呂東澔， 朱佰成， 崔桂梅， 田 海

(內蒙古科技大學 信息工程學院， 內蒙古 包頭 014010)

0 引 言

面對“十三五”經濟社會發(fā)展新形勢新任務新要求，黨和國家做出實施人才優(yōu)先發(fā)展的重大戰(zhàn)略決策。為了建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略，教育部提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在提高我國工程教育人才的培養(yǎng)質量。近年來國際工程教育改革也有了新成果——CDIO工程教育模式[1-3]，它將構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)貫穿在完整的項目周期中，通過“做中學”[4]的方式來培養(yǎng)高質量的創(chuàng)新型工程技術人才。

嵌入式系統(tǒng)的功能強、體積小、可靠性高，應用已經深入到工業(yè)、農業(yè)、軍工業(yè)以及日常生活的各個領域，相應的新興產業(yè)人才需求也變得高端化、多樣化。因此越來越多的高校開設了“嵌入式系統(tǒng)[5-6]”方面的課程。但我國嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展處于初級階段，人才培養(yǎng)和教學并沒有形成一種適應社會需求的體系。

1 嵌入式系統(tǒng)課程特點

嵌入式系統(tǒng)定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[7-8]。

嵌入式系統(tǒng)課程的綜合性強，教育內容覆蓋面大，既要掌握單片機、C語言、數(shù)模電路與信號檢測等基礎課程，又要了解控制、網(wǎng)絡、機械等專業(yè)相關課程。

嵌入式系統(tǒng)課程注重實踐性，因為是面向應用進行軟硬件協(xié)同設計，無論是軟件編程還是硬件設計，都需要經過反復實踐與總結來完善系統(tǒng)性能指標[7]。

嵌入式系統(tǒng)課程具有一定的發(fā)展性，硬件的更新?lián)Q代，軟件的推陳出新，用戶需求也逐漸變化，所以教學要跟進嵌入式研發(fā)，同步更新教授內容，從而適應市場的就業(yè)需求。

2 嵌入式系統(tǒng)課程教學現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)課程具有較強的綜合性、實踐性與發(fā)展性，從而教學難度增大，以致高校的課程設置難以滿足卓越工程師的培養(yǎng)標準，主要表現(xiàn)：

(1) 師資力量薄弱，老教師掌握技術落后，新教師偏重理論研究，缺乏實際項目經驗，實踐能力不足，難以組織高效的教學活動。

(2) 對課程的認知度低，教學無統(tǒng)一。有些高校僅為了招生需要而增設了嵌入式課程，但教學內容不同，配備的實驗平臺也沒有統(tǒng)一的標準。

(3) 傳統(tǒng)教學方法不能達到行業(yè)人才培養(yǎng)要求。嵌入式系統(tǒng)課程的理論與實踐結合性很強，需要大量的實驗環(huán)節(jié)輔助學習，而傳統(tǒng)教學方法偏重理論學習，無法滿足綜合性、設計性強的實踐環(huán)節(jié)，學生只會按照實驗指導書上的步驟驗證實驗，不能獨立思考原理，使得學生在這種機械化實驗中失去學習興趣。

因此，如何將CDIO模式完整的融合在嵌入式系統(tǒng)課程的教學方案中，強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力，是教學中亟待解決的問題。

3 基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)教學改革

針對嵌入式系統(tǒng)的課程特點與教學現(xiàn)狀，結合國外先進的CDIO教學模式，從師資、實驗設備與實踐教學3方面對嵌入式系統(tǒng)教學進行改革，如圖1所示。

3.1 師資隊伍建設

CDIO教學模式的改革關鍵就是師資隊伍建設。教師既要具備扎實的理論基礎，又要擁有豐富的實踐經驗，同時洞悉嵌入式技術發(fā)展的新動態(tài)，這樣才能進行基于CDIO工程教育理念的教學改革。

教師應該改變傳統(tǒng)的教學方法，重新學習新的教學模式。教師可以組成研發(fā)團隊，把項目引進學校，讓學生切身實際的參與項目的構思、設計、實現(xiàn)與運作。同時教師也了解到專業(yè)前沿的最新技術，從而有的放矢地去指導學生從事科研的技術研發(fā)。

圖1 基于CDIO工程教育模式的嵌入式課程改革

學校要選取實踐經驗不足的教師到研究院所或企業(yè)進行定期的進修學習，同時也要邀請經驗豐富的高級工程師到校兼職任教，讓學生接觸到真正的嵌入式工程。另外，學校也要制定相應的管理體制來保證教改教師的利益，包括考核體系、職稱評定體系。

3.2 嵌入式系統(tǒng)實驗室完善

CDIO工程教育模式的核心內容中關于實踐場所有統(tǒng)一的標準，作為科研與教學的重要場所，實驗室對培養(yǎng)應用型專業(yè)人才尤為重要[9]。所以開設嵌入式系統(tǒng)課程的高校必須配備專用的實驗室。

首先要改善實驗室的硬件環(huán)境，加強實驗室的整體規(guī)劃，合理配置資源，重視嵌入式技術的發(fā)展性，搭建先進實用的實驗平臺。可以引入Proteus軟件，它是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，集合PCB設計、電路仿真和虛擬模型仿真于一體的軟件設計平臺，豐富的器件庫與虛擬儀器，多樣的激勵源與CPU類型，幫助學生輕松地將產品概念變成完整的產品設計，極其適用于嵌入式軟件的教學與實踐。

另外，要深化管理體制改革，實施校院兩級實驗室建設，促進實驗室共享的激勵和保障機制，提升實驗室效益發(fā)揮，從而給予學生更多的實踐機會，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.3 實踐教學改革

實踐教學是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對于嵌入式系統(tǒng)課程來說，意義尤為重大[10]。必須改變傳統(tǒng)的教學模式，將以教師為主的“聽中學”消極學習模式轉變?yōu)橐詫W生為主的“做中學”主動學習模式[8]，為了避免教學與實踐的分離，不單獨設立理論課程，而是在實驗室中同步進行理論講授與實踐教學，使學生更高效地理解授課內容。

教學方法采用項目教學法[11-12]，既結合CDIO模式能力大綱[13-16]，選取有層次性的實際工程項目(見表1)，引導學生分析項目的構思、設計、實施和運作，讓學生以團隊的形式來完成“需求分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試與系統(tǒng)發(fā)布”等一般嵌入式開發(fā)的系列環(huán)節(jié)。

表1 結合CDIO工程教學目標的工程項目

圖2所示為學生制作的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由熱電偶PT100檢測溫度數(shù)據(jù)傳送給STM32控制器，通過操控繼電器和伺服電動機來維持恒定溫度，由MCGS顯示屏實現(xiàn)實時顯示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)保存與導出和控制按鈕等功能。這樣一個實際的項目既包括硬件電路設計和軟件程序編寫，又涉及伺服電動機控制和昆侖組態(tài)，項目的實用性能調動學生自主學習和研究的積極性，項目的復雜性可以鍛煉學生的團隊協(xié)作和系統(tǒng)分析能力，最終讓學生提交總結報告，用項目功能答辯的方式來考核學生的成績。

圖2 由學生制作的溫度控制系統(tǒng)圖

結合大學生實踐創(chuàng)新項目，鼓勵學生參加科技創(chuàng)新比賽，例如飛思卡爾智能車、機器人和電子設計大賽，見圖3。通過參加科技競賽，能鍛煉學生對實際問題進行整體項目設計的能力[15]，引導學生探究規(guī)律和致力創(chuàng)新，培養(yǎng)學生對問題的思考和解決能力，激發(fā)學習的主動性和創(chuàng)造性，提高學生的動手能力。

圖3 學生參加飛思卡爾智能車競賽

4 結 語

結合我國高校的實際情況，吸收國外先進的CDIO工程教育理念，依托我校嵌入式相關專業(yè)的人才培養(yǎng)試點，圍繞“做項目”的模式組織和展開教學，培養(yǎng)學生工程項目CDIO能力，理論與實踐有機結合，激發(fā)學生的學習興趣，積累了項目實踐經驗，培養(yǎng)了團隊合作精神，實現(xiàn)了應用型人才培養(yǎng)的整體目標。