基于CDIO嵌入式實(shí)踐課程的改革與研究

羅凱　周琰杰　侯健

摘要：分析了目前嵌入式實(shí)踐課程改革普遍存在的問題。針對嵌入式實(shí)踐課程性特點(diǎn)，結(jié)合CDIO工程實(shí)踐理念，分別從研發(fā)教學(xué)的平臺、教學(xué)方法、興趣培養(yǎng)和考核方式等方面，對嵌入式實(shí)踐課程進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的具體改革措施。從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，加強(qiáng)的學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：CDIO 嵌入式課程 教學(xué)改革

一、引言

嵌入式系統(tǒng)在各種領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。比如：物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域。因而，各大高校都把嵌入式課程作為了通信、電子等專業(yè)學(xué)生的必修課程。嵌入式課程實(shí)踐性特別強(qiáng)，知識點(diǎn)存在多門基礎(chǔ)課程的交叉，并且學(xué)習(xí)周期較長。因此不斷改進(jìn)和完善嵌入式實(shí)踐課程的教學(xué)手段、內(nèi)容、方法是非常重要的，這樣有利于學(xué)生掌握專業(yè)技術(shù)知識，獲得實(shí)用職業(yè)技能，增強(qiáng)就業(yè)競爭力。本文結(jié)合我院提出的CDIO工程實(shí)踐教育和嵌入式實(shí)踐課程的體會，對嵌入式實(shí)踐課程進(jìn)行分析和改革。

二、國內(nèi)高校嵌入式實(shí)踐課程的改革現(xiàn)狀：

目前，國內(nèi)大多數(shù)高校的嵌入式實(shí)踐課程教學(xué)改革形式大于內(nèi)容。沒有做到從該課程實(shí)踐體系架構(gòu)上進(jìn)行全面的改革。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.增加或刪減先修一些理論課程。通常做法只是把“微機(jī)原理與應(yīng)用”課程在教學(xué)體系中刪除，添加“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”類課程。將其主要背景機(jī)由原先的PC機(jī)改成嵌入式微型計(jì)算機(jī)。這樣改革的宗旨只是：夯實(shí)了學(xué)生基礎(chǔ)扎實(shí)，但是沒有讓學(xué)生從實(shí)踐上得到提升。

2.現(xiàn)代化教學(xué)手段的引入。在嵌入式實(shí)踐實(shí)踐課程教學(xué)中大量引入多媒體教學(xué)課件，以流線型特征展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，插入圖片和動畫，使得課程教學(xué)相比以前更加生動。但是，針對漫長的而枯燥的學(xué)習(xí)過程，取得的效果甚微。

3.按部就班的構(gòu)建嵌入式實(shí)踐課程體系。目前，嵌入式實(shí)踐課程通常分為三個部分：基礎(chǔ)操作一驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一綜合設(shè)計(jì)。到了綜合設(shè)計(jì)階段通常還是變?yōu)轵?yàn)證實(shí)驗(yàn)，沒有達(dá)到真正培養(yǎng)應(yīng)用型嵌入式人才的目的。

4.很多高校的嵌入式實(shí)踐課程的改革很多僅僅變?yōu)榱饲度胧教幚硇酒壍母母?。并且嵌入式均是采用基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器。導(dǎo)致國內(nèi)學(xué)生局限在單一體系內(nèi)而無法融會貫通，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生的思維習(xí)慣逐漸僵化無法接受其他體系的處理器，在面臨技術(shù)變革的時候就體現(xiàn)出接受能力不足和創(chuàng)新能力低的問題。

三、嵌入式實(shí)踐課程改革的內(nèi)容

1.自行研發(fā)嵌入式實(shí)踐教學(xué)所需的軟硬件平臺

由于購買現(xiàn)成的通用實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍存在不夠開源的問題，很多設(shè)備不提供電路原理圖，甚至連程序源碼也不提供，僅提供一些編譯好的目標(biāo)文件，導(dǎo)致教學(xué)時從教師到學(xué)生都只能按照廠商提供的操作流程將目標(biāo)文件下載到設(shè)備觀察結(jié)果，使課程從學(xué)習(xí)、分析和研究如何開發(fā)各種程序淪落為僅僅是做了一個簡單的下載操作，背離了教學(xué)的本來目的。而自行研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺擁有更高的自主權(quán)，從硬件模塊配置到實(shí)踐內(nèi)容安排上都能夠更貼近我校的教學(xué)實(shí)際情況。

2.教學(xué)方式和教學(xué)手段的改革

在傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)中遵循的順序大多是先介紹Ubtmtu、Debian等Linux系統(tǒng)的操作，然后再在Linux系統(tǒng)下搭建交叉編譯工具、NFS及TFTP等必備環(huán)境，進(jìn)而再進(jìn)行Bootloader、kernel、底層驅(qū)動等的學(xué)習(xí)，完成這一系列學(xué)習(xí)之后才能進(jìn)入到能產(chǎn)生直觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的應(yīng)用層軟件開發(fā)階段。而應(yīng)用層軟件開發(fā)之前的各個階段都非常枯燥且要持續(xù)較長時間，導(dǎo)致很多學(xué)生在這一階段的學(xué)習(xí)中逐漸失去興趣和繼續(xù)學(xué)習(xí)的動力，最終放棄繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。在CDIO教學(xué)模式中則遵循構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行的步驟，結(jié)合學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的單片機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行自上而下的教學(xué)，運(yùn)用特殊定制的系統(tǒng)和類IDE的開發(fā)環(huán)境，繞過底層和Linux操作系統(tǒng)等較繁瑣的環(huán)節(jié)，使得學(xué)生能夠在接近單片機(jī)風(fēng)格的環(huán)境下在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)諸如流水燈、蜂鳴器驅(qū)動、數(shù)碼管驅(qū)動等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中自行構(gòu)思和編寫程序，并經(jīng)過調(diào)試后進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證最初的構(gòu)思，驗(yàn)證成功后學(xué)生將會有一種成就感，藉此激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)生產(chǎn)生較濃的興趣和學(xué)習(xí)熱情后，再逐步引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注和思考更深入的問題，如操作GPIO時調(diào)用的子函數(shù)到底是在什么地方定義的、延遲調(diào)用的子函數(shù)是怎么實(shí)現(xiàn)的等，通過這些問題將學(xué)生的注意力引向系統(tǒng)內(nèi)核和底層驅(qū)動。針對該課程的特點(diǎn)，提出了“自上而下，興趣引導(dǎo)”的引探教學(xué)法，以實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情以及繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的欲望。

3.構(gòu)建類IDE的易于使用的開發(fā)環(huán)境

一旦構(gòu)建易用的IDE開發(fā)環(huán)境，就降低學(xué)生對嵌入式處理器進(jìn)行編程的門檻，同時簡單易用的開發(fā)環(huán)境可以讓學(xué)生將更多的精力放在對程序的構(gòu)思設(shè)計(jì)和調(diào)試運(yùn)行上，更貼近CDIO教學(xué)的要求。此外還將實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型的文件拷貝式下載方式。目標(biāo)平臺連接到計(jì)算機(jī)之后將會映射出一個U盤盤符，學(xué)生只需將編譯出的目標(biāo)文件拷貝到該盤符下即可在目標(biāo)平臺上運(yùn)行。通過這種方式避免了使用專用下載工具帶來的高成本和繁瑣的操作，使得學(xué)生不會在下載程序上花費(fèi)過多精力。

4.嵌入式實(shí)踐課程教學(xué)資源的完善

編寫配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和建立配套的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及其配套實(shí)驗(yàn)程序源碼主要是為課堂教學(xué)服務(wù)，而配套的學(xué)習(xí)網(wǎng)站及其所搭載的各種電子版資料則是服務(wù)于學(xué)生在線自學(xué)等開放式的學(xué)習(xí)。完善的配套資料、課堂學(xué)習(xí)結(jié)合課后線上學(xué)習(xí)的模式能夠最大程度的降低學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻和實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)習(xí)效果。

5.考核方法的改革

一改以往書面考查的簡單形式，以CDIO倡導(dǎo)的“過程評價”為基礎(chǔ)開展，以“實(shí)際作品+相關(guān)報告或論文+現(xiàn)場答辯”相結(jié)合的方式進(jìn)行考核，側(cè)重強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生課程實(shí)踐能力和解決問題能力。

（1）考核總體分為3個環(huán)節(jié)。分別是：功能構(gòu)思、程序編寫環(huán)節(jié)、調(diào)試環(huán)節(jié)。

（2）考核每個環(huán)節(jié)的內(nèi)容分別是：當(dāng)前環(huán)節(jié)的作品任務(wù)、當(dāng)前環(huán)節(jié)的實(shí)踐報告、當(dāng)前環(huán)節(jié)的答辯情況。

（3）考核每個環(huán)節(jié)用定性的考核方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分?jǐn)?shù)考核。在每個環(huán)節(jié)實(shí)施過程當(dāng)中都以定性的方式，通過或不通過的形式進(jìn)行考核，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生是否具備每個階段的能力來實(shí)施考核。

結(jié)束語

嵌入式實(shí)踐課程是一門綜合要求較高的課程。此課程的教學(xué)改革是一項(xiàng)長期而系統(tǒng)的工程，需要不斷的探索與實(shí)踐。需要結(jié)合CDIOT程實(shí)踐的教學(xué)理念，逐步改善教學(xué)條件，提高教師素質(zhì)，改進(jìn)教學(xué)方法，以此來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，造就學(xué)生的就業(yè)優(yōu)勢。