(shù)，不滿足社會對嵌入式人才需求的培養(yǎng)。

（3）教學(xué)內(nèi)容多，而學(xué)時較少。嵌入式技術(shù)涉及多門學(xué)科，知識點(diǎn)繁雜，而且實(shí)驗項目耗時長。目前，高校嵌入式課程的學(xué)時一般為30～40小時，實(shí)驗學(xué)時一般為10小時。學(xué)時較少，教學(xué)無法覆蓋嵌入式系統(tǒng)的主要知識內(nèi)容。

（4）傳統(tǒng)教學(xué)方式課堂枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣小。傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)手段單一，多以課堂講解為主，知識概念抽象，學(xué)生缺乏實(shí)踐動手鍛煉。課余時間沒有實(shí)驗平臺以供學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效果不佳。

（5）沒有合適的實(shí)驗平臺。實(shí)驗平臺是學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗和項目開發(fā)的硬件平臺，實(shí)驗項目缺乏系統(tǒng)性，學(xué)生難以建立完整的嵌入式知識體系。并且由于嵌入式技術(shù)發(fā)展快，嵌入式實(shí)驗平臺使用時間一般只有5～10年。所以，應(yīng)該選擇當(dāng)前較新的嵌入式實(shí)驗平臺，并且教學(xué)內(nèi)容上以操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)為重點(diǎn)，這樣既保證實(shí)驗平臺能長久使用，同時符合市場對嵌入式軟件人才需求更大的現(xiàn)實(shí)情況。

（6）課堂缺少動手機(jī)會。雖然很多高校開設(shè)嵌入式實(shí)驗課，但是嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗或者項目步驟復(fù)雜，耗時長，僅開設(shè)十多小時的實(shí)驗課，學(xué)生難以完成規(guī)定實(shí)驗。嵌入式系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性實(shí)驗?zāi)K化嚴(yán)重，學(xué)生難以理解該實(shí)驗在嵌入式開發(fā)中的作用。所以，應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗中添加一些設(shè)計性、綜合性的大項目，讓學(xué)生能全局性的掌握嵌入式技術(shù)，在項目中學(xué)會解決問題的方法。同時，這些實(shí)驗項目學(xué)生不可能在規(guī)定學(xué)時內(nèi)完成，因此實(shí)驗平臺需要對學(xué)生開放，讓學(xué)生課余時間能夠在嵌入式實(shí)驗平臺上做實(shí)驗、做項目。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系建設(shè)與CDIO模式教改

嵌入式系統(tǒng)課程是一門市場需求迫切，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大的應(yīng)用型、綜合型課程。對其進(jìn)行基于CDIO模式教學(xué)改革不僅能使學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)、在項目中學(xué)習(xí)，而且符合了企業(yè)對嵌入式人才的技能需求。

2.1 師資隊伍建設(shè)

師資力量是嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)的基礎(chǔ)，師資力量從三個方面進(jìn)行加強(qiáng)：一是引進(jìn)具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又有較強(qiáng)的實(shí)際動手能力的從事嵌入式技術(shù)方向的碩士及博士；二是加強(qiáng)教師培訓(xùn)，挑選教師參加嵌入式教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)班，豐富教師的知識結(jié)構(gòu)，提高實(shí)踐能力；三是聯(lián)合嵌入式產(chǎn)品研發(fā)公司，定期聘請具有深厚嵌入式研發(fā)經(jīng)驗的研發(fā)人員介紹該公司產(chǎn)品，以及具體研發(fā)過程中需要注意的問題和所涉及的關(guān)鍵技術(shù)等。形成校企合作關(guān)系，讓優(yōu)秀的學(xué)生到公司實(shí)習(xí)。

2.2 課程體系及教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

嵌入式系統(tǒng)覆蓋知識面廣，要求學(xué)生具備嵌入式基礎(chǔ)知識，然后再學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)。因此，需要構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、課程間相互連接的課程體系。嵌入式的課程體系由專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、創(chuàng)新實(shí)踐課程三部分組成，專業(yè)基礎(chǔ)課程包括電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理、C/C++語言；專業(yè)課程包括單片機(jī)與接口技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、操作系統(tǒng)原理；創(chuàng)新實(shí)踐課程就是以教師講授與學(xué)生項目實(shí)踐同時進(jìn)行的嵌入式系統(tǒng)課程。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容需要結(jié)合目前市場的人才需求來進(jìn)行選擇。我系選擇以基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的三星S5PV210為微處理器，以Linux為操作系統(tǒng)，講授ARM架構(gòu)及匯編指令、Linux編程基礎(chǔ)、交叉編譯環(huán)境搭建、Bootloader分析及移植、Linux內(nèi)核分析及移植、根文件系統(tǒng)分析及移植、文件I/O及多線程編程、Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)、Qt應(yīng)用程序開發(fā)，其中重點(diǎn)講解是Linux用戶空間軟件開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)。同時，市面上大多數(shù)嵌入式教材內(nèi)容落后，因此，嵌入式系統(tǒng)課程不指定固定教材，而是以實(shí)訓(xùn)項目指導(dǎo)書為主，參考書為輔。

2.3 課堂模式改革

嵌入式系統(tǒng)將教師講授與學(xué)生項目實(shí)踐相結(jié)合，將項目驅(qū)動模式貫穿整個教學(xué)過程中。學(xué)生3～4人一組，開始階段為基礎(chǔ)類實(shí)訓(xùn)項目，后期階段為綜合性實(shí)訓(xùn)項目，最后由學(xué)生自主設(shè)計一個綜合性項目作為期末考查項目。學(xué)生成績以項目驗收方式考核。教學(xué)過程中實(shí)時跟進(jìn)每組實(shí)際情況，其中選擇優(yōu)秀的小組進(jìn)行PPT演示講解，期末進(jìn)行綜合性項目答辯，同時結(jié)合學(xué)生的課堂研討表現(xiàn)、作品實(shí)物演示效果、作品設(shè)計報告、答辯表現(xiàn)為依據(jù)，通過綜合評判給出課程成績，使成績能合理反映學(xué)生的工程實(shí)踐能力、技術(shù)寫作能力、口頭表達(dá)及人際交流能力。

教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式的改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提供更多動手實(shí)踐機(jī)會，讓學(xué)生邊做邊學(xué)，經(jīng)過多個項目的訓(xùn)練，養(yǎng)成較強(qiáng)的實(shí)踐能力，對嵌入式系統(tǒng)有較深入的理解。

3 結(jié)束語

對嵌入式技術(shù)人才的培養(yǎng)需要結(jié)合市場需求、課程特點(diǎn)、本校教學(xué)資源、學(xué)生實(shí)際情況等，對教學(xué)培養(yǎng)方案進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，設(shè)立專業(yè)方向，配套對應(yīng)的課程體系，不斷提高師資水平，特別是改革教學(xué)內(nèi)容及方式，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)。基于CDIO模式的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革，使學(xué)生動手能力得到提高，形成較為完備的嵌入式系統(tǒng)知識體系，具備一定的嵌入式實(shí)踐開發(fā)能力。

基金項目：貴州省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)改革工程項目《測控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項目》

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