基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的教與學

竇喬

摘? 要：分析了目前嵌入式系統(tǒng)課程存在的問題，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程和主線，以CDIO為教育理念，以項目為驅(qū)動，分別從課程內(nèi)容設(shè)置、項目設(shè)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(shè)置;結(jié)合學生競賽和企業(yè)需求，制定課程實驗和教學案例;從學生角度出發(fā)，以學習產(chǎn)出為課程考核標準，制定了能夠激發(fā)學生學習興趣的考核方案，取得了很好的教學效果。

關(guān)鍵詞：CDIO;嵌入式系統(tǒng);項目驅(qū)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(xié)會）和IEEE聯(lián)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(yè)基礎(chǔ)課，并且給出了基本課程體系[1]。之后，國內(nèi)各高校陸續(xù)將嵌入式相關(guān)課程納入培養(yǎng)方案中。我校于2005年開始開設(shè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程，并在之后開設(shè)了計算機專業(yè)的嵌入式軟件開發(fā)方向。目前隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷興起，業(yè)界對嵌入式人才的需求處于緊缺狀態(tài)，據(jù)華清遠見統(tǒng)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(fā)人員的需求日漸增長，但是畢業(yè)生缺乏實踐能力，結(jié)果導致出現(xiàn)許多單位招聘不到合適的開發(fā)人員的尷尬局面[2，3]，可以說人才的匱乏已經(jīng)成為其發(fā)展的瓶頸，所以培養(yǎng)合格的嵌入式人才對行業(yè)的發(fā)展非常重要。同時，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與其他專業(yè)課不同之處在于它具有工程開發(fā)的整體思路，涵蓋了電子、通信、計算機，以及控制等各專業(yè)學科的知識，學生既要掌握嵌入式硬件的基本結(jié)構(gòu)和功能，又要學會編寫驅(qū)動程序、移植操作系統(tǒng)，以及應(yīng)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(tǒng)的同時，又能很好地完成系統(tǒng)開發(fā)，而且最重要的就是培養(yǎng)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(yǎng)模式，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate），它以項目從研發(fā)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(yǎng)為目標，以任務(wù)驅(qū)動為教學模式，讓教和學都變得不再盲目[4]。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的教學目標為以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程為主線，以“智能家居控制系統(tǒng)”真實項目為驅(qū)動，將各種能力培養(yǎng)融入教學各個環(huán)節(jié)中。

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

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)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(diào)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(nèi)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(shè)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)容應(yīng)該從教學目標出發(fā)，遵循CDIO強調(diào)的教學目標應(yīng)與產(chǎn)業(yè)對學生素質(zhì)和能力的要求掛鉤[5]，從專業(yè)能力、素質(zhì)能力和工程能力幾個方面制定課程的總體培養(yǎng)目標及能力培養(yǎng)要求。

從專業(yè)能力方面要求學生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念、原理、結(jié)構(gòu)，掌握嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)流程及開發(fā)流程中涉及的各種技術(shù)、軟件和工具的使用;掌握開發(fā)環(huán)境的搭建如BootLoader的移植、內(nèi)核裁剪及移植、簡單驅(qū)動程序編寫，掌握嵌入式GUI、數(shù)據(jù)庫等上層應(yīng)用程序的設(shè)計和編程。從素質(zhì)能力方面培養(yǎng)學生的溝通和交流，以及團隊合作能力。項目設(shè)計及實施方面要求學生能夠自行完成小型嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)。表1列出了課程部分知識點對應(yīng)的能力培養(yǎng)點。

3.2? ?教學內(nèi)容

基于上述的教學目標，課程以ARM9微處理器和Linux系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程為主線，制定相關(guān)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(tǒng)”為驅(qū)動，按照嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程，將項目進行分解，從開始的編程基礎(chǔ)環(huán)境搭建，到開發(fā)環(huán)境搭建，再到驅(qū)動程序開發(fā)，到最后的基于Qt的上層應(yīng)用開發(fā)，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(xù)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(jù)的案例及實驗方案

為了激發(fā)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(wù)，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(huán)節(jié)，受限于大綱的要求，課程實驗學時設(shè)置為10學時，即五次實驗課程。設(shè)置了交叉編譯、Kernel移植、LED驅(qū)動、Qt移植，以及最后三級項目調(diào)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(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境搭建起來，從而完成最后的三級項目。

案例中設(shè)置基本的理論知識講解和針對理論知識設(shè)置的實踐操作步驟。實驗有相應(yīng)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(wù)后，即可自行完成實驗。通過案例和實驗的設(shè)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(fā)即可，充分發(fā)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(shè)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(tài)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(jù)課程教學目標和課程內(nèi)容的設(shè)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(jié)性考核，是考查學生本門課程學習情況的最重要的一環(huán)，也是考查學生能力提升的重要途徑。三級項目從系統(tǒng)設(shè)計、項目劃分、階段成果、項目創(chuàng)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(jié)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(wù)，要求學生自行查閱資料并獨立完成任務(wù)，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(nèi)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(jù)考核情況計算出能力達成度。

（3）階梯式題目設(shè)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(nèi)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(cè)重。比如課程項目題目要求會根據(jù)學生水平設(shè)置基礎(chǔ)版和進階版，每個版本設(shè)置最低要求，分數(shù)也會有所不同，學生可根據(jù)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(shè)置項目的背景分析、功能描述、體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)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(nèi)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(yīng)變能力，也能對其他同學起到啟發(fā)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(chuàng)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(chuàng)新。通過設(shè)置一定的創(chuàng)新激勵分數(shù)，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(shù)上給予鼓勵，學生會非常愿意嘗試，以此養(yǎng)成學生創(chuàng)新的慣性思維。

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

經(jīng)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(jīng)過本門課程的學習，再結(jié)合其他課程的內(nèi)容，學生可以在很多方面提升自己，包括課程項目、大創(chuàng)項目、學生競賽、畢業(yè)設(shè)計和就業(yè)等。比如學生申報國家級大創(chuàng)項目“有機蔬菜溯源系統(tǒng)”“水田水量監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)”“智能蔬菜大棚”“室內(nèi)空間質(zhì)量檢測及控制系統(tǒng)”等;也參加“博創(chuàng)杯”“賽佰特杯”“iCAN”等比賽，最重要的是，學生學會了如何設(shè)計、實施、運行一個簡單的嵌入式系統(tǒng)，為后面的就業(yè)做好了初步的準備。

5? ?結(jié)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(fā)揮空間，而不是拘禁到以考試為目的的學習框架里。經(jīng)過幾輪教學后，學生對嵌入式系統(tǒng)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(xù)的學習能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻（References）

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