CDIO工程教育模式下的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)

摘要：針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，分析嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合CDIO工程教育模式，提出實(shí)施以學(xué)生為主的“做中學(xué)”學(xué)習(xí)模式，基于工程實(shí)踐案例課內(nèi)外緊密結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，分析對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、技術(shù)寫作能力及口頭表達(dá)能力的綜合考核結(jié)果。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)；CDIO工程教育

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制、交通管理、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通訊、安防等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。近年來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給嵌入式技術(shù)提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)所需設(shè)備將達(dá)10¹²數(shù)量級(jí)，其中絕大部分設(shè)備將由嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。可見未來對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的需求非常大，因此，改革嵌入式系統(tǒng)課程使之適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)需要對(duì)于學(xué)生就業(yè)具有重要意義。文章針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，根據(jù)應(yīng)用型本科嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，基于CDIO工程教育理念對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，以滿足培養(yǎng)嵌入式應(yīng)用、開發(fā)人才的需要。

1 嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)與現(xiàn)狀

1.1 嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)

1）實(shí)踐性。

嵌人式系統(tǒng)面向應(yīng)用進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，這決定了嵌入式系統(tǒng)課程是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、偏重動(dòng)手能力與實(shí)踐能力培養(yǎng)的特點(diǎn)。因此，實(shí)踐教學(xué)是嵌入式系統(tǒng)課程的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的關(guān)鍵，重理論而偏實(shí)驗(yàn)的教學(xué)將是紙上談兵。

2）綜合性。

嵌入式系統(tǒng)是一門多學(xué)科交叉的課程，涉及數(shù)字電路、模擬電路、c語言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)等多門前導(dǎo)課程，并通過應(yīng)用可關(guān)聯(lián)到機(jī)電、控制、網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)相關(guān)的課程。因此嵌入式系統(tǒng)教學(xué)需與諸多課程相融合，以促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

3）發(fā)展性。

嵌入式技術(shù)的發(fā)展非常迅速，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用需求也不斷變化，這要求嵌入式系統(tǒng)課程密切跟蹤嵌入式技術(shù)與應(yīng)用的新發(fā)展，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)的需求變化。

1.2 嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前嵌入式系統(tǒng)課程在教學(xué)內(nèi)容上尚無統(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的基本原理為主講內(nèi)容，這樣的內(nèi)容安排與嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心的特點(diǎn)難以相符。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)人才不僅要具有扎實(shí)的學(xué)科與專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，更應(yīng)具備很強(qiáng)的技術(shù)與工程實(shí)踐能力，顯然以理論教學(xué)為主、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的教學(xué)方式難以滿足這類人才的培養(yǎng)需要。

溫州大學(xué)是地方性本科院校，其人才培養(yǎng)目標(biāo)是為本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)，這就要求嵌入式系統(tǒng)課程需緊密結(jié)合地方特色，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。因此，我們將傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)理論化、知識(shí)化的教學(xué)思路，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驊?yīng)用，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐訓(xùn)練，重視培養(yǎng)動(dòng)手能力與實(shí)踐能力，為學(xué)生從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 CDIO模式下的實(shí)踐教學(xué)改革

CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行，以產(chǎn)品從構(gòu)思、研發(fā)、運(yùn)行到廢棄和再利用的全生命過程為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間具有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力，符合工程人才培養(yǎng)的規(guī)律。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，我們?cè)贑DIO工程教育模式下從以下幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革。

1）培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。

主動(dòng)學(xué)習(xí)方法將重點(diǎn)放在讓學(xué)生致力于對(duì)問題的思考和解決。在課堂上我們運(yùn)用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，先給學(xué)生演示工程實(shí)踐案例的運(yùn)行效果，然后組織學(xué)生討論系統(tǒng)的功能需求與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的技術(shù)，最后將相關(guān)內(nèi)容分解進(jìn)行教學(xué)。通過教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，可以激發(fā)學(xué)生興趣，將以教師為主的“聽中學(xué)”消極學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主的“做中學(xué)”主動(dòng)學(xué)習(xí)模式。例如在講解嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，以物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的開發(fā)為目標(biāo)，通過對(duì)功能需求、系統(tǒng)組成的討論，逐步引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)深入學(xué)習(xí)Bootloader、內(nèi)核與文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、Socket網(wǎng)絡(luò)通訊、串口通訊、嵌入式Web服務(wù)器與CGI編程、QT圖形界面的知識(shí)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)分3個(gè)層次進(jìn)行，第1個(gè)層次，與Bootloader、內(nèi)核與文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在理論課堂上邊授課邊驗(yàn)證；第2個(gè)層次，與Socket網(wǎng)絡(luò)通訊、串口通訊、嵌入式Web服務(wù)器與CGI編程、QT圖形界面相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成綜合性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)課上由學(xué)生獨(dú)立完成，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都涉及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容；第3個(gè)層次，要求學(xué)生綜合所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)建完整的物聯(lián)網(wǎng)嵌人式網(wǎng)關(guān)。學(xué)生在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)考核中逐步獲得成就感并建立自信心，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2）實(shí)施課內(nèi)外緊密結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式。

嵌入式應(yīng)用開發(fā)人才應(yīng)具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，理論指導(dǎo)下分析與解決實(shí)際工程問題的能力以及運(yùn)用工程技術(shù)參與工程項(xiàng)目開發(fā)與設(shè)計(jì)的能力。顯然傳統(tǒng)課堂“理論+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式已不能滿足此類人才的培養(yǎng)要求，因此我們嘗試實(shí)施由多個(gè)課內(nèi)外環(huán)節(jié)構(gòu)成的實(shí)踐教學(xué)模式，以逐步培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)踐技能、綜合實(shí)踐技能及應(yīng)用創(chuàng)新技能。其中理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向全體學(xué)生，由工程實(shí)踐案例驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生“做中學(xué)、學(xué)中做、邊學(xué)邊做”，培養(yǎng)基本實(shí)踐技能；課程設(shè)計(jì)以大型的綜合實(shí)踐項(xiàng)目鞏固學(xué)生的基本實(shí)踐技能，培養(yǎng)綜合實(shí)踐技能。如圖1所示。學(xué)生課題和開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向?qū)η度胧较到y(tǒng)感興趣的學(xué)生，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力；學(xué)科競(jìng)賽主要參加全國(guó)電子專業(yè)人才設(shè)計(jì)與技能大賽和飛思卡爾智能車競(jìng)賽，鞏固學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力；企業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)注重培養(yǎng)學(xué)生的自主開發(fā)能力與應(yīng)用創(chuàng)新能力。

3）建立工程實(shí)踐案例庫(kù)。

工程實(shí)踐案例庫(kù)是實(shí)施工程教育的基礎(chǔ)，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，工程實(shí)踐案例庫(kù)要不斷地更新與完善。案例庫(kù)建設(shè)以教師和學(xué)生為實(shí)施主體，一方面，教師通過自身的科研項(xiàng)目、對(duì)企業(yè)進(jìn)行的行業(yè)調(diào)研、掛職鍛煉及產(chǎn)學(xué)研過程。溝通跟蹤技術(shù)動(dòng)態(tài)，并從中提煉工程實(shí)踐案例；另一方面，學(xué)生通過企業(yè)實(shí)習(xí)和就業(yè)后的反饋充實(shí)案例，不斷地對(duì)工程實(shí)踐案例庫(kù)進(jìn)行更新和完善，使教學(xué)能跟上嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)。目前我們已建成韻工程實(shí)踐案例主要有物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)、溫度控制系統(tǒng)、散熱控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、家庭氣象站、三維固態(tài)電子羅盤、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、四旋翼無人飛行器等。在物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)案例中，我們以武漢創(chuàng)維特信息技術(shù)有限公司的JX2410 ARM9嵌入式實(shí)驗(yàn)箱為硬件平臺(tái)，通過串口采集MicaZ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的信息，將網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的信息顯示在彩色液晶屏幕上，并構(gòu)建嵌入式Wcbserver，通過CGI動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)將采集的傳感器信息發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上。

4）加強(qiáng)與其他專業(yè)課程的結(jié)合。

在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)要與上位機(jī)或其他設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成完整的產(chǎn)品，因此在工程實(shí)踐案例建設(shè)中我們要注重與其他專業(yè)課程的結(jié)合。例如在溫度控制系統(tǒng)案例中，強(qiáng)調(diào)與桌面應(yīng)用程序開發(fā)及數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)課程的結(jié)合，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控軟件與過程數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)及可視化查看；在家庭氣象站中，則要求實(shí)現(xiàn)Android智能手機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。

5）改進(jìn)考核方式。

對(duì)于強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程，傳統(tǒng)的以考試為主的考核方式已不適用，我們采用以綜合設(shè)計(jì)作品為主的考核方式，以學(xué)生的課堂研討表現(xiàn)、綜合作品實(shí)物演示效果、作品設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯表現(xiàn)為依據(jù)，通過綜合評(píng)判給出課程成績(jī)，使成績(jī)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。

3 實(shí)踐教學(xué)設(shè)備開發(fā)

實(shí)踐教學(xué)設(shè)備主要采用、ARM技術(shù)的神州Ⅳ號(hào)STM32開發(fā)板，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上開發(fā)了配套模塊，以滿足工程實(shí)踐案例教學(xué)的需要。

1）加熱與散熱模塊。

該模塊由NTC熱敏電阻、大功率加熱電阻及帶轉(zhuǎn)速反饋的直流風(fēng)扇組成，可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、加熱控制、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制，涉及AD、定時(shí)器、PWM、ICP等基本知識(shí)點(diǎn)，主要用于溫度控制系統(tǒng)和散熱控制系統(tǒng)的案例教學(xué)。

2）環(huán)境傳感模塊。

該模塊由SHT11溫濕度傳感器、BMP085大氣壓力傳感器、夏普GP2Y1010AUOF灰塵傳感器、光敏電阻、雨量傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，涉及GPIO、12C、AD等基本知識(shí)點(diǎn)，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和家庭氣象站的案例教學(xué)。

3）運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊。

該模塊由L3G4200D三軸數(shù)字陀螺儀、LSM303DLHC三軸加速度/地磁傳感器、uBloxNEO-6M GPS模塊組成，可實(shí)現(xiàn)角速度、加速度、地磁場(chǎng)、速度、位置及時(shí)間的測(cè)量，涉及SPI、12C、UART等知識(shí)點(diǎn)，主要用于三維固態(tài)電子羅盤和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的案例教學(xué)。

此外，作為終極挑戰(zhàn)，我們還開發(fā)了由STM32F103微控制器、ADISl6405慣性傳感器、Novatel OEMV GPS、SRF02聲納高度計(jì)、CC2500無線模塊及相應(yīng)機(jī)電模塊組成的四旋翼無人飛行器，用于學(xué)生科研課題的實(shí)施。作為教學(xué)平臺(tái)，該飛行器可有效綜合單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制原理、信號(hào)與系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)等多門課程，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)觀念與綜合能力的提升。如圖2所示。

4 結(jié)語

通過從以教師為主的“聽中學(xué)”消極學(xué)習(xí)模式到以學(xué)生為主的“做中學(xué)”主動(dòng)學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)變，加之基于工程實(shí)踐案例的課內(nèi)外緊密結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施，學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣顯著提升，從學(xué)生科研課題、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及嵌人式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的就業(yè)情況來看，課程改革取得了積極的教學(xué)效果。相信隨著改革的進(jìn)一步深入，我們將培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)人才。