楊學存　杜京義

摘要：本文針對嵌入式系統(tǒng)教學過程中存在的問題，在嵌入式系統(tǒng)課程教學中，引入CDIO教育理念，以工程項目或案例為教學內(nèi)容，構(gòu)建基于Proteus+Keil的虛擬仿真平臺和硬件實物平臺，由“虛”入“實”，由虛擬實驗平臺過渡到硬件實物平臺，激發(fā)了學生興趣，能真正培養(yǎng)學生的實踐動手能力、分析問題解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；嵌入式系統(tǒng)；虛擬仿真平臺；硬件實物平臺；做中學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）35-0198-02

目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到控制、通信、自動化等領(lǐng)域，幾乎涵蓋了所有行業(yè)的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)課程成為電類專業(yè)、計算機類專業(yè)的核心課程。我校自動化和測控技術(shù)與儀器等專業(yè)均開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，為了提高課程的教學效果，課程組的教師們對該課程的教學過程進行了積極有益的探索和嘗試。

一、嵌入式系統(tǒng)教學過程中存在的主要問題

嵌入式系統(tǒng)采用的是“課堂教學+課程設(shè)計”的教學模式，該教學模式存在以下幾個問題。

1.教學效果不好，學生學習主動性差。雖然在課堂教學中，在講解理論性知識和編程知識的同時會融入工程實踐實驗，結(jié)合原理圖進行軟件設(shè)計，但是課堂講解難以形象化鋪展，理論授課與實踐脫節(jié)，不利于學生的快速吸收，讓學生感到上課枯燥，導致無法調(diào)動學生的主動性和積極性。

2.不能讓每個學生參與設(shè)計，學生動手能力培養(yǎng)欠佳。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，學生開始動手實踐，由于實驗室資源的限制，課程設(shè)計三人一組，每個人有不同的分工，共同完成一個課題，這時會讓學生產(chǎn)生依賴思想，會使有些學生從中渾水摸魚，蒙混過關(guān)，無法讓每個學生都能親自動手實踐，培養(yǎng)他們的動手能力。

3.無法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，要求學生從課程方案的設(shè)計到硬件原理的分析、設(shè)計和焊接以及軟件的設(shè)計和編程都要自主進行。硬件電路的設(shè)計雖然在其他課程已經(jīng)學習過，但是如果之前沒有對硬件原理的正確性進行過驗證的話，在課程設(shè)計的三周時間內(nèi)，學生不可能做出復雜的課題，只能是綜合性的實踐課題，那么不把實際的工程項目引入的實踐教學中，就無法鍛煉學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的動手能力。

因此，這種教學模式?jīng)]有從系統(tǒng)性、工程性的角度讓學生全面、深入地掌握嵌入式系統(tǒng)的精髓，不能很好地培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，影響了該門課程培養(yǎng)創(chuàng)新型大學生教學目標的實現(xiàn)。

二、嵌入式系統(tǒng)教學改革

1.教學內(nèi)容與教學目標。在嵌入式系統(tǒng)課程中引入CDIO教學理念（CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）四個英文單詞的縮寫），采用項目式教學方法，通過“做中學”的方式全面提高學生的工程能力和創(chuàng)新能力，即在嵌入式系統(tǒng)課程教學中，引入CDIO教育理念，以工程項目或案例為教學內(nèi)容，通過“做中學”的方式，讓學生變?yōu)檎J知的主體，變被動學習為主動學習，主動建立起實踐和課程理論之間的有機聯(lián)系，提高學生的興趣，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。主要包括以下三個方面的研究內(nèi)容，見圖1。

（1）將工程項目和競賽課題引入課程教學。基于CDIO的項目教學理念，在課程教學中，圍繞工程實踐項目和競賽課題，理論聯(lián)系實際，將實踐教學內(nèi)容依次分為設(shè)計實驗?zāi)K、綜合性設(shè)計和實踐模塊以及最終的工程項目實踐模塊。

（2）圍繞工程項目和競賽課題，構(gòu)建基于“Proteus+Keil”的虛擬仿真平臺。利用Proteus仿真進行虛擬嵌入式系統(tǒng)實驗，構(gòu)建虛擬仿真平臺。在Proteus仿真環(huán)境中設(shè)計原理圖，并利用Keil軟件設(shè)計程序代碼，然后進行“Proteus+Keil”的聯(lián)合仿真，在Proteus的交互式仿真環(huán)境中進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗證系統(tǒng)的正確性。在課堂教學中，把電路實驗、綜合性設(shè)計實踐、競賽課題、工程項目實踐等模塊在虛擬仿真平臺上進行仿真驗證。

（3）搭建硬件實物平臺，并與虛擬仿真平臺有機結(jié)合。學生把電路實驗、綜合性設(shè)計實踐和工程項目實踐模塊在虛擬仿真平臺上驗證之后，學生自動動手，進行硬件電路設(shè)計和軟件編程，進一步在硬件實物平臺上實現(xiàn)項目實際的功能，由虛入實，縮短了課題的開發(fā)周期，激發(fā)了學生的興趣，使課程教學效果顯著提高。

通過在教學過程中構(gòu)建基于CDIO理念的“由虛入實”的嵌入式系統(tǒng)課程教學方法，激發(fā)學生的興趣，讓每一個學生都能完整進行硬件設(shè)計和軟件編程，都能動手實踐。解決在嵌入式系統(tǒng)教學中理論教學和實踐教學脫節(jié)的問題，真正培養(yǎng)每個學生的工程能力和創(chuàng)新能力。

2.教學方法及主要特色。在嵌入式系統(tǒng)教學中融入CDIO理念，進行項目式教學，將“做中學”的理念貫穿于教學活動中，從傳統(tǒng)的教學模式向新型授課模式轉(zhuǎn)變。以工程教育觀念為指導原則，通過工程實踐項目案例分析，向?qū)W生展示出知識應(yīng)用與工程實踐技能，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為目標開展教學。CDIO理念下“由虛入實”的課程教學方法如圖2所示。

（1）在教學體系上，采取“1+3”教學體系，即一個總體三個模塊的模式。在課堂教學和實踐教學過程中，圍繞工程項目開展，從基本的設(shè)計實驗?zāi)K到綜合性設(shè)計和實踐模塊，再到最后的項目實踐模塊，以易到難，依次遞進，最終都為項目設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

（2）在課堂教學中，理論學習與實踐同時進行。在“Proteus+Keil”的虛擬實驗平臺上，讓學生作為學習的主體，依次進行設(shè)計實驗?zāi)K、綜合性設(shè)計與實驗?zāi)K和項目實踐模塊的仿真調(diào)試。其中包括虛擬硬件電路設(shè)計和軟件程序的編寫與仿真。在硬件和軟件分別完成和仿真成功后，將兩者結(jié)合起來調(diào)試與仿真，檢驗它的正確性與可行性。

（3）在實踐教學中，由虛入實，將三個模塊在硬件實物平臺上實現(xiàn)。設(shè)計實驗?zāi)K、綜合性設(shè)計與實驗?zāi)K和項目實踐模塊在虛擬實驗平臺上進行正確性驗證之后，在實踐教學中，學生自己動手搭建電路，在硬件實物平臺上進行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)各模塊的實際功能。該方法的特色之處在于：①圍繞工程項目和課題競賽，將實踐（硬件設(shè)計和軟件編程）引入課堂教學。②由虛入實的教學模式，能讓每個學生動手實踐。

三、教學效果

在課程教學中，通過虛擬實驗平臺，以學生作為主體，完成設(shè)計實驗?zāi)K、綜合性設(shè)計與實踐模塊、項目實踐模塊的Proteus仿真與調(diào)試，完成可行性和正確性驗證。學生知識點理解和記憶透徹，學習興趣提高，學習效率提高。在硬件實驗平臺上，學生進行硬件電路的設(shè)計與調(diào)試、軟件程序代碼的編寫與仿真以及軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，鍛煉了學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]劉志雄.基于CDIO的實踐類課程教學改革研究[J].長沙大學學報，2014，28（4）：156-157.

[2]林承超，胡均萬.嵌入式系統(tǒng)教學改革探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2016，（1）：57-58.