融合CDIO理念的“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程改革探索*

曹 樂，袁 艷

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨人口紅利衰減、環(huán)境資源制約日益強(qiáng)化的困難，傳統(tǒng)機(jī)械相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)模式已無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。智能制造工程專業(yè)適應(yīng)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展要求，綜合應(yīng)用智能制造知識(shí)、信息科學(xué)知識(shí)、機(jī)械工程理論以及人工智能理論，解決智能制造工程中各類復(fù)雜工程問題。“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程是智能制造專業(yè)的核心課程，以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，熟練掌握Linux系統(tǒng)的原理和開發(fā)流程，進(jìn)一步拓展到嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，對(duì)學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建起到舉足輕重的作用。

通過調(diào)研機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化等專業(yè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的開課情況，發(fā)現(xiàn)很多院校仍采用理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主體，綜合性實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，導(dǎo)致嵌入式人才的培養(yǎng)效果并不理想，學(xué)生綜合能力無法滿足社會(huì)需求。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題

1.1 教學(xué)方法傳統(tǒng)，內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”對(duì)于相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐性要求非常高，只有通過針對(duì)性的實(shí)踐訓(xùn)練才能理解和鞏固所學(xué)知識(shí)。由于課時(shí)緊張、教師實(shí)踐能力欠缺等多方面因素，課程更多地停留在理論層面的知識(shí)講解，實(shí)踐環(huán)節(jié)鍛煉明顯不足[1]。教學(xué)方式以教師講課為主，僅僅通過文字和多媒體課件，無法很好地表述和詮釋嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行原理；學(xué)生在有限實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)，實(shí)踐能力難以得到鍛煉，更多是被動(dòng)接受老師填鴨式教學(xué)，達(dá)不到提升能力的目的[2]?；贑語言的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期長、難度大，僅憑一門課程的學(xué)習(xí)就要熟練掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程，這對(duì)學(xué)生來說要求過高。嵌入式開發(fā)若基礎(chǔ)知識(shí)沒有掌握牢固，后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)更是舉步維艱，容易導(dǎo)致學(xué)生越學(xué)越覺得難，越學(xué)越失去興趣，最后放棄課程，但求考核通過而已。

1.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)單一化，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏層次

目前，“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)較為單一，教學(xué)主要以理論課程為主，配套少量課內(nèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)用于加深對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解。對(duì)于實(shí)踐性很強(qiáng)的“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程來說，過多的理論課時(shí)往往造成紙上談兵，對(duì)知識(shí)點(diǎn)一知半解。同時(shí)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)置偏少，無法使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通；對(duì)開設(shè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大多采用嵌入式綜合實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，學(xué)生僅需連線即可完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)各模塊缺少清晰認(rèn)識(shí)，對(duì)源代碼的運(yùn)行機(jī)理并未掌握。

1.3 教學(xué)內(nèi)容缺乏特色，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)講授嵌入式操作系統(tǒng)原理，單片機(jī)的軟硬件基礎(chǔ)，包括總線架構(gòu)、通信技術(shù)、存儲(chǔ)器讀取技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、通用輸入輸出接口、傳感器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、開發(fā)環(huán)境配置等。課程內(nèi)容煩瑣枯燥，學(xué)生對(duì)課程容易產(chǎn)生畏懼心理，學(xué)習(xí)興趣不足；進(jìn)行嵌入式項(xiàng)目開發(fā)，學(xué)生還需要進(jìn)一步進(jìn)行編譯、調(diào)試、燒錄等工作，環(huán)節(jié)缺一不可。前期繁重枯燥的準(zhǔn)備工作，使學(xué)生無法及時(shí)體會(huì)到項(xiàng)目工作的成就感，任意一個(gè)環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤都會(huì)使整體進(jìn)度停止下來，學(xué)生因經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愠３o法解決問題，久而久之失去學(xué)習(xí)興趣[3]。

2 融合CDIO理念的課程教學(xué)改革

2.1 CDIO教育理念

CDIO是麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)在Wallenberg基金會(huì)資助下于2004年創(chuàng)立的一種基于工程教育改革的新型教育模式[4]。CDIO能夠系統(tǒng)地將嵌入式項(xiàng)目構(gòu)思與設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作能力培養(yǎng)融入到項(xiàng)目式教學(xué)當(dāng)中，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容具有可操作的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。CDIO教育理念是以從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，通過課程內(nèi)容實(shí)踐化將相關(guān)知識(shí)體系之間有機(jī)聯(lián)系起來，讓學(xué)生通過項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行工程學(xué)習(xí)。國內(nèi)于2008年開始推行CDIO教育模式，通過校企合作、項(xiàng)目化教學(xué)和加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練的途徑，創(chuàng)新本科工程教育，以培養(yǎng)能滿足社會(huì)實(shí)際需求的工程技術(shù)人才，是“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的重要保障手段之一。

2.2 課程教學(xué)改革目標(biāo)

通過對(duì)CDIO標(biāo)準(zhǔn)體系的分析，結(jié)合“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，將CDIO理念貫穿到課程教學(xué)中，明確課程教學(xué)目標(biāo)：圍繞工程項(xiàng)目組織教學(xué)，將設(shè)計(jì)與操作結(jié)合，將學(xué)習(xí)與執(zhí)行結(jié)合，將創(chuàng)新與協(xié)作結(jié)合，建構(gòu)一個(gè)新的整合性的教育過程；注重對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)的講解，對(duì)項(xiàng)目開發(fā)綜合能力的培養(yǎng)，以及對(duì)職業(yè)發(fā)展規(guī)劃能力的培養(yǎng)；形成科學(xué)的課程考核方法，注重考核學(xué)生針對(duì)嵌入式項(xiàng)目如何構(gòu)思方案、設(shè)計(jì)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、開發(fā)運(yùn)作的綜合能力。

2.3 基于CDIO理念的課程教學(xué)改革

以行業(yè)發(fā)展和企業(yè)用人要求為指引，教學(xué)改革的核心思想是以嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目案例庫中綜合創(chuàng)新項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，將CDIO中構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作能力培養(yǎng)融入到教學(xué)環(huán)節(jié)中。如圖1所示，課程教學(xué)改革主要包括三個(gè)模塊：教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方式改革和考核方式改革[5]。

圖1 課程教學(xué)改革內(nèi)容

2.3.1 CDIO模式下教學(xué)內(nèi)容改革

CDIO工程培養(yǎng)理論要求教學(xué)內(nèi)容符合工程實(shí)踐的框架結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)用人單位亟需的技術(shù)能力和人際關(guān)系處理能力。課題組研究如何突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，將CDIO工程教育理念融入課堂教學(xué)，將以教師為主的填鴨式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主的實(shí)踐式教學(xué)模式。教學(xué)內(nèi)容改革包括以下三點(diǎn)。

1）基 于MicroPython+STM32進(jìn) 行 教 學(xué)。MicroPython是基于Python3語言的精簡版實(shí)現(xiàn)，語法與Python一致，通過腳本程序?qū)崿F(xiàn)STM32硬件的訪問和控制。將MicroPython引入到課程中，使學(xué)生不再畏懼編程，對(duì)于底層設(shè)備的操作更容易上手，無需經(jīng)過仿真調(diào)試、燒寫等過程，即可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，所見即所得，不再被煩瑣的調(diào)試開發(fā)流程所困擾。STM32單片機(jī)是目前市場上功能強(qiáng)、速度快、資源豐富、庫全面的一款非常適用于教學(xué)的單片機(jī)。MicroPython+STM32的組合，能使學(xué)生更加專注于嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的學(xué)習(xí)與操作，更容易提升學(xué)生對(duì)“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)興趣。

2）層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。構(gòu)建以嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的立體環(huán)教學(xué)模式，采用層層遞進(jìn)的方式，設(shè)置嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)驗(yàn)證層、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐層、嵌入式系統(tǒng)綜合創(chuàng)新層三層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。前兩層實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)CDIO要求的運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)能力，基礎(chǔ)驗(yàn)證層項(xiàng)目包括LED燈、GPIO、I2C總線、RTC時(shí)鐘、ADC、DAC、PWM、UART及各類傳感器實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用實(shí)踐層項(xiàng)目包括OLED顯示、PM2.5檢測儀、超聲波測距儀、智能溫控小風(fēng)扇、溫濕度測量儀等。綜合創(chuàng)新層實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)CDIO要求的構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力，項(xiàng)目包括物聯(lián)網(wǎng)家居監(jiān)控系統(tǒng)、智能產(chǎn)線過程控制系統(tǒng)、智能藍(lán)牙紅外循跡小車、智能物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)等[6]。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既能用MicroPython快速編寫、調(diào)試程序，完成常規(guī)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，也能在WiFi、LAN、Bluetooth、Camera等模塊的支持下，完成基于物聯(lián)網(wǎng)思想的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于科研能力較強(qiáng)的學(xué)生，還可以用C語言編寫各種外設(shè)的固件，再結(jié)合C與Python的接口，集成到定制的開發(fā)板。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3）嵌入式項(xiàng)目案例庫建設(shè)。項(xiàng)目案例庫是實(shí)現(xiàn)CDIO教育理念的載體。案例庫中的項(xiàng)目可以從學(xué)?？v向、橫向項(xiàng)目中凝練，從各類科技競賽的優(yōu)秀作品中選擇合適案例進(jìn)行匯編，也可聯(lián)系校外嵌入式培訓(xùn)機(jī)構(gòu)訂制培訓(xùn)案例。進(jìn)行案例庫開發(fā)，需要將現(xiàn)有基于C語言開發(fā)的嵌入式案例通過MicroPython進(jìn)行項(xiàng)目重構(gòu)。教師在進(jìn)行上述工作的過程中，能夠進(jìn)一步學(xué)習(xí)和提高自己，這對(duì)提高師資水平而言也是一條行之有效的措施。同時(shí)，學(xué)生在工作一段時(shí)間后，對(duì)所在行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平和技術(shù)需求會(huì)有更清晰的認(rèn)識(shí)。通過學(xué)生的反饋進(jìn)一步完善項(xiàng)目案例庫，教學(xué)內(nèi)容能夠始終圍繞實(shí)際項(xiàng)目展開，緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

2.3.2 CDIO模式下教學(xué)方式改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)孤立，并未按照項(xiàng)目實(shí)際開發(fā)流程組織教學(xué)，對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)缺少清晰的規(guī)劃。學(xué)生學(xué)習(xí)完每一章節(jié)，只對(duì)本章內(nèi)容有所了解，學(xué)到的知識(shí)是離散的，對(duì)本章內(nèi)容在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中如何應(yīng)用并沒有清晰的認(rèn)識(shí)，學(xué)完后常常是“知其然，不知其所以然”。課題組以CDIO模式為指導(dǎo)，將“項(xiàng)目教學(xué)法”引入課程的教授中，實(shí)現(xiàn)以學(xué)為中心的自主研究式學(xué)習(xí)。教學(xué)方式改革包括以下三點(diǎn)。

1）創(chuàng)新教學(xué)模式，采用“學(xué)生主導(dǎo)開發(fā)，教師輔助指導(dǎo)”的方法，學(xué)生通過小組討論、案例模仿等方式學(xué)習(xí)和理解知識(shí)點(diǎn)；教師通過基礎(chǔ)知識(shí)講解、疑難問題答疑的互動(dòng)教學(xué)模式組織課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生合作完成項(xiàng)目開發(fā)?！皩W(xué)生主導(dǎo)”的教學(xué)模式能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，合作解決開發(fā)過程中出現(xiàn)的各種技術(shù)難題。

2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生按每8人一組自由組隊(duì)，根據(jù)興趣從嵌入式案例庫中選擇題目，經(jīng)過討論后將項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解，按照各自任務(wù)進(jìn)行開發(fā)。項(xiàng)目開發(fā)期間，教師主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目進(jìn)度的把控，及時(shí)幫助學(xué)生解決疑難問題，各小組每隔一段時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度的匯報(bào)。

3）鼓勵(lì)學(xué)生積極參加校內(nèi)外各項(xiàng)科技競賽活動(dòng)，以賽促學(xué)?？萍几傎惢顒?dòng)能鍛煉學(xué)生整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)的能力，提高學(xué)生對(duì)“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)興趣。

2.3.3 CDIO模式下考核方式改革

傳統(tǒng)的考核方式以閉卷形式為主，卷面成績占比較大，考核偏重于理論知識(shí)，無法檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)過程的掌握情況。CDIO的評(píng)估方法是通過有效的過程評(píng)價(jià)來衡量能力高低。通過階段性考察的方式進(jìn)行課程考核和能力評(píng)價(jià)，可更加客觀地評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果。一方面，在教學(xué)過程中，研究如何通過多種形式的討論與互評(píng)，綜合考核學(xué)生“設(shè)計(jì)-制作”能力；另一方面，研究如何通過工程應(yīng)用案例，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成相關(guān)任務(wù)模塊后，根據(jù)項(xiàng)目完成標(biāo)準(zhǔn)，考核學(xué)生分析實(shí)際工程問題，改進(jìn)、解決問題的思維能力和行動(dòng)能力。

3 結(jié)語

以嵌入式項(xiàng)目開發(fā)為主線，將MicroPython融入到“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)過程中，不僅能使學(xué)生深刻掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，避免枯燥教學(xué)方式引起的對(duì)課程的畏懼心理，還能培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)所需要的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。基于CDIO的項(xiàng)目教學(xué)法采用理論實(shí)踐一體化教學(xué)模式，能夠在避免傳統(tǒng)教學(xué)模式弊端的情況下，發(fā)揮優(yōu)勢，培養(yǎng)出能力強(qiáng)、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型、復(fù)合型人才。工程教育是目前高校培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的必然發(fā)展趨勢，基于CDIO的項(xiàng)目教學(xué)法能夠較好地解決教與學(xué)的矛盾，是一種值得推廣的教學(xué)方法。