基于CDIO模式的“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程探究

高宇鵬，任 福

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

CDIO的教育理念是2000年10月由瑞典皇家工學(xué)院、麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)組建的一種工程教育改革模式[1]。C（Conceive）構(gòu)思，是CDIO的第一個(gè)階段，主要作用是確定客戶的需求、技術(shù)支撐、企業(yè)規(guī)章制度和企業(yè)戰(zhàn)略等部分。D（Design）設(shè)計(jì)，是CDIO的第二個(gè)階段，主要作用是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工程計(jì)劃、草案、圖紙的設(shè)計(jì)和具體實(shí)施方案等。I（Implement）實(shí)現(xiàn)，是CDIO的第三個(gè)階段，主要作用是實(shí)現(xiàn)第二階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程。O（Operate）運(yùn)作，是CDIO的第四個(gè)階段，主要作用是使用第三階段的產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期的效果。

將CDIO工程教育模式引入課程教學(xué)中，把課程中的理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，從而使學(xué)生具備較強(qiáng)理論基礎(chǔ)和實(shí)操能力，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型和創(chuàng)新性人才的需求。

1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。該課程具有很強(qiáng)的專業(yè)實(shí)踐特性與綜合性，知識(shí)覆蓋面廣，涉及數(shù)字邏輯電路、模擬電子技術(shù)、組成原理、微機(jī)原理、C語(yǔ)言和Linux操作系統(tǒng)等軟件和硬件知識(shí)，是體現(xiàn)學(xué)生就業(yè)能力的一門非常重要的課程。目前的工業(yè)控制系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、終端設(shè)備的應(yīng)用都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)的理論與實(shí)踐知識(shí)。

但是目前以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的高校，該課程的教學(xué)大綱中學(xué)時(shí)分配多數(shù)為理論課程48學(xué)時(shí)實(shí)踐課程24學(xué)時(shí)，或理論課程48學(xué)時(shí)實(shí)踐課程16學(xué)時(shí)。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式導(dǎo)致教學(xué)大綱中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容多而學(xué)時(shí)少，學(xué)習(xí)的面廣而深度不夠，理論知識(shí)講解的多而實(shí)踐知識(shí)操作的少等問(wèn)題，學(xué)生只學(xué)到了皮毛知識(shí)，對(duì)知識(shí)的理解似懂非懂，進(jìn)而失去對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)興趣，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，與培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)背道而馳。

采用CDIO工程教育模式，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教材等方面進(jìn)行改革，從傳統(tǒng)的以教師為主體的思想轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的理念，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式為主[2]，使學(xué)生不僅能掌握基本理論知識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力，達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

2 CDIO模式下課程教學(xué)改革

CDIO工程教育模式是構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作4個(gè)部分，本文在“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程中實(shí)施CDIO模式的改革，以理論課48學(xué)時(shí)實(shí)踐課24學(xué)時(shí)為例，主要思路為對(duì)教學(xué)大綱和進(jìn)行重新構(gòu)思，對(duì)理論內(nèi)容和實(shí)踐內(nèi)容的知識(shí)體系和學(xué)時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用授課教師與企業(yè)導(dǎo)師相結(jié)合實(shí)現(xiàn)課程的授課，通過(guò)企業(yè)實(shí)習(xí)和學(xué)科競(jìng)賽等方式對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)。主要從5個(gè)部分詳細(xì)闡述。

2.1 理論內(nèi)容結(jié)構(gòu)重組

“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程在理論內(nèi)容的重組中，以項(xiàng)目化管理教學(xué)為總體框架，學(xué)生學(xué)習(xí)完本門課程后，最終需要完成“基于嵌入式系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)”的項(xiàng)目。教材選取王劍編寫的《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》[3]，課程教學(xué)中將該教材的內(nèi)容以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式重組為8個(gè)子項(xiàng)目，分別為定時(shí)控制、中斷控制、bootloader開(kāi)發(fā)、內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)制作、聲卡和攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、QT界面開(kāi)發(fā)和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。教學(xué)大綱的撰寫中，8個(gè)子項(xiàng)目的學(xué)時(shí)分配為定時(shí)控制6學(xué)時(shí)、中斷控制4學(xué)時(shí)、bootloader開(kāi)發(fā)4學(xué)時(shí)、內(nèi)核移植6學(xué)時(shí)、根文件系統(tǒng)制作6學(xué)時(shí)、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)10學(xué)時(shí)、QT界面開(kāi)發(fā)6學(xué)時(shí)和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)6學(xué)時(shí)開(kāi)發(fā)。每個(gè)子項(xiàng)目在完成內(nèi)容授課后，都需要以相應(yīng)的項(xiàng)目考核管理驗(yàn)證理論知識(shí)的掌握情況。

2.2 實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目化

實(shí)踐教學(xué)模式依托理論課程的教學(xué)，基于CDIO模式的“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)也以項(xiàng)目化模式劃分，將實(shí)踐教學(xué)的24學(xué)時(shí)分為9個(gè)子項(xiàng)目，分別為定時(shí)控制子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、中斷控制子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、bootloader開(kāi)發(fā)子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、內(nèi)核移植子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、根文件系統(tǒng)制作子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)子項(xiàng)目（2學(xué)時(shí)）、QT界面開(kāi)發(fā)子項(xiàng)目（3學(xué)時(shí)）、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)子項(xiàng)目（3學(xué)時(shí)）和綜合項(xiàng)目集成開(kāi)發(fā)（6學(xué)時(shí)）。理論課程每個(gè)子項(xiàng)目在完成內(nèi)容授課后，需要完成一個(gè)對(duì)應(yīng)實(shí)踐教學(xué)的子項(xiàng)目。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，采用分組形式完成每個(gè)實(shí)踐子項(xiàng)目，并采用答辯的方式進(jìn)行子項(xiàng)目的考核，除了注重學(xué)生實(shí)操能力外，還培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合應(yīng)變等能力，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。實(shí)踐教學(xué)中最后的子項(xiàng)目為綜合項(xiàng)目集成開(kāi)發(fā)，這部分的教學(xué)采用高效教師授課與企業(yè)導(dǎo)師授課有機(jī)結(jié)合，將企業(yè)中高效的項(xiàng)目化管理方式引入課堂，為學(xué)生在步入社會(huì)前搭建一座橋梁，避免在畢業(yè)后學(xué)生所學(xué)知識(shí)與就業(yè)單位需求嚴(yán)重脫軌。

2.3 有效利用第二課堂

高校在人才培養(yǎng)方案的制定中，要有效的利用學(xué)生的第二課堂（課外時(shí)間），多數(shù)高校中，學(xué)生的課外時(shí)間往往是課堂時(shí)間的3倍甚至更多，讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握教學(xué)大綱中規(guī)定的內(nèi)容，僅僅靠課堂的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。以“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程為例，在48學(xué)時(shí)內(nèi)完成上述理論內(nèi)容的8個(gè)子項(xiàng)目和在24學(xué)時(shí)內(nèi)完成上述實(shí)踐內(nèi)容的9個(gè)子項(xiàng)目是無(wú)比艱難的。為了保證CDIO模式在該課程中有效的實(shí)施，每個(gè)理論內(nèi)容或者實(shí)踐內(nèi)容子項(xiàng)目的完成，都需要課內(nèi)的學(xué)時(shí)和至少2倍的課外學(xué)時(shí)相結(jié)合（舉例：理論內(nèi)容中的定時(shí)控制子項(xiàng)目需要6學(xué)時(shí)，則第二課堂需要12學(xué)時(shí)，共需要18學(xué)時(shí)）。“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程一般安排在大三年級(jí)的下學(xué)期或者是大四年級(jí)的上學(xué)期，學(xué)生的第二課堂時(shí)間較多，因此在該課程中采用課內(nèi)學(xué)時(shí)和至少2倍的課外學(xué)時(shí)相結(jié)合較為合理。學(xué)生在第二課堂中的學(xué)習(xí)方式主要以團(tuán)隊(duì)合作討論為主，選取一名同學(xué)為組長(zhǎng)，由組長(zhǎng)完成任務(wù)的安排與部署，提高團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.4 企業(yè)導(dǎo)師引入課堂

目前，高校學(xué)生的專業(yè)技能往往比企業(yè)中需求的能力落后一個(gè)層次，要縮小高校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的差距，就需要尋求校企合作，使企業(yè)走進(jìn)高校或者高校步入企業(yè)[5]。“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程采用企業(yè)導(dǎo)師走進(jìn)高校課堂方式，在實(shí)踐教學(xué)中綜合項(xiàng)目集成開(kāi)發(fā)的18學(xué)時(shí)（課內(nèi)6學(xué)時(shí)，第二課堂12學(xué)時(shí)）采取企業(yè)導(dǎo)師的項(xiàng)目化管理為主，高校教師輔助教學(xué)，完成實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的最后一部分。“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程最終需要學(xué)生完成“基于嵌入式系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)，并以畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯的模式實(shí)施考核，檢驗(yàn)學(xué)生在CDIO工程教育模式下對(duì)該課程的掌握情況。答辯過(guò)程中需要高校教師與企業(yè)導(dǎo)師共同參與。

2.5 培養(yǎng)創(chuàng)新能力

基于CDIO理念的“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)，由傳統(tǒng)的以教師為主體方式變成了以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的模式。要求學(xué)生用更多的時(shí)間進(jìn)行課程知識(shí)的理解、問(wèn)題的提出、問(wèn)題的探索、問(wèn)題的分析和解決，而這正是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的過(guò)程。尤其在實(shí)踐教學(xué)的環(huán)節(jié)，采用項(xiàng)目化教學(xué)管理，每個(gè)學(xué)習(xí)小組需要獨(dú)立完成各個(gè)子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，是有效培養(yǎng)學(xué)生思考能力和創(chuàng)新能力的重要階段。學(xué)生所學(xué)知識(shí)最終需要在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。而讓學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和各類國(guó)家級(jí)競(jìng)賽或進(jìn)企業(yè)實(shí)習(xí)也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和檢驗(yàn)學(xué)生綜合素質(zhì)能力的最好平臺(tái)之一。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，引入CDIO工程教育模式，從教學(xué)大綱、理論教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教材等方面進(jìn)行改革，采用項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式，將理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化；采用課內(nèi)學(xué)時(shí)與第二課堂相結(jié)合，有效的加大了課程的學(xué)時(shí)量；建立校企合作，引入企業(yè)導(dǎo)師，縮小學(xué)生具備的專業(yè)技能與企業(yè)需求能力的差距；參加各類國(guó)家級(jí)競(jìng)賽，檢驗(yàn)學(xué)生在CDIO的教育模式下對(duì)知識(shí)的掌握情況；從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程應(yīng)用能力，最終達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。進(jìn)一步探索CDIO工程教育模式，進(jìn)行“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”的教學(xué)方法改革和考試改革是今后研究的重心。

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