曹 樂(lè) ，袁 艷 ，王同盟

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

0 引言

“工業(yè)4.0”即第四次工業(yè)革命，脫胎于第三次工業(yè)革命，其以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，將嵌入式系統(tǒng)和智能制造設(shè)施連接起來(lái)，在工業(yè)、商業(yè)的內(nèi)部功能和流程之間創(chuàng)造數(shù)字融合。目前，“工業(yè)4.0”正在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家快速發(fā)展，與前三次工業(yè)革命相比，“工業(yè)4.0”的進(jìn)展是指數(shù)級(jí)的。

伴隨著技術(shù)的快速變化，在“工業(yè)4.0”時(shí)期，要求高等教育不僅要注重學(xué)生基本技能和知識(shí)的培養(yǎng)，更要使學(xué)生具有創(chuàng)造性思維以及適應(yīng)不斷變化的工作挑戰(zhàn)和要求的能力，以避免被時(shí)代淘汰?！肮I(yè)4.0”對(duì)教育和培訓(xùn)提出新的要求，傳統(tǒng)的教育方法已無(wú)法滿足要求。高等教育能否滿足“工業(yè)4.0”的需求，學(xué)生能否具備創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)以適應(yīng)時(shí)代要求，應(yīng)該如何進(jìn)行相關(guān)課程改革，已引起相關(guān)高校及教育管理部門的高度重視。

為實(shí)現(xiàn)搶占未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略、把人才作為實(shí)施制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐的要求，西安工業(yè)大學(xué)增設(shè)智能制造工程專業(yè)，致力于培養(yǎng)能夠從事智能賦能技術(shù)、智能裝備與產(chǎn)線開(kāi)發(fā)、智能裝備與產(chǎn)線應(yīng)用等工作的高級(jí)復(fù)合型專業(yè)人才。其核心課程“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”旨在通過(guò)項(xiàng)目化案例教學(xué)方式組織教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，能具備典型嵌入式項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能力，掌握MicroPython編程技術(shù)，能進(jìn)行典型嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下程序設(shè)計(jì)。課題組通過(guò)對(duì)相關(guān)院校和用人單位的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題有：1）傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式注重知識(shí)和理論的灌輸，課程內(nèi)容陳舊，課程設(shè)置不合理；2）實(shí)踐環(huán)節(jié)較少，學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)不足，對(duì)于如科技競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐性要求高的環(huán)節(jié)未達(dá)到教學(xué)要求。

為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力、學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)合作能力，使學(xué)生具備創(chuàng)新人才所需的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力，亟須進(jìn)行“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革。CDIO模式是當(dāng)前工程教育發(fā)展的趨勢(shì)，該框架為學(xué)生提供了一個(gè)強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的教育，其背景是通過(guò)構(gòu)思（Conceive）—設(shè)計(jì)（Design）—實(shí)施（Implement）—操作（Operate）的方式進(jìn)行基于完整項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法，涵蓋了從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施到最終評(píng)估的一系列過(guò)程。CDIO以產(chǎn)品的整個(gè)生命周期即實(shí)際工程項(xiàng)目為載體，是一種結(jié)合教科書中的理論知識(shí)在真實(shí)世界中的自適應(yīng)模擬學(xué)習(xí)，不僅是邊做邊學(xué)，而且是學(xué)習(xí)知識(shí)和任務(wù)反應(yīng)的有機(jī)結(jié)合[1]。通過(guò)CDIO作業(yè)和項(xiàng)目，學(xué)生學(xué)習(xí)基本的工程原理，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作技術(shù)過(guò)程。CDIO教學(xué)模式從根本上改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師的教學(xué)方式，基于構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作的教學(xué)方法對(duì)“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)來(lái)說(shuō)是非常實(shí)用的方法[2-3]。

1 CDIO大綱與培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系

西安工業(yè)大學(xué)智能制造工程培養(yǎng)大綱要求，智能制造工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后積累了一定工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大學(xué)階段的學(xué)術(shù)訓(xùn)練，應(yīng)具備以下能力[4]：

1）目標(biāo)1。擁有社會(huì)責(zé)任感，堅(jiān)守職業(yè)道德規(guī)范，具有國(guó)際視野、創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)和持續(xù)自我完善能力。

2）目標(biāo)2。能夠適應(yīng)現(xiàn)代智能制造技術(shù)發(fā)展的需求，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)、智能制造知識(shí)、信息科學(xué)知識(shí)、機(jī)械工程知識(shí)及現(xiàn)代科學(xué)工具，系統(tǒng)性解決智能制造工程中的復(fù)雜工程問(wèn)題。

3）目標(biāo)3。能夠承擔(dān)智能工廠及智能生產(chǎn)線規(guī)劃與設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)、服務(wù)等方面工作，并充分考慮環(huán)境、可持續(xù)性發(fā)展因素和社會(huì)綜合影響。

4）目標(biāo)4。擁有團(tuán)隊(duì)精神和良好的溝通能力，能在一個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或科研團(tuán)隊(duì)中擔(dān)任組織管理角色。

5）目標(biāo)5。成為現(xiàn)代制造企業(yè)中智能工廠及智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)等領(lǐng)域的骨干人才，恪盡職守，評(píng)價(jià)良好，在智能制造業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

CDIO大綱規(guī)定了學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該掌握的能力要求，為本科工程教育提供了合理、完整、普遍和可推廣的目標(biāo)。大綱由四類高層次的學(xué)習(xí)成果組成，即技術(shù)知識(shí)、個(gè)人和專業(yè)素質(zhì)、人際關(guān)系和社會(huì)關(guān)系技能以及真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的能力，同時(shí)，每個(gè)類別被進(jìn)一步細(xì)化為若干層次。2011年，對(duì)CDIO教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂和更新，增加了領(lǐng)導(dǎo)力和創(chuàng)業(yè)精神等技能，并對(duì)相關(guān)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了解釋。CDIO教學(xué)大綱（v2.0）和智能制造工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系，如表1所示。因此，通過(guò)分析培養(yǎng)大綱的需求可知，利用CDIO模式進(jìn)行“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的開(kāi)發(fā)符合當(dāng)前工程教育的教育標(biāo)準(zhǔn)。

表1 CDIO教學(xué)大綱與課程培養(yǎng)目標(biāo)

2 CDIO教學(xué)模式實(shí)施

CDIO教學(xué)模式是以模擬真實(shí)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)為主線，通過(guò)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、操作四個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)參與方案調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、編程調(diào)試、原型搭建、項(xiàng)目展示等環(huán)節(jié)，完成課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)；教師負(fù)責(zé)組織課堂活動(dòng)、在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行引導(dǎo)式教學(xué)、評(píng)價(jià)學(xué)生方案及評(píng)定課程成績(jī)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目化教學(xué)過(guò)程，改變以往填鴨式的教學(xué)方式。

下面以嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目案例庫(kù)中的“智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”為例，進(jìn)一步說(shuō)明CDIO教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程的關(guān)鍵步驟。

2.1 “智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”項(xiàng)目概述

“智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由土壤濕度調(diào)控、光照強(qiáng)度調(diào)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)控三個(gè)模塊組成，能夠完成對(duì)農(nóng)產(chǎn)品環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和相關(guān)設(shè)備控制功能。系統(tǒng)主機(jī)芯片采用ESP32，搭載3.2寸LCD觸控屏作為用戶界面，可直接與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行連接，并上傳數(shù)據(jù)在云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析。從機(jī)所用開(kāi)發(fā)板芯片采用STM32F405，具有體積小、易于安裝、能耗小、編程簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。從機(jī)和主機(jī)用LoRa模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 “智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 土壤濕度調(diào)控模塊

如圖2所示，土壤濕度傳感器根據(jù)土壤中水分含量改變電阻并輸出0 V~3.3 V模擬信號(hào)，通過(guò)進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~4 095的數(shù)字信號(hào)。LoRa模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)定點(diǎn)方式發(fā)送給主機(jī)并在用戶界面顯示，當(dāng)檢測(cè)濕度小于所設(shè)定的參數(shù)時(shí)，主控芯片將輸出控制信號(hào)開(kāi)啟水泵給農(nóng)作物澆水，當(dāng)土壤濕度達(dá)到預(yù)設(shè)的參數(shù)時(shí)停止?jié)菜?。此外，用戶也可手?dòng)控制調(diào)控系統(tǒng)。

圖2 土壤濕度傳感器

2.1.2 光照強(qiáng)度調(diào)控模塊

農(nóng)作物的成長(zhǎng)需要大量光照，當(dāng)光照不足時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)光。光敏傳感器輸出的是0 V~3.3 V模擬信號(hào)，接近0 V時(shí)光線最強(qiáng)，接近3.3 V光線最弱。將檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為0~4 095的數(shù)字信號(hào)，分別代表光線強(qiáng)（0~1 365）、光線中等 （1 365~2 730）、光線弱（2 730~4 095），控制繼電器可以在光照不足時(shí)自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)光燈，在光照充足時(shí)及時(shí)關(guān)閉光源避免電力浪費(fèi)。光敏傳感器如圖3所示。

圖3 光敏傳感器

2.1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

在魚類養(yǎng)殖過(guò)程中，由于飼料殘?jiān)?、魚類排泄物以及環(huán)境污染，對(duì)魚塘水質(zhì)造成影響，形成經(jīng)濟(jì)損失。使用TDS水質(zhì)傳感器通過(guò)UART串口與主機(jī)相連，輸出電壓為0 V~2.3 V。將模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為0~4 095的數(shù)字信號(hào)，分別代表水質(zhì)差（0~1 365）、水質(zhì)正常（1 365~2 238）、水質(zhì)潔凈（2 238~4 095）。在監(jiān)測(cè)到水質(zhì)低于設(shè)置參數(shù)時(shí)自動(dòng)打開(kāi)凈水裝置，將受到污染的水進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)，還可以將過(guò)濾出的雜質(zhì)進(jìn)行收集作為肥料；水質(zhì)監(jiān)測(cè)正常則立即關(guān)閉凈水器，以節(jié)約成本。TDS水質(zhì)傳感器如圖4所示。

圖4 TDS水質(zhì)傳感器及控制板

2.2 構(gòu)思——使學(xué)生明確任務(wù)以及如何完成任務(wù)

A.教師對(duì)往屆優(yōu)秀嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)案例進(jìn)行講解，使學(xué)生熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)流程。

B.學(xué)生自由組隊(duì)成立項(xiàng)目組，搜集項(xiàng)目資料，確定完成任務(wù)所需的學(xué)習(xí)資源。

C.學(xué)生和教師溝通現(xiàn)有資源能否滿足項(xiàng)目需求，形成項(xiàng)目草案。

D.確定項(xiàng)目組長(zhǎng)，進(jìn)行任務(wù)分解，明確每個(gè)人的分工。

2.3 設(shè)計(jì)——教師、學(xué)生多方溝通討論方案，完成設(shè)計(jì)方案書的撰寫

E.項(xiàng)目組完成智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)方案書的撰寫，確定項(xiàng)目目標(biāo)及參數(shù)，進(jìn)行硬件選型。

F.教師參與方案書討論，反饋方案書的不足，學(xué)生進(jìn)一步修改方案書。

G.教師根據(jù)方案書需求，進(jìn)行嵌入式基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和傳感器實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)工作。

2.4 實(shí)施——項(xiàng)目組學(xué)生合作完成嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

H.學(xué)生考慮方案可靠性，完成硬件設(shè)備選型與組裝，掌握安裝步驟和注意事項(xiàng)。

I.完成系統(tǒng)代碼的編寫，實(shí)現(xiàn)土壤濕度調(diào)控、光照強(qiáng)度調(diào)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)控等模塊功能，單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)LoRa實(shí)現(xiàn)。

J.在智慧農(nóng)業(yè)沙盤模型上進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題能夠聯(lián)系實(shí)際，提出合理解決方案。

2.5 運(yùn)作——學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目演示與匯報(bào)，采用多種形式綜合評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)

K.項(xiàng)目組長(zhǎng)進(jìn)行PPT匯報(bào)，內(nèi)容涉及項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)步驟及項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)。

L.項(xiàng)目組成員分工合作進(jìn)行項(xiàng)目演示和操作，注重表達(dá)能力和溝通協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)。

M.評(píng)價(jià)過(guò)程采用教師評(píng)價(jià)和不同小組間互評(píng)相結(jié)合的方式，并根據(jù)評(píng)價(jià)打分確定最終成績(jī)。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)與改進(jìn)

CDIO教學(xué)模式模擬企業(yè)和商業(yè)背景下真實(shí)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程，聚焦實(shí)際工程開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)。因此，如何對(duì)課程效果進(jìn)行評(píng)價(jià)使其能夠模擬真實(shí)環(huán)境下的開(kāi)發(fā)過(guò)程，是整個(gè)課程開(kāi)發(fā)過(guò)程必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。如表2所示，CDIO教學(xué)大綱規(guī)定的能力培養(yǎng)項(xiàng)目及CDIO教學(xué)模式實(shí)施的關(guān)鍵步驟一一對(duì)應(yīng)。通過(guò)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)調(diào)查問(wèn)卷可有效反饋學(xué)生的學(xué)科知識(shí)和推理能力、個(gè)人專業(yè)技能和屬性、人際交往技能以及真實(shí)環(huán)境下的實(shí)際工作能力。評(píng)價(jià)調(diào)查對(duì)象分為學(xué)生和用人單位兩組，分別從各自角度用百分制來(lái)評(píng)價(jià)CDIO教學(xué)大綱中規(guī)定的技能能力水平。對(duì)于教學(xué)大綱中規(guī)定的能力低于60分的項(xiàng)目，可針對(duì)性地對(duì)相關(guān)步驟進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)“運(yùn)行—調(diào)整—再運(yùn)行”的閉環(huán)課程建設(shè)，逐步提高課程教學(xué)水平。

表2 CDIO教學(xué)大綱與課程培養(yǎng)目標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

CDIO基于項(xiàng)目化的教學(xué)模式將教學(xué)活動(dòng)與用人單位的要求緊密聯(lián)系起來(lái)，縮小了學(xué)校培訓(xùn)目標(biāo)與用人單位要求之間的差距，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程對(duì)學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)。綜上所述，CDIO模式下“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)，既能培養(yǎng)學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，又能幫助學(xué)生適應(yīng)企業(yè)工作環(huán)境，能夠培養(yǎng)真正符合“工業(yè)4.0”要求的高技能型人才。課題組提出的CDIO教學(xué)模式對(duì)高校其他新工科專業(yè)的課程建設(shè)和人才培養(yǎng)，也具有一定的推廣使用價(jià)值[5]。