基于CDIO理念的嵌入式系統開發課程的教與學

竇喬

摘? 要：分析了目前嵌入式系統課程存在的問題，結合嵌入式系統開發的流程和主線，以CDIO為教育理念，以項目為驅動，分別從課程內容設置、項目設計、教學模式和考核方式等方面，提出了課程改革的具體措施。從工程教育的角度，對課程項目進行了精心的設置;結合學生競賽和企業需求，制定課程實驗和教學案例;從學生角度出發，以學習產出為課程考核標準，制定了能夠激發學生學習興趣的考核方案，取得了很好的教學效果。

關鍵詞：CDIO;嵌入式系統;項目驅動;教學模式;課程改革

中圖分類號：TP36? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：This paper analyzes the existing problems in the embedded? system development course，combines the process and main line of embedded system development，takes CDIO as the educational concept and projects as the driver，and puts forward specific measures for curriculum reform from the aspects of course content setting，project design，teaching mode，assessment method，etc.From the angle of engineering education，the course projects are carefully set.Course experiments and teaching cases are developed according to the requirements of students' competitions and enterprises.From the perspective of students，taking learning outcomes as the course assessment standards，the assessment scheme has been developed to stimulate students' learning interest.Good teaching effects have been achieved.

Keywords：CDIO;embedded system;project-driven;mode of teaching;course reform

1? ?引言（Introduction）

2004年，ACM（美國計算機協會）和IEEE聯合制定了新版的計算機學科的課程體系（2004版），其中一個主要改革就是將“Embedded System”課程列為本科生的專業基礎課，并且給出了基本課程體系[1]。之后，國內各高校陸續將嵌入式相關課程納入培養方案中。我校于2005年開始開設嵌入式系統開發課程，并在之后開設了計算機專業的嵌入式軟件開發方向。目前隨著物聯網的不斷興起，業界對嵌入式人才的需求處于緊缺狀態，據華清遠見統計，2017年嵌入式人才缺口達到了80萬人左右，社會對嵌入式開發人員的需求日漸增長，但是畢業生缺乏實踐能力，結果導致出現許多單位招聘不到合適的開發人員的尷尬局面[2，3]，可以說人才的匱乏已經成為其發展的瓶頸，所以培養合格的嵌入式人才對行業的發展非常重要。同時，嵌入式系統開發與其他專業課不同之處在于它具有工程開發的整體思路，涵蓋了電子、通信、計算機，以及控制等各專業學科的知識，學生既要掌握嵌入式硬件的基本結構和功能，又要學會編寫驅動程序、移植操作系統，以及應用軟件的編寫，所以如何教好此類課程，需要正確的教學理念和方法，讓學生在理解什么是嵌入式系統的同時，又能很好地完成系統開發，而且最重要的就是培養學生獨立思考、深入研究問題的能力，以及實踐動手能力。

CDIO工程教育模式是2005年引入我國的一種新型人才培養模式，代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate），它以項目從研發到與運行的完整過程為載體，引導學生融入真實情景，主張以能力培養為目標，以任務驅動為教學模式，讓教和學都變得不再盲目[4]。嵌入式系統開發課程的教學目標為以嵌入式系統開發流程為主線，以“智能家居控制系統”真實項目為驅動，將各種能力培養融入教學各個環節中。

2? 傳統的教和學存在的問題（Problems with?traditional teaching and learning）

嵌入式系統開發課程采用的是課堂講授加實驗的教學模式，這種模式在教和學方面存在如下問題。

（1）知識灌輸型教學模式

傳統的教學方式大多采用的是知識灌輸方式，教師的教學目標就是盡全力將自身存儲的知識傳授給學生，但忽略了學生的接受能力，教學過程中缺少與學生的互動，不能調動學生的學習積極性，最后的教學效果適得其反。

（2）被動接受型學習模式

由于講授內容偏多，學生參與的機會比較少，大多時間是在被動接受知識，沒有明確的目標;課程設計中沒有好的方法吸引學生的注意力，學生的學習動力不足，導致學習興趣不高，學習效果不好。

3? CDIO模式的嵌入式系統課程的教與學（Teaching and learning of the embedded system course under CDIO mode）

引入CDIO教育理念后，課程從教學目標、課程內容、教學方法和考核方式等方面進行了梳理和修改。

3.1? ?教學目標

教學內容應該從教學目標出發，遵循CDIO強調的教學目標應與產業對學生素質和能力的要求掛鉤[5]，從專業能力、素質能力和工程能力幾個方面制定課程的總體培養目標及能力培養要求。

從專業能力方面要求學生掌握嵌入式系統的基本概念、原理、結構，掌握嵌入式系統軟件開發流程及開發流程中涉及的各種技術、軟件和工具的使用;掌握開發環境的搭建如BootLoader的移植、內核裁剪及移植、簡單驅動程序編寫，掌握嵌入式GUI、數據庫等上層應用程序的設計和編程。從素質能力方面培養學生的溝通和交流，以及團隊合作能力。項目設計及實施方面要求學生能夠自行完成小型嵌入式系統的設計及開發。表1列出了課程部分知識點對應的能力培養點。

3.2? ?教學內容

基于上述的教學目標，課程以ARM9微處理器和Linux系統為開發平臺，以嵌入式系統開發流程為主線，制定相關知識、實驗、案例和項目。課程的思維導圖如圖1所示。以三級項目“基于Qt的智能家居控制系統”為驅動，按照嵌入式系統開發的流程，將項目進行分解，從開始的編程基礎環境搭建，到開發環境搭建，再到驅動程序開發，到最后的基于Qt的上層應用開發，每一階段都有每一階段的目標，完成上一部分目標才能繼續下一部分，最后完成課程的既定項目。

3.3? ?以課程主線為依據的案例及實驗方案

為了激發學生的學習興趣，課程盡量減少理論講解，而把理論知識融入案例和實驗中，讓學生在“做中學”。除了一些小的知識點的案例外，針對每次實驗任務，提前將實驗中涉及的知識用案例形式在理論課堂上完成，減少實驗課上的理論知識講解。

實驗是本門課程最重要的一個環節，受限于大綱的要求，課程實驗學時設置為10學時，即五次實驗課程。設置了交叉編譯、Kernel移植、LED驅動、Qt移植，以及最后三級項目調試等實驗項目。這五次實驗貫穿了課程主線，層層遞進的方式將嵌入式系統的開發環境、運行環境搭建起來，從而完成最后的三級項目。

案例中設置基本的理論知識講解和針對理論知識設置的實踐操作步驟。實驗有相應的實驗指導書，學生按照課堂上的講解，由教師明確實驗任務后，即可自行完成實驗。通過案例和實驗的設置，教師只需在課堂上對重要知識點進行講解，在學生完成案例和實驗過程中加以指導和啟發即可，充分發揮學生的自主能動性，真正做到“做中學”。課程的案例及實驗設計如圖2所示。

3.4? ?考核方法

考核方式對一門課程來說非常的重要，決定了學生對待此門課程的態度，合理的考核方式能夠激起學生的學習興趣，從而達到理想的教學效果。課程之前采用的考核方式為閉卷筆試，考查的只是學生對知識點的掌握情況，并沒有很好的考查學生對知識體系的整體掌握情況，無法衡量學生對工程概念的理解程度和能力達成情況。引入CDIO教學理念后，形成了多樣化、多層次、多維度的考核方案。

（1）多維度、多視角的考核方式

根據課程教學目標和課程內容的設置，從多個方面和多個角度來考查學生學習情況。三級項目的考核作為課程的終結性考核，是考查學生本門課程學習情況的最重要的一環，也是考查學生能力提升的重要途徑。三級項目從系統設計、項目劃分、階段成果、項目創新性、項目答辯，以及項目報告六個方面來考查學生完成情況;課程實驗貫穿于整個課程，會從實驗預習、實驗過程、實驗結果及實驗報告四個方面來進行考核;案例是輔助課程項目及實驗的重要手段，會在課程進行過程中隨堂考核;為了提高學生自學能力，布置課下自學任務，要求學生自行查閱資料并獨立完成任務，并通過報告和回答問題等方式進行考核。

（2）可量化的能力考核

CDIO提倡能力達成情況。表2列出的是每項考核能力在考核內容中所占的比例分值。具體的考核情況會細化到每項考核的考核指標當中，每個學生會有一個自己的能力考核表，并根據考核情況計算出能力達成度。

（3）階梯式題目設置

學生不同的個體在思維方法和知識背景上都會存在不同的差異，這種差異使學生具有不同的思維過程[6]。學生對課程的內容掌握程序也會有差異，所以在教學和考核過程中也要有側重。比如課程項目題目要求會根據學生水平設置基礎版和進階版，每個版本設置最低要求，分數也會有所不同，學生可根據自身情況選擇完成哪個版本。最后考核分為項目報告和答辯成績兩部分。報告中設置項目的背景分析、功能描述、體系結構、開發流程、程序流程和運行截圖等;答辯采用自述PPT的公開答辯方式，由學生自述、項目演示和回答問題三個部分。這種方式很好地展示學生對課程內容的整體把握情況，對知識體系的理解情況，并且也鍛煉了學生的表述及臨場應變能力，也能對其他同學起到啟發和激勵作用，對學習效果的提升有很好的幫助。

（4）激勵式的創新鼓勵

實踐證明，任何的言語激勵都不如給學生比較實惠的激勵政策，比如鼓勵創新。通過設置一定的創新激勵分數，在每個案例、實驗及項目的實施過程中，給學生加以提示，鼓勵學生通過自行查找問題的其他解決辦法或者對原有問題進行深一步的探索，并在分數上給予鼓勵，學生會非常愿意嘗試，以此養成學生創新的慣性思維。

4? ?教學改革成果（Achievements of teaching reform）

經過CDIO改革后，課程教學效果得到了很大提升，形成了比較完整的教學體系和資料。經過本門課程的學習，再結合其他課程的內容，學生可以在很多方面提升自己，包括課程項目、大創項目、學生競賽、畢業設計和就業等。比如學生申報國家級大創項目“有機蔬菜溯源系統”“水田水量監測監控系統”“智能蔬菜大棚”“室內空間質量檢測及控制系統”等;也參加“博創杯”“賽佰特杯”“iCAN”等比賽，最重要的是，學生學會了如何設計、實施、運行一個簡單的嵌入式系統，為后面的就業做好了初步的準備。

5? ?結論（Conclusion）

CDIO教育理念的引入相當于給課程注入了靈魂，讓整個課程的教學過程變得靈動起來，學生和老師在整個教學過程中能夠變得更自主、更靈活、更有發揮空間，而不是拘禁到以考試為目的的學習框架里。經過幾輪教學后，學生對嵌入式系統的理解更加立體，也更加明確自己在未來的學習和工作中的方向，具有持續的學習能力和創新能力。

參考文獻（References）

[1] 王劍.嵌入式系統設計與應用——課程與CDIO模式有效融合的教學思考[J].科技視界，2017（04）：139.

[2] 李巖，王小玉，孫永春.嵌入式系統教學研究[J].電氣電子教學學報，2006，28（3）：45-47.

[3] 伍宗富，陳日新，王建君.基于Web的開放實驗教學管理系統[J].高校實驗室工作研究，2007（2）：78-80.

[4] 陸小華，熊光晶，陳珠琳.設計導向的工程教育改革理念[J].高等工程教育研究，2007（6）：83-87.

[5] 孫靜.基于CDIO教育理念的嵌入式系統原理及應用教學改革與實踐[J].電腦知識與技術，2016，12（36）：153-165.

[6] 田金琴，王曉峰.項目驅動的嵌入式系統教學方法研究[J].教育現代化，2016，40（084）：184-186.