基于CDIO理念的嵌入式系統教學探索

呂東澔， 朱佰成， 崔桂梅， 田 海

(內蒙古科技大學 信息工程學院， 內蒙古 包頭 014010)

0 引 言

面對“十三五”經濟社會發展新形勢新任務新要求，黨和國家做出實施人才優先發展的重大戰略決策。為了建設創新型國家和人才強國戰略，教育部提出了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在提高我國工程教育人才的培養質量。近年來國際工程教育改革也有了新成果——CDIO工程教育模式[1-3]，它將構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)貫穿在完整的項目周期中，通過“做中學”[4]的方式來培養高質量的創新型工程技術人才。

嵌入式系統的功能強、體積小、可靠性高，應用已經深入到工業、農業、軍工業以及日常生活的各個領域，相應的新興產業人才需求也變得高端化、多樣化。因此越來越多的高校開設了“嵌入式系統[5-6]”方面的課程。但我國嵌入式系統的發展處于初級階段，人才培養和教學并沒有形成一種適應社會需求的體系。

1 嵌入式系統課程特點

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[7-8]。

嵌入式系統課程的綜合性強，教育內容覆蓋面大，既要掌握單片機、C語言、數模電路與信號檢測等基礎課程，又要了解控制、網絡、機械等專業相關課程。

嵌入式系統課程注重實踐性，因為是面向應用進行軟硬件協同設計，無論是軟件編程還是硬件設計，都需要經過反復實踐與總結來完善系統性能指標[7]。

嵌入式系統課程具有一定的發展性，硬件的更新換代，軟件的推陳出新，用戶需求也逐漸變化，所以教學要跟進嵌入式研發，同步更新教授內容，從而適應市場的就業需求。

2 嵌入式系統課程教學現狀

嵌入式系統課程具有較強的綜合性、實踐性與發展性，從而教學難度增大，以致高校的課程設置難以滿足卓越工程師的培養標準，主要表現：

(1) 師資力量薄弱，老教師掌握技術落后，新教師偏重理論研究，缺乏實際項目經驗，實踐能力不足，難以組織高效的教學活動。

(2) 對課程的認知度低，教學無統一。有些高校僅為了招生需要而增設了嵌入式課程，但教學內容不同，配備的實驗平臺也沒有統一的標準。

(3) 傳統教學方法不能達到行業人才培養要求。嵌入式系統課程的理論與實踐結合性很強，需要大量的實驗環節輔助學習，而傳統教學方法偏重理論學習，無法滿足綜合性、設計性強的實踐環節，學生只會按照實驗指導書上的步驟驗證實驗，不能獨立思考原理，使得學生在這種機械化實驗中失去學習興趣。

因此，如何將CDIO模式完整的融合在嵌入式系統課程的教學方案中，強化培養學生的工程能力和創新能力，是教學中亟待解決的問題。

3 基于CDIO理念的嵌入式系統教學改革

針對嵌入式系統的課程特點與教學現狀，結合國外先進的CDIO教學模式，從師資、實驗設備與實踐教學3方面對嵌入式系統教學進行改革，如圖1所示。

3.1 師資隊伍建設

CDIO教學模式的改革關鍵就是師資隊伍建設。教師既要具備扎實的理論基礎，又要擁有豐富的實踐經驗，同時洞悉嵌入式技術發展的新動態，這樣才能進行基于CDIO工程教育理念的教學改革。

教師應該改變傳統的教學方法，重新學習新的教學模式。教師可以組成研發團隊，把項目引進學校，讓學生切身實際的參與項目的構思、設計、實現與運作。同時教師也了解到專業前沿的最新技術，從而有的放矢地去指導學生從事科研的技術研發。

圖1 基于CDIO工程教育模式的嵌入式課程改革

學校要選取實踐經驗不足的教師到研究院所或企業進行定期的進修學習，同時也要邀請經驗豐富的高級工程師到校兼職任教，讓學生接觸到真正的嵌入式工程。另外，學校也要制定相應的管理體制來保證教改教師的利益，包括考核體系、職稱評定體系。

3.2 嵌入式系統實驗室完善

CDIO工程教育模式的核心內容中關于實踐場所有統一的標準，作為科研與教學的重要場所，實驗室對培養應用型專業人才尤為重要[9]。所以開設嵌入式系統課程的高校必須配備專用的實驗室。

首先要改善實驗室的硬件環境，加強實驗室的整體規劃，合理配置資源，重視嵌入式技術的發展性，搭建先進實用的實驗平臺。可以引入Proteus軟件，它是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，集合PCB設計、電路仿真和虛擬模型仿真于一體的軟件設計平臺，豐富的器件庫與虛擬儀器，多樣的激勵源與CPU類型，幫助學生輕松地將產品概念變成完整的產品設計，極其適用于嵌入式軟件的教學與實踐。

另外，要深化管理體制改革，實施校院兩級實驗室建設，促進實驗室共享的激勵和保障機制，提升實驗室效益發揮，從而給予學生更多的實踐機會，有利于學生創新能力的培養。

3.3 實踐教學改革

實踐教學是創新人才培養的重要環節，對于嵌入式系統課程來說，意義尤為重大[10]。必須改變傳統的教學模式，將以教師為主的“聽中學”消極學習模式轉變為以學生為主的“做中學”主動學習模式[8]，為了避免教學與實踐的分離，不單獨設立理論課程，而是在實驗室中同步進行理論講授與實踐教學，使學生更高效地理解授課內容。

教學方法采用項目教學法[11-12]，既結合CDIO模式能力大綱[13-16]，選取有層次性的實際工程項目(見表1)，引導學生分析項目的構思、設計、實施和運作，讓學生以團隊的形式來完成“需求分析、系統設計、系統實現、系統測試與系統發布”等一般嵌入式開發的系列環節。

表1 結合CDIO工程教學目標的工程項目

圖2所示為學生制作的溫度控制系統，系統由熱電偶PT100檢測溫度數據傳送給STM32控制器，通過操控繼電器和伺服電動機來維持恒定溫度，由MCGS顯示屏實現實時顯示數據、數據保存與導出和控制按鈕等功能。這樣一個實際的項目既包括硬件電路設計和軟件程序編寫，又涉及伺服電動機控制和昆侖組態，項目的實用性能調動學生自主學習和研究的積極性，項目的復雜性可以鍛煉學生的團隊協作和系統分析能力，最終讓學生提交總結報告，用項目功能答辯的方式來考核學生的成績。

圖2 由學生制作的溫度控制系統圖

結合大學生實踐創新項目，鼓勵學生參加科技創新比賽，例如飛思卡爾智能車、機器人和電子設計大賽，見圖3。通過參加科技競賽，能鍛煉學生對實際問題進行整體項目設計的能力[15]，引導學生探究規律和致力創新，培養學生對問題的思考和解決能力，激發學習的主動性和創造性，提高學生的動手能力。

圖3 學生參加飛思卡爾智能車競賽

4 結 語

結合我國高校的實際情況，吸收國外先進的CDIO工程教育理念，依托我校嵌入式相關專業的人才培養試點，圍繞“做項目”的模式組織和展開教學，培養學生工程項目CDIO能力，理論與實踐有機結合，激發學生的學習興趣，積累了項目實踐經驗，培養了團隊合作精神，實現了應用型人才培養的整體目標。