基于CDIO的嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學研究

李 妍

哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院 黑龍江哈爾濱 150080

作為向社會輸送工程型人才的高等院校，人才培養(yǎng)方向應以具有創(chuàng)新工程意識與工程能力為主體，在教育教學過程中，應不斷加強實驗與工程實踐，使學生在學習專業(yè)知識的同時，實踐能力也得以鍛煉，從而培養(yǎng)出理論知識扎實、實踐能力過硬的全面素質人才[1]。計算機科學與技術專業(yè)嵌入式方向課程是軟硬件結合的專業(yè)課程，要求學生不僅要對硬件原理非常清楚，擅長定義各種硬件接口，而且對復雜軟件系統(tǒng)也要信手拈來。而目前嵌入式方向課程的開展存在著學生在學習大量理論課程后，由于各種原因，很難通過實驗與實踐環(huán)節(jié)達到理論與實踐相結合的問題。

1 CDIO模式的特點

CDIO工程教育模式在近些年來被國際工程教育改革廣泛應用，代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)，它們的有機結合構成了CDIO工程理念[2]。CDIO模式要求讓每一位學生能夠以主動、合作、實踐有機結合的方式學習，從而提升學生的工程理論能力，累積工程實踐經驗。

目前國內外的大學都在嘗試將CDIO模式運用到實驗實踐教學中[3]。因為CDIO模式本身注重實驗實踐環(huán)節(jié)，并注重培養(yǎng)學生動腦、動手的能力，它和時下所倡導的“學以致用”培養(yǎng)目標高度吻合，從而受到各高等院校的高度關注，廣泛地應用于教育教學中[4]。

2 嵌入式方向課程實驗教學現(xiàn)狀

嵌入式方向課程包括嵌入式系統(tǒng)概論、SOPC原理及應用、嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等一系列課程，課程最主要特點就是內容較抽象，其理論性、實踐性、綜合性和應用性都很強。 實驗環(huán)節(jié)擔負著升華理念知識的重擔，它也將為學生未來從事嵌入研發(fā)工作奠定良好基礎。但目前嵌入式教學存在實驗教學陳舊、設備單一等一系列問題，使學生仍停留于“照葫蘆畫瓢”式實踐模式，缺少分析問題的過程，也沒有創(chuàng)新環(huán)節(jié)。

2.1 重理論、輕實驗

隨著教學改革的不斷深入，教學大綱也在隨之調整修訂，在這個過程中實驗實踐課時在不斷地縮減。大家把側重點放在課堂教學上，注重理論課的教學，強調讓學生在足夠的學時中學到系統(tǒng)的理論知識，從而導致實驗實踐環(huán)節(jié)只能在有限的課時內完成。這樣學生很難在較短的課時內完成具有一定難度、設計性、綜合應用性較強的實驗項目，使得學生無法對理論知識進行綜合應用，直接影響到解決實際問題的能力[5]。

2.2 實驗教學方式陳舊

目前的實驗實踐教學仍沿用以教師為主體、學生為輔的教授方式[6]。學生在實驗室中，聽從教師指導，然后遵照實驗指導書上的內容，按步驟完成指定內容，觀察實驗現(xiàn)象，根本無法發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)新性。嵌入式方向課程要求學生的軟件硬件知識的緊密結合、相互配合，特別在實驗實踐環(huán)節(jié)，對學生的動手能力與技巧、創(chuàng)新精神與能力要求較高。但是在這樣的教學模式下，難以發(fā)揮學生本身的潛能，也難以調動學生的學習興趣及學習熱情。

2.3 實驗設備單一及維護問題

嵌入式方向實驗課屬于硬件課程，不僅對計算機配置要求高，還要有課程配套的實驗設備。嵌入式實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗箱劃分為多個功能模塊。實驗時，學生通過開發(fā)軟件下載或是將編寫好的程序燒錄到Flash芯片即可完成實驗。實驗實踐環(huán)節(jié)中受到如此實驗設備的限制，基礎驗證性內容比重較大，缺乏綜合性與創(chuàng)新性，與工程項目聯(lián)系不大，理論與實踐存在較大偏差；即使教師對實驗項目有新的開發(fā)，也很難加入到現(xiàn)有實驗課程中。在實驗中學生對于關鍵的器件接口引腳往往不清楚，有時出現(xiàn)錯誤操作導致芯片燒毀，由于經費原因，導致維護困難，從而實驗設備的損壞率在逐年增高。

2.4 實驗課程考核

實驗課程的考核基本上以實驗結果為考核內容，而實驗過程被忽視。學生只要機械地按照指導書上的實驗步驟嚴格執(zhí)行，就可以完成實驗內容，這樣的實驗教學很難考核到學生的能力。實驗課上會出現(xiàn)有些學生渾水摸魚，有些能力強的學生感覺內容太簡單不屑于完成；對于實驗結果達標的學生，教師也難以判斷其個人能力的好壞。另外由于大方向上的“重理論、輕實驗”，實驗課的成績目前僅占期末總成績的10%。學生不在意實驗分數(shù)，也導致了實驗考核往往達不到督促學生學習的目的。

3 CDIO模式下嵌入式方向實驗課研究

在CDIO工程理念的指導下，結合計算機專業(yè)的專業(yè)特點及專業(yè)培養(yǎng)方向，將嵌入式方向實驗教學與工程項目相互結合起來，在相關競賽、項目化及任務驅動等教學模式下，將過程考核運用到實驗考核評價中，重新構造嵌入式方向實驗教學體系，更好地應用于實驗教學研究與改革中。

3.1 項目化教學模式

根據(jù)CDIO教育理念，將畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個人能力、團隊能力以及工程系統(tǒng)能力4個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這4個層面達到預定目標。因此合理的實驗與實踐教學模式可以充分體現(xiàn)項目化的教學理念，從多層面培養(yǎng)，使學生在做中學，在做中提高。

近幾年，在CDIO教育理念指導下，學生完成任務分別從CDIO所倡導的“構思—設計—實現(xiàn)—運行”四方面進行。構思—教師最初布置案例，學生根據(jù)項目要求做需求分析，提交研究設計方案；設計—教師在批準研究方案后，學生根據(jù)案例內容，再細化內容，詳細做出概念設計、邏輯設計及執(zhí)行方案；實現(xiàn)—學生根據(jù)方案中每一步驟的內容分別實施，此時教師在學生遇到問題時可做指導；運行—學生在規(guī)定學時內完成設計，進行驗收答辯，撰寫項目報告。

嵌入式方向實驗項目通常分為驗證型、設計型、綜合型、創(chuàng)新型，首先學生具備一定理論知識后進入實驗室，實驗教師根據(jù)教學內容及要求將一個完整的案例作為實驗項目分配給學生，學生將項目分解成多個模塊，每個模塊內容可能是以往的一個實驗項目，學生通過完成每個模塊所對應實驗項目從而熟悉實驗平臺。這些模塊之間是密切相關的，通常前一個實驗是后一個的基礎，也凸顯了項目開發(fā)的連續(xù)性。有時也需要多方向課程相互配合，相互支撐。例如：酒店點菜系統(tǒng)需要鍵盤實驗、LCD顯示實驗、GUI界面設計實驗、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植、Zigbee技術等，這些內容涉及多門課程。作為此類大案例，學生不僅要對嵌入式相關的知識熟諳，還需要一定的項目合作能力。通常實驗教師在第一次課布置項目內容，將學生分成若干項目組，各項目組學生根據(jù)內容合理地分成多個模塊，分配給組員，通過查閱國內外資料、大量閱讀相關書籍，在教師規(guī)定時間內容完成各自模塊的程序調試、接口驅動、編譯下載等，然后學生再一起進行彼此間的鏈接、整合等直至項目調試通過。學生在這段時間內，要求定期向教師匯報進度，教師對學生項目進行過程中的問題進行指導。項目在規(guī)定時間內完成，學生需要以組為單位上交一份詳盡的項目報告。

實驗教學通過這種項目化的教學模式，使學生能夠更深刻地掌握理論知識，提升動手能力、實踐能力，從而提高學習的主動性，培養(yǎng)團隊合作能力。使實驗教學真正達到理論與實踐相結合、與工程實際貼近的目標。

3.2 開展大賽模式

嵌入式方向課程需要良好的C語言基礎，同時C語言也是其他方向課程的基礎，所以我院對計算機專業(yè)學生在大一就開設了C語言、JAVA語言課程等，并開展院、校級ACM程序設計大賽，選拔成績優(yōu)異者參加更高一級競賽，從而激發(fā)學生的學習熱情和挑戰(zhàn)欲望。這樣讓新生大一時就開始接觸計算機基礎語言設計，為后續(xù)課程奠定基礎。

學生到大三以后，專業(yè)課程陸續(xù)開設，學校學院還會在每學期舉辦專業(yè)性大賽，也會組隊參加省、國家級比賽。例如學校會在開學初舉辦ACM程序設計大賽、嵌入式大賽等，學生通過這些比賽將所學多學科知識融會貫通，以項目的形式開展，最后以成果形式展現(xiàn)，不僅提高學生項目合作能力，也開拓學生的視野，使學生能夠正視自己的優(yōu)點與差距，增長見識。

3.3 合理的考核方式

CDIO提倡多樣化的考核方式，于是根據(jù)不同項目的內容，分為項目劃分、階段成果、任務完成情況、答辯時的表述能力、項目報告撰寫5個環(huán)節(jié)進行考核，每一個環(huán)節(jié)都有考核成績，從中考核學生的技術能力、應用能力、交流能力、創(chuàng)新能力、全局觀念及團隊協(xié)作能力。學生為使每一個環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問題，必須有嚴謹?shù)膶W術態(tài)度。

學生在CDIO模式下完成項目的過程中，既學會了項目劃分，也學會了硬件設計、接口驅動、移植等，同時學會了項目報告的撰寫規(guī)范，在答辯環(huán)節(jié)提高了對知識的表述能力，也為今后工作奠定了良好基礎。嚴格規(guī)范的考核機制，提升了學生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、團隊合作等能力，并逐漸領悟了工程設計理念。

4 結語

在嵌入式系列課程實驗教學中引入CDIO教學模式，將實驗內容整合為項目形式，讓學生參與整個項目的“構思、設計、實現(xiàn)、運作”，從而對素質教育的正確發(fā)展起到促進作用，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極作用，同時也使得教師的教學能力及綜合業(yè)務水平得以提升。通過將CDIO引入實驗教學，學生在獨立構思與設計過程中，實現(xiàn)了從被動學習到自主學習的轉變，培養(yǎng)了學生工程實踐能力。在項目進行過程中，學生與學生之間形成了良好的團隊協(xié)作，在相互配合中，完成項目的各部分。