基于“卓越計劃”和CDIO的《嵌入式系統(tǒng)設計》課程改革實踐

劉花香　方江雄　肖靜

摘 要：為了培養(yǎng)滿足行業(yè)需求的工程技術人才，在“卓越計劃”的框架指導下，借鑒成熟的CDIO 工程教育理念，針對《嵌入式系統(tǒng)設計》課程傳統(tǒng)教學模式的不足，通過引入校企聯(lián)合培養(yǎng)機制和項目化教學方法，采用多元化考核機制，構建一種基于“卓越計劃”和CDIO 的課程教學模式。實踐表明，該教學模式有利于啟發(fā)和培養(yǎng)大學生工程實踐和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：卓越計劃；CDIO；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）14-0028-03

一、引言

自進入21世紀以來，隨著經(jīng)濟全球化，信息全球化的進程不斷加快，市場對高素質工程人才的需求不斷增長。目前，我國高等工程教育規(guī)模已達到高等教育總規(guī)模1 /3以上，躍居世界第一[1]。然而，我國培養(yǎng)的工程人才在質量上與國外高校相比仍然相差甚遠。據(jù)麥肯錫季刊載文[2]指出，我國僅僅只有10%的工科畢業(yè)生達到跨國公司的用人標準。

為了實現(xiàn)在2020年將我國建設成為創(chuàng)新型國家，2010 年國家教育部啟動了“卓越工程師培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”），旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的各類型高質量工程技術人才[3]。東華理工大學機電學院電子信息工程專業(yè)2013年開始實施“卓越計劃”試點班，通過借鑒世界先進國家高等工程教育的成功經(jīng)驗，采用成熟CDIO工程教育理念實現(xiàn)培養(yǎng)目標，系統(tǒng)改革了人才選拔和培養(yǎng)管理模式。本文是在東華理工大學卓越工程師試點班“嵌入式系統(tǒng)設計”課程基礎上，通過實施CDIO教學模式的經(jīng)驗總結。

二、課程反思

嵌入式系統(tǒng)設計課程是電子信息工程專業(yè)高年級學生的必修主干課程，是一門綜合性強、知識覆蓋面廣、實踐性極強的課程。教師如何上好這門課，學生如何學好這門課一直是一個難題。盡管本學院一直在教學內容、教學方法等方面進行改革，教學內容由原來的ARM7體系結構更新到Cortex-M3體系結構，并自主開發(fā)了STM32 實驗教學平臺。筆者根據(jù)多年從事 “嵌入式系統(tǒng)設計”課程的教學工作經(jīng)驗，認為傳統(tǒng)的理論加實驗的教學模式普遍存在如下問題：

1） 理論課時多，實驗課時少。以我院電子信息工程專業(yè)為例，理論學時38學時，實驗學時16學時。在如此有限的實驗學時內，學生的實踐能力難以得到鍛煉。

2） 實驗類型單一，每次實驗往往只是對單個知識點訓練，導致學生常?！爸灰姌淠?，不見森林”，設計和開發(fā)完整嵌入式系統(tǒng)的能力弱。

3） 經(jīng)典教材缺乏，因為各個學校采用的實驗教學平臺不同，很多時候選用的教材難以與現(xiàn)有平臺配套。

4） 師資力量薄弱，大部分教師缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，雙師型人才匱乏。

5） 評價方式單一，僅僅依靠實驗報告及試卷成績作為評價學生能力的標準，缺乏實踐及應用能力的考量。

傳統(tǒng)的教學體系和考核方式嚴重地束縛了工程人才質量的提高，對該課程進行教學模式改革勢在必行。

三、CDIO工程教育理念

CDIO全稱為 Conceive—Design—Implement—Operate（構思—設計—實施—運作），該教育模式是由 MIT 等世界名校在2000年提出并推廣的工程教育理念，在中國最早由汕頭大學將CDIO工程教育理念引入工程教育領域[4]，經(jīng)過近十余年的發(fā)展已經(jīng)在上百所高校得到推廣應用，并取得了良好效果。CDIO教育模式以真實世界的產品從構思到運行的全生命周期為載體，將理論、實踐和創(chuàng)新融為一體，解決工程教育中理論與實踐脫節(jié)的問題[5]，以培養(yǎng)滿足行業(yè)需求的合格工程人才為最終目標，CDIO 工程教育的基本理念與“卓越計劃”人才培養(yǎng)需求不謀而合。在嵌入式系統(tǒng)設計教學中引入 CDIO 的工程教育理念，有利于調動學生的學習積極性，有利于學生實踐動手能力和系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學生團隊協(xié)作溝通能力和創(chuàng)新設計能力，從而實現(xiàn)卓越工程師的培養(yǎng)目標。

四、構建基于“卓越計劃”和CDIO 的課程教學體系

筆者依托東華理工大學教改課題嵌入式系統(tǒng)設計課程改革研究和實踐，針對傳統(tǒng)教學模式的弊端，在“卓越計劃”系統(tǒng)框架的指導下，結合專業(yè)實際情況引入CDIO工程教育理念，倡導在培養(yǎng)優(yōu)化師資隊伍的同時，實施以實際工程項目為中心、學生自主探究式學習為主的一體化教學模式。通過“3+1”新型校企聯(lián)合培養(yǎng)模式，給予學生更多參與實際工程的機會，讓學生的綜合能力更貼近市場和企業(yè)的需求。通過將嵌入式系統(tǒng)課程內容和CDIO的工程理念緊密結合起來，以促進學生與教師共同發(fā)展為目的，提出了如圖1所示嵌入式系統(tǒng)設計課程教學模式。

1.加強教師團隊建設

名師出高徒，優(yōu)質的師資隊伍是卓越工程師培養(yǎng)的人力資源基礎，其中CDIO 標準中第九條明確指出：必須采取行動提高教師工程實踐能力[6]，參與“卓越計劃”的高校教師的整體素質直接關系到卓越工程師培養(yǎng)的質量[7]。雖然擔任本專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程的教師通過科研和社會服務項目積累了一定的工程實踐經(jīng)驗，但與“卓越計劃”的需要仍然存在差距。為了保證CDIO模式在嵌入式系統(tǒng)教學中順利有效實施，東華理工大學機電學院主要采取如下三大措施來建設具有工程項目研發(fā)能力的“雙師型”教學團隊。

（1）深化校企合作，引入企業(yè)兼職導師。為了保證課程內與市場行業(yè)工程項目需求緊密結合，院里與電子36所、杭州三維通信有限公司、江蘇盛泰信通科技有限公司、江西聯(lián)創(chuàng)電子有限公司等共同建設嵌入式系統(tǒng)實習基地，并從這些公司聘請了近二十位兼職導師，主要參與課程內容設計、課程結果評價和學生實習畢業(yè)論文指導。

（2）加大現(xiàn)有教師再培養(yǎng)，學院先后資助兩位教師到深圳信盈達電子有限公司完成嵌入式課程培訓，有利于進一步完善教師嵌入式知識結構，引進了市場培訓機構嵌入式項目培訓經(jīng)驗。

（3）鼓勵教師進入企業(yè)掛職鍛煉，積累實際工程經(jīng)驗，通過多渠道來提升教師工程實踐能力。

2.教學內容體系設計

嵌入式系統(tǒng)設計課程教學內容改革核心思想是以行業(yè)需求為導向、以真實項目為載體，圍繞理論實踐一體化CDIO教育理念，設計了以下三個模塊：嵌入式項目案例庫、課程內容設計和課程教學方法模塊，如圖2所示，旨在培養(yǎng)具有較強的工程實踐綜合能力嵌入式領域專業(yè)人才。

（1）嵌入式項目案例庫建設，從合作企業(yè)、教師科研項目和平時的科技創(chuàng)新競賽活動中篩選出一些有代表性的項目樣板加入嵌入式項目案例庫，這樣做有兩個優(yōu)點，一方面可以為教學提供素材，另一方面可以讓學生有一些可模仿對象，在設計嵌入式產品的時候可以借鑒這些樣板。到目前為止我們積累了無線點菜機、MP3播放器、數(shù)據(jù)相框、遠程視頻監(jiān)控等數(shù)十個案例。

（2）嵌入式課程是一門多學科交叉的綜合性課程，涉及到數(shù)/模電、微機原理、程序設計和操作系統(tǒng)等多學科知識，采用CDIO項目化教學可以將零散知識以項目實現(xiàn)為主線連貫起來。如選用點菜機項目作為教學案例，可將該系統(tǒng)分為若干子模塊：最小系統(tǒng)模塊、輸入模塊、無線通信模塊、輸出顯示模塊等，將硬件設計、軟件設計和項目管理等相關教學知識點融入到各模塊實現(xiàn)的過程中。

（3）本課程采用課前自主式、課中鞏固式和課后提升式教學策略。教師根據(jù)所選教學項目案例分解教學知識點，為單個知識點錄制微課視頻和準備實驗樣例及參考資料，并布置學習任務，由學生課前自主式完成課前任務并給出反饋信息；課中教師主要對重點及難點知識進行梳理并根據(jù)學生課前學習的問題組織討論，對知識點進行鞏固；課后由學生根據(jù)所學知識點實現(xiàn)并擴展課程項目相關模塊功能。

3.教學項目實施過程設計

基于CDIO進行教學改革的最大特點是教學內容以實際工程項目為藍本，以市場行業(yè)需求為導向，以培養(yǎng)學生綜合素質為目標。在整個教學項目實施過程中，學生以團隊內協(xié)作、團隊間協(xié)作加競爭的方式進行自主探究式學習，教師主要起指導作用，由學生完成一次構思—設計—實施—運行的全過程[8]，教師在每個階段給予反饋和評價來促使學生在整個過程中持續(xù)改進。要求學生以文檔形式來對各階段工作進行總結，以提高學生文檔撰寫和知識歸納總結能力。

4.多元化評價體系

針對傳統(tǒng)單一評價模式的弊端，我們采用“過程”和“結果”兩方面相結合的多元化學習評價機制。在教學項目實施的整個過程中，采用持續(xù)性評價體系來對學生進行考核，在項目實施的每個階段教師根據(jù)學生對團隊及項目的貢獻、課前子任務的完成情況、文檔撰寫質量、項目創(chuàng)新性、面對面答辯和課堂表現(xiàn)等做出綜合評價得分。教師對學習過程的評價，需要考慮學生的學習能力和學習成效等多方面的因素，激勵和引導學習者提高學習興趣[9]。學生在本課程結束后將在企業(yè)進行為期一年的實習，根據(jù)用人單位的反饋信息和學生問卷調查來完成對本門課程效果評價，最后根據(jù)評價情況不斷改進教學內容和教學方法，使整個教學過程形成一個良性的閉環(huán)系統(tǒng)。

五、結語

在“卓越計劃”的框架指導下，借鑒成熟的CDIO工程教育理念，通過引入校企深度聯(lián)合培養(yǎng)機制，采用多元化考核機制，構建一種基于“卓越計劃”和CDIO 的嵌入式系統(tǒng)設計課程教學模式。彌補了原課程體系中工程實踐能力培養(yǎng)的不足，讓學生充分參與到項目構思、設計、實施、運作全過程，大大激發(fā)學生對嵌入式系統(tǒng)工程設計的興趣，加強了團隊協(xié)作能力、人際溝通能力以及系統(tǒng)構建等綜合能力的培養(yǎng)。本課程經(jīng)過近2年的實施也產生了一些優(yōu)秀的成果，其中包括在全國電子設計賽及江西省電子類相關競賽中獲獎20余次，提交專利申請兩項，學生發(fā)表期刊論文兩篇，這些成果有力的證實了我專業(yè)基于CDIO 的嵌入式系統(tǒng)課程教學改革是卓有成效的。

今后，我們將進一步加強信息化教學系統(tǒng)構建，教學視頻及課件的設計與制作，教學項目案例的選取及教學內容優(yōu)化，按照行業(yè)需求和企業(yè)要求制定切實可行的與其他專業(yè)課有機聯(lián)系和相互滲透的嵌入式教學體系，通過改革和探索，以期進一步提高嵌入式系統(tǒng)設計課程的教學水平，培養(yǎng)出社會真正需要的合格工程類人才。

參考文獻：

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[9]方江雄， 劉花香，劉軍 et al. SPOC翻轉課堂模式在虛擬儀器課程中的應用研究[J].中國教育信息化， 2016（24）.（編輯：郭桂真）