基于CDIO模式的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐探索*

鄧 浩

（湖南交通工程學(xué)院 湖南衡陽 421000）

近年來，“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”等概念在社會和各高校中廣泛流行。為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和社會競爭力，適應(yīng)工作崗位和自我提升需求，各學(xué)校采用了多種課程教改方法。其中CDIO工程教育模式就是一種較成熟、較適合的教學(xué)模式，對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)有較大的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。

一、嵌入式系統(tǒng)課程概念及教學(xué)中存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)硬件與軟件結(jié)合的產(chǎn)物，是置入應(yīng)用對象內(nèi)部起信息處理和控制作用，并實(shí)現(xiàn)特定功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從上世紀(jì)70年代英特爾公司研發(fā)出第一款微處理4004開始，就有了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，如今應(yīng)用最為廣泛的是單片機(jī)、DSP、ARM。其中ARM是公司的名稱、一類微處理器通稱和一種技術(shù)的名稱，ARM公司作為設(shè)計(jì)公司，本身并不生產(chǎn)芯片，而是采取轉(zhuǎn)讓許可證制度，由授權(quán)公司生產(chǎn)芯片。目前ARM Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M系列處理器為不同的市場提供服務(wù)，占據(jù)了嵌入式市場最重要的份額，所以目前各高校的嵌入式系統(tǒng)課程主要是圍繞ARM系統(tǒng)來討論。

嵌入式系統(tǒng)課程作為一門典型的工程應(yīng)用課程，綜合性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)，通常開設(shè)在本科、碩士階段。嵌入式系統(tǒng)課程開設(shè)的主要目的是通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生打好嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)，掌握嵌入式系統(tǒng)涉及的基本理論，構(gòu)建成為一名良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所需的基本知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力，具備一定的項(xiàng)目開發(fā)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。當(dāng)前高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)主要存在教學(xué)內(nèi)容落后、實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)不足且實(shí)驗(yàn)設(shè)施陳舊、教學(xué)方法傳統(tǒng)、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，導(dǎo)致了所學(xué)內(nèi)容與社會脫節(jié)，不能順應(yīng)嵌入式新體系、新技術(shù)的發(fā)展潮流；實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，故障頻發(fā)，不能正常使用；實(shí)驗(yàn)課程流于形式，大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情不高，效果不理想等現(xiàn)象，所以非常需要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革。

二、CDIO工程教育模式下的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐

CDIO理念最早是2000年提出的，由美國麻省理工學(xué)院和瑞典的三所大學(xué)共同研究并經(jīng)改進(jìn)后，確立為CDIO工程教育模式，偏向應(yīng)用于理工方面，并在世界多個(gè)國家推廣應(yīng)用[2]。CDIO將教育理論與實(shí)踐操作相結(jié)合，圍繞三大核心（1個(gè)大綱、1個(gè)愿景、12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)）內(nèi)容，學(xué)生采用主動(dòng)的、實(shí)踐的方式進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，教師起輔助和指導(dǎo)作用，從而豐富和提升學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際溝通能力和工程系統(tǒng)能力。CDIO理念對教師和學(xué)生都有很好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。因此，把CDIO理念結(jié)合本科課程，提出具體思路后進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐，并進(jìn)行系統(tǒng)和全面的實(shí)證研究，對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革具有重要意義。

1.課程群體系建設(shè)

課程群體系建設(shè)具有開局意義，是課程教學(xué)體系改革的重中之重。根據(jù)《中國嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)投資及發(fā)展建議分析報(bào)告2021-2026》中我國嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、嵌入式人才的技能需求，以及IEEE和ACM起草的嵌入式系統(tǒng)課程體系建議，再結(jié)合各院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，研究符合本院校實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)課程體系架構(gòu)[3]。以我院為例，修訂后的嵌入式系統(tǒng)課程群體系結(jié)構(gòu)如下：先修課程除公共課外，設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計(jì)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、模擬電路、數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理等；嵌入式課程主要涉及嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)工具等，另外針對實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)還有專門的認(rèn)知和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對當(dāng)前大量使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如RFID、感知、控制、微電子、網(wǎng)絡(luò)通信、IoT通信技術(shù)等也有涉及。這些內(nèi)容并不是固定的，應(yīng)隨著新技術(shù)的發(fā)展不定期擴(kuò)充。

2.課程內(nèi)容改革

基于CDIO工程教育模式的嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)最注重的是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作能力和調(diào)控能力的培養(yǎng)鍛煉[4]。需要極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，所以我們采用了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，對教學(xué)內(nèi)容按照項(xiàng)目開發(fā)過程制定教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐內(nèi)容，對項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行分解，把課程知識點(diǎn)融入項(xiàng)目的開發(fā)之中，并確定項(xiàng)目開發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。課程要圍繞完成項(xiàng)目開發(fā)的模式展開，按照各課程的不同開設(shè)順序和軟件開發(fā)層次，進(jìn)行分階段、分層次系統(tǒng)開發(fā)。在各階段要通過相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行鞏固運(yùn)用，在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要通過綜合項(xiàng)目來綜合各階段的相關(guān)知識點(diǎn)，通過綜合應(yīng)用來提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

根據(jù)嵌入式課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程內(nèi)容需要結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺來組織，最好是以市場上成熟的開發(fā)板為基礎(chǔ)。筆者所在學(xué)院采用了當(dāng)前主流，以基于ARM Cortex-M7的STM32H743VIT6處理器為核心的星光猛禽開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)平臺，重點(diǎn)講述開發(fā)板的硬件資源、處理器的特征、指令集、定時(shí)器、DMA控制器、GPIO、SPI、IIC、UART、PWM等原理、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序開發(fā)及調(diào)試等內(nèi)容。

根據(jù)CDIO工程教育模式，針對產(chǎn)品的研發(fā)流程和嵌入式知識結(jié)構(gòu)，結(jié)合開發(fā)板，將課程教學(xué)分為以下三個(gè)階段，相關(guān)核心內(nèi)容如表1所示。

表1 嵌入式系統(tǒng)課程核心內(nèi)容

對于基礎(chǔ)階段和提升階段，每個(gè)講授內(nèi)容都有具體的項(xiàng)目，通過實(shí)踐可熟悉每個(gè)知識點(diǎn)。在綜合階段安排了幾個(gè)綜合的實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板的各種開發(fā)知識，還結(jié)合了傳感器驅(qū)動(dòng)、無線通信協(xié)議編寫、前端等知識，需要學(xué)生組團(tuán)進(jìn)行協(xié)同開發(fā)，師生可以模擬真實(shí)的項(xiàng)目管理過程。

通過這三個(gè)階段的講授和項(xiàng)目實(shí)踐，豐富了學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，提高了開發(fā)能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力、項(xiàng)目文檔編輯能力和綜合應(yīng)用能力。學(xué)生還可在自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐中找到自己的興趣點(diǎn)，在相關(guān)領(lǐng)域深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐，不斷提升自己的綜合能力，更好地適應(yīng)未來工作崗位的需要。

3.教學(xué)方法改革

嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容確定后，應(yīng)該采取怎樣的教學(xué)方法來組織教學(xué)呢？該課程是以工程應(yīng)用為主，為激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，需要將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。在流程設(shè)計(jì)上，根據(jù)CDIO工程教育模式，分成構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行四個(gè)步驟，各步驟都對應(yīng)了相應(yīng)的教師和學(xué)生活動(dòng)。課堂上，老師可根據(jù)課堂內(nèi)容所涉及的項(xiàng)目，結(jié)合開發(fā)板進(jìn)行理論和實(shí)際操作講授，學(xué)生邊學(xué)邊做，加深理解。針對項(xiàng)目中的重難點(diǎn)內(nèi)容，教師先列舉出來，進(jìn)行知識串講，講解決問題的思路、思維方式和具體方法，然后由學(xué)生自行查找相關(guān)書籍和網(wǎng)絡(luò)資源，經(jīng)過學(xué)生間的頭腦風(fēng)暴，理解各知識點(diǎn)，并找出項(xiàng)目中遇到問題的解決途徑和方法。

舉個(gè)例子，在講授LED燈亮滅的項(xiàng)目時(shí)，老師可從以下步驟來講授：（1）基礎(chǔ)知識講授：開發(fā)板IO口的數(shù)量和分組，GPIO的4種輸入模式和4種輸出模式（結(jié)合STM32引腳電路圖進(jìn)行講解），GPIO相關(guān)寄存器配置，時(shí)鐘配置。（2）相關(guān)函數(shù)介紹，如時(shí)鐘配置函數(shù)、延時(shí)函數(shù)、電平翻轉(zhuǎn)函數(shù)等。（3）利用keil5.34開發(fā)工具新建工程，也可利用配套模板，編寫相關(guān)程序。（4）使用STM32CubeMX軟件，通過圖形化的配置功能，直接生成HAL庫的工程文件后，然后在相關(guān)用戶代碼位置添加延時(shí)、電平翻轉(zhuǎn)等代碼并進(jìn)行調(diào)試。在講授過程中同步演示，然后學(xué)生再結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)自己的掌握情況查閱相關(guān)資料，實(shí)現(xiàn)LED燈亮滅的實(shí)驗(yàn)。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要不斷在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐中積累開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)行理論和實(shí)踐教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)多鼓勵(lì)學(xué)生參加各種競賽，如挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽等。采取學(xué)生為主、老師為輔、共同參與的形式，在參與的過程中群策群力，有針對性地去查找資料、學(xué)習(xí)和討論，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，并增強(qiáng)自信。另外堅(jiān)持校企合作，提供給學(xué)生進(jìn)企業(yè)實(shí)踐的機(jī)會，接觸市場上的最新行業(yè)動(dòng)向，新技術(shù)，學(xué)習(xí)企業(yè)文化和企業(yè)管理機(jī)制，參與某項(xiàng)產(chǎn)品的開發(fā)工作，從而開闊視野，提高學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)能力和就業(yè)競爭力。

為激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐熱情，還應(yīng)改革課程考核方式。摒棄傳統(tǒng)的以最終筆試成績來評定學(xué)生學(xué)習(xí)水平的方式，采用項(xiàng)目考核與筆試考核相結(jié)合的方式。在項(xiàng)目考核環(huán)節(jié)，可由老師擬制也可由學(xué)生自擬項(xiàng)目，學(xué)生單獨(dú)或分組完成項(xiàng)目，在項(xiàng)目中要進(jìn)行階段性檢查和現(xiàn)場答辯，項(xiàng)目完成后每人要提交項(xiàng)目研究報(bào)告。老師根據(jù)階段檢查情況，結(jié)合項(xiàng)目研究報(bào)告給出項(xiàng)目考核成績。另外參加了各類競賽和創(chuàng)新活動(dòng)的同學(xué)也要酌情加分。通過這樣的考核方式可以讓學(xué)生獲得較公正的實(shí)踐能力評價(jià)，同時(shí)也激勵(lì)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐熱情。

三、課程教學(xué)改革取得的初步成效

為檢驗(yàn)CDIO工程教育模式的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)效果，我校在18級和19級的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科班進(jìn)行了教學(xué)效果對比。其中在18級采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在19級采用CDIO工程教育模式。收集并對比兩個(gè)班級的嵌入式課程設(shè)計(jì)和期末考試成績，可明顯看出19級學(xué)生的課程設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量明顯更高，體現(xiàn)為項(xiàng)目的難度更大，代碼質(zhì)量更高，項(xiàng)目文檔更具體和規(guī)范；在期末考試試題難度相近的情況下，18級的班級平均分為72.3分，19級的班級平均分為81.6分。另外19級有兩個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)分別獲得了2021年湖南省物聯(lián)網(wǎng)競賽創(chuàng)意類作品二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。從對比情況可看出采用了CDIO工程教育模式的嵌入式系統(tǒng)課程收到了良好的教學(xué)效果。