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(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，分別從課程內(nèi)容設(shè)置、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、教學(xué)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(duì)課程項(xiàng)目進(jìn)行了精心的設(shè)置;結(jié)合學(xué)生競賽和企業(yè)需求，制定課程實(shí)驗(yàn)和教學(xué)案例;從學(xué)生角度出發(fā)，以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為課程考核標(biāo)準(zhǔn)，制定了能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的考核方案，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：CDIO;嵌入式系統(tǒng);項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);教學(xué)模式;課程改革

中圖分類號(hào)：TP36? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)）和IEEE聯(lián)合制定了新版的計(jì)算機(jī)學(xué)科的課程體系（2004版），其中一個(gè)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(jì)算機(jī)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(duì)嵌入式人才的需求處于緊缺狀態(tài)，據(jù)華清遠(yuǎn)見統(tǒng)計(jì)，2017年嵌入式人才缺口達(dá)到了80萬人左右，社會(huì)對(duì)嵌入式開發(fā)人員的需求日漸增長，但是畢業(yè)生缺乏實(shí)踐能力，結(jié)果導(dǎo)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(duì)行業(yè)的發(fā)展非常重要。同時(shí)，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(jì)算機(jī)，以及控制等各專業(yè)學(xué)科的知識(shí)，學(xué)生既要掌握嵌入式硬件的基本結(jié)構(gòu)和功能，又要學(xué)會(huì)編寫驅(qū)動(dòng)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(xué)理念和方法，讓學(xué)生在理解什么是嵌入式系統(tǒng)的同時(shí)，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(xué)生獨(dú)立思考、深入研究問題的能力，以及實(shí)踐動(dòng)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(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate），它以項(xiàng)目從研發(fā)到與運(yùn)行的完整過程為載體，引導(dǎo)學(xué)生融入真實(shí)情景，主張以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為教學(xué)模式，讓教和學(xué)都變得不再盲目[4]。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的教學(xué)目標(biāo)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(shí)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，將各種能力培養(yǎng)融入教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中。

2? 傳統(tǒng)的教和學(xué)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，這種模式在教和學(xué)方面存在如下問題。

（1）知識(shí)灌輸型教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)方式大多采用的是知識(shí)灌輸方式，教師的教學(xué)目標(biāo)就是盡全力將自身存儲(chǔ)的知識(shí)傳授給學(xué)生，但忽略了學(xué)生的接受能力，教學(xué)過程中缺少與學(xué)生的互動(dòng)，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最后的教學(xué)效果適得其反。

（2）被動(dòng)接受型學(xué)習(xí)模式

由于講授內(nèi)容偏多，學(xué)生參與的機(jī)會(huì)比較少，大多時(shí)間是在被動(dòng)接受知識(shí)，沒有明確的目標(biāo);課程設(shè)計(jì)中沒有好的方法吸引學(xué)生的注意力，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不好。

3? CDIO模式的嵌入式系統(tǒng)課程的教與學(xué)（Teaching and learning of the embedded system course under CDIO mode）

引入CDIO教育理念后，課程從教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行了梳理和修改。

3.1? ?教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，遵循CDIO強(qiáng)調(diào)的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)與產(chǎn)業(yè)對(duì)學(xué)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(gè)方面制定課程的總體培養(yǎng)目標(biāo)及能力培養(yǎng)要求。

從專業(yè)能力方面要求學(xué)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(dòng)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(jì)和編程。從素質(zhì)能力方面培養(yǎng)學(xué)生的溝通和交流，以及團(tuán)隊(duì)合作能力。項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)施方面要求學(xué)生能夠自行完成小型嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)。表1列出了課程部分知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能力培養(yǎng)點(diǎn)。

3.2? ?教學(xué)內(nèi)容

基于上述的教學(xué)目標(biāo)，課程以ARM9微處理器和Linux系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程為主線，制定相關(guān)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)、案例和項(xiàng)目。課程的思維導(dǎo)圖如圖1所示。以三級(jí)項(xiàng)目“基于Qt的智能家居控制系統(tǒng)”為驅(qū)動(dòng)，按照嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程，將項(xiàng)目進(jìn)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(dòng)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(biāo)，完成上一部分目標(biāo)才能繼續(xù)下一部分，最后完成課程的既定項(xiàng)目。

3.3? ?以課程主線為依據(jù)的案例及實(shí)驗(yàn)方案

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課程盡量減少理論講解，而把理論知識(shí)融入案例和實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生在“做中學(xué)”。除了一些小的知識(shí)點(diǎn)的案例外，針對(duì)每次實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提前將實(shí)驗(yàn)中涉及的知識(shí)用案例形式在理論課堂上完成，減少實(shí)驗(yàn)課上的理論知識(shí)講解。

實(shí)驗(yàn)是本門課程最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，受限于大綱的要求，課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)設(shè)置為10學(xué)時(shí)，即五次實(shí)驗(yàn)課程。設(shè)置了交叉編譯、Kernel移植、LED驅(qū)動(dòng)、Qt移植，以及最后三級(jí)項(xiàng)目調(diào)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這五次實(shí)驗(yàn)貫穿了課程主線，層層遞進(jìn)的方式將嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境搭建起來，從而完成最后的三級(jí)項(xiàng)目。

案例中設(shè)置基本的理論知識(shí)講解和針對(duì)理論知識(shí)設(shè)置的實(shí)踐操作步驟。實(shí)驗(yàn)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生按照課堂上的講解，由教師明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，即可自行完成實(shí)驗(yàn)。通過案例和實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，教師只需在課堂上對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，在學(xué)生完成案例和實(shí)驗(yàn)過程中加以指導(dǎo)和啟發(fā)即可，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性，真正做到“做中學(xué)”。課程的案例及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.4? ?考核方法

考核方式對(duì)一門課程來說非常的重要，決定了學(xué)生對(duì)待此門課程的態(tài)度，合理的考核方式能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到理想的教學(xué)效果。課程之前采用的考核方式為閉卷筆試，考查的只是學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并沒有很好的考查學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的整體掌握情況，無法衡量學(xué)生對(duì)工程概念的理解程度和能力達(dá)成情況。引入CDIO教學(xué)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(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容的設(shè)置，從多個(gè)方面和多個(gè)角度來考查學(xué)生學(xué)習(xí)情況。三級(jí)項(xiàng)目的考核作為課程的終結(jié)性考核，是考查學(xué)生本門課程學(xué)習(xí)情況的最重要的一環(huán)，也是考查學(xué)生能力提升的重要途徑。三級(jí)項(xiàng)目從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目劃分、階段成果、項(xiàng)目創(chuàng)新性、項(xiàng)目答辯，以及項(xiàng)目報(bào)告六個(gè)方面來考查學(xué)生完成情況;課程實(shí)驗(yàn)貫穿于整個(gè)課程，會(huì)從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告四個(gè)方面來進(jìn)行考核;案例是輔助課程項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)的重要手段，會(huì)在課程進(jìn)行過程中隨堂考核;為了提高學(xué)生自學(xué)能力，布置課下自學(xué)任務(wù)，要求學(xué)生自行查閱資料并獨(dú)立完成任務(wù)，并通過報(bào)告和回答問題等方式進(jìn)行考核。

（2）可量化的能力考核

CDIO提倡能力達(dá)成情況。表2列出的是每項(xiàng)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(huì)細(xì)化到每項(xiàng)考核的考核指標(biāo)當(dāng)中，每個(gè)學(xué)生會(huì)有一個(gè)自己的能力考核表，并根據(jù)考核情況計(jì)算出能力達(dá)成度。

（3）階梯式題目設(shè)置

學(xué)生不同的個(gè)體在思維方法和知識(shí)背景上都會(huì)存在不同的差異，這種差異使學(xué)生具有不同的思維過程[6]。學(xué)生對(duì)課程的內(nèi)容掌握程序也會(huì)有差異，所以在教學(xué)和考核過程中也要有側(cè)重。比如課程項(xiàng)目題目要求會(huì)根據(jù)學(xué)生水平設(shè)置基礎(chǔ)版和進(jìn)階版，每個(gè)版本設(shè)置最低要求，分?jǐn)?shù)也會(huì)有所不同，學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇完成哪個(gè)版本。最后考核分為項(xiàng)目報(bào)告和答辯成績兩部分。報(bào)告中設(shè)置項(xiàng)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(yùn)行截圖等;答辯采用自述PPT的公開答辯方式，由學(xué)生自述、項(xiàng)目演示和回答問題三個(gè)部分。這種方式很好地展示學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的整體把握情況，對(duì)知識(shí)體系的理解情況，并且也鍛煉了學(xué)生的表述及臨場應(yīng)變能力，也能對(duì)其他同學(xué)起到啟發(fā)和激勵(lì)作用，對(duì)學(xué)習(xí)效果的提升有很好的幫助。

（4）激勵(lì)式的創(chuàng)新鼓勵(lì)

實(shí)踐證明，任何的言語激勵(lì)都不如給學(xué)生比較實(shí)惠的激勵(lì)政策，比如鼓勵(lì)創(chuàng)新。通過設(shè)置一定的創(chuàng)新激勵(lì)分?jǐn)?shù)，在每個(gè)案例、實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目的實(shí)施過程中，給學(xué)生加以提示，鼓勵(lì)學(xué)生通過自行查找問題的其他解決辦法或者對(duì)原有問題進(jìn)行深一步的探索，并在分?jǐn)?shù)上給予鼓勵(lì)，學(xué)生會(huì)非常愿意嘗試，以此養(yǎng)成學(xué)生創(chuàng)新的慣性思維。

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

經(jīng)過CDIO改革后，課程教學(xué)效果得到了很大提升，形成了比較完整的教學(xué)體系和資料。經(jīng)過本門課程的學(xué)習(xí)，再結(jié)合其他課程的內(nèi)容，學(xué)生可以在很多方面提升自己，包括課程項(xiàng)目、大創(chuàng)項(xiàng)目、學(xué)生競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)和就業(yè)等。比如學(xué)生申報(bào)國家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目“有機(jī)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(xué)生學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行一個(gè)簡單的嵌入式系統(tǒng)，為后面的就業(yè)做好了初步的準(zhǔn)備。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

CDIO教育理念的引入相當(dāng)于給課程注入了靈魂，讓整個(gè)課程的教學(xué)過程變得靈動(dòng)起來，學(xué)生和老師在整個(gè)教學(xué)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(xué)習(xí)框架里。經(jīng)過幾輪教學(xué)后，學(xué)生對(duì)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(xué)習(xí)和工作中的方向，具有持續(xù)的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 王劍.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用——課程與CDIO模式有效融合的教學(xué)思考[J].科技視界，2017（04）：139.

[2] 李巖，王小玉，孫永春.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：45-47.

[3] 伍宗富，陳日新，王建君.基于Web的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2007（2）：78-80.

[4] 陸小華，熊光晶，陳珠琳.設(shè)計(jì)導(dǎo)向的工程教育改革理念[J].高等工程教育研究，2007（6）：83-87.

[5] 孫靜.基于CDIO教育理念的嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教學(xué)改革與實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（36）：153-165.

[6] 田金琴，王曉峰.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法研究[J].教育現(xiàn)代化，2016，40（084）：184-186.