基于CDIO理念的嵌入式系統課程改革

黃連麗 史旅華 王思山

摘 要：根據我院的嵌入式系統課程教學情況，將CDIO理念與課程改革相融合，對于培養學生的理論學習和應用創新能力具有重要意義。該文對嵌入式系統課程的教學內容進行改革，對教學手段和方法進行改進，并對實踐環節的進行了改革。通過改革，大大提高了學生的團隊合作精神和創新能力。

關鍵詞：CDIO 嵌入式系統 課程改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-0-02

隨著后PC時代的到來，嵌入式系統已經成為了一個萬眾矚目的焦點。目前已廣泛用于信息家電，數據網絡，工業控制，醫療衛生，航空航天等領域[1]。我國也十分重視嵌入式系統的發展，并將嵌入式系統產品作為一種新的經濟增長點，但是目前我國從事嵌入式系統開發的人才極為緊缺，勢必影響我國嵌入式領域趕超世界發達國家的進程，因此培養大量嵌入式系統領域的專業人才顯得尤為

重要。

如何才能培養滿足社會需要的高水平嵌入式系統人才已成為高校關注的焦點。但是國內的大部分高校整體仍然停留在20世紀80年代發展起來的以8位51單片機為核心的教育水平上，嵌入式系統的教學和實驗并沒有形成一種適合地方高校、適應社會需求的教學體系。針對以上問題，迫切需要建立一種全新的、以ARM為核心內容的嵌入式系統教學體系，從根本上解決嵌入式系統發展對高素質人才的需求[2]。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面[3]。基于以上原因，本項目將基于CDIO理念，對嵌入式系統課程進行教學改革，將CDIO理念融入到嵌入式系統課程的理論與實踐教學中去，期望改變學生學習這門課程的方法，讓學生更好的掌握嵌入式系統技術。

1 課程改革方案

嵌入式系統是相對于通用計算機系統提出的“嵌入式計算機系統”，它是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，是一個技術密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統[4]。結合嵌入式系統的技術性和社會需求，將嵌入式系統課程及其實踐環節引入CDIO工程教育理念，課程教學從教學內容、教學環節、教學方法、教學手段、考核方式、教學管理與組織方式等方面開展改革工作，實踐教學從實驗內容、畢業設計以及競賽三個方面進行改革，改革方案如下圖1所示。

2 課程教學改革

2.1 教學內容和教學環節

嵌入式系統課程的教學與傳統的教學模式相比，更加注重學生的實際開發能力，在教學過程中一般要求以項目為導向、以開發平臺為核心，這不僅要求教育模式和教育方法上的改革，還需要建設相應的實驗平臺。嵌入式系統課程改革與其他教學體系一樣需要各環節教師相互配合，從理論教學、實驗教學統籌安排，形成一個整體，使學生的學習層次化、階梯化，這是一個完整的遞進增長過程。通過一整套的訓練，學生可以更好的適應社會，無論是在理論上還是在實踐上都得到實質的提高。

2.2 教學方法和手段

由于嵌入式系統的學習具有很強的實踐性，在進行嵌入式系統課程的教學過程中結合傳統的教學方式，主要采用以項目為導向的教學方式。整個教學過程可以分成兩條主線，第一條主線是理論基礎及其實踐基本技能訓練，采用傳統的教學方式；第二條主線以引導學生的積極性、開發學生的創新能力為主，在課程中給出多個項目，學生選擇感興趣的項目，在學習理論知識的同時自行分析、設計并完成。嵌入式系統內容比較多，僅通過一兩種教學方發達不到教學目的，所以，采用授課案例分析、演示、實驗、查閱資料并總結，以及項目驅動等多種教學手段相結合的方式進行，讓學生能夠及時汲取和充分掌握所學知識。

2.3 教學管理和組織

初期，通過教師在多媒體上做、學生在計算機上模仿的講練結合的教學方式為主。這種方法很重要，隨著課程的發展，教師減少講解，隨之，鼓勵學生通過多種手段（如上網、去圖書館、實驗等）收集大量信息，并利用自學等多種學習方式開展學習。最后，根據能力挑選出小老師輔導其他學生上機，并由他們組織學生團隊，一些項目基本由學生團隊自主完成。在學習過程中鼓勵學生和其他相關專業學生交流，有利于學生對其他知識的攝取和掌握。在學習過程中，教師和學生之間沒有任何界限，教師是學生團隊的合作伙伴，是解決實際問題的朋友。教師通過解決問題的方法啟發學生，影響學生，培養學生良好的解決問題的能力，而不單純是傳授專業知識和技能。

2.4 教材使用和實驗指導書

有關嵌入式系統的教材和實驗平臺很多，但內容側重點不同，實驗平臺質量參差不齊，并且嵌入式系統課程軟硬件升級較快，很難固定一本教材和一個實驗平臺。故可指定幾本質量較高的參考教材，也可給學生指定一些結合自己專業的實驗開發平臺，讓有興趣的同學擴展自己的知識面。由于嵌入式課程的實踐性較強，為提高學生的實踐動手能力，實驗指導書的內容和組織形式也非常重要，要經常修訂，革故鼎新。結合該院學生的實際情況，對實驗內容進行了改進，修訂了實驗指導書。

3 實踐教學改革

3.1 實驗教學

建立合理的嵌入式系統實驗教學體系，將CDIO理念融入實驗教學。實驗是嵌入式教學的重要組成部分，除了需要完備的實驗設備之外，實驗課程的開設也非常重要。現擁有PAX270實驗平臺40套，除了實驗箱之外，還配備了相應的開發模塊，后期計劃更新實驗設備，使實驗開設更加完善。整個實驗體系可包括：基礎型實驗，讓學生掌握基本技能，提高學生對基本知識點的理解；綜合設計型實驗，綜合整個課程的知識，訓練學生的綜合設計能力，培養學生綜合運用各學科特別是計算機應用學科知識的能力及團隊合作精神，提高學生創新能力。

3.2 畢業設計

畢業設計是檢驗學生對大學四年所學知識的應用能力。而嵌入式系統恰恰是融合了學生所學的專業知識。因此在畢業設計時，提出了較多與嵌入式相關的畢業設計課題，例如有關Linux、Android、ARM等方面的選題。并且將CDIO理念融合到對學生的畢業設計選題和課題指導上。通過最近幾屆學生的畢業設計完成情況來看，不僅所做內容有所提高，學生的實踐動手能力也得到了大大提升。

3.3 競賽

如果說畢業設計是考察學生的綜合能力，那競賽就是考驗學生的創新能力。在過去幾年，我們帶領學生參觀學習了有關嵌入式競賽方面的內容，并在2012年首次參加了嵌入式物聯網大賽，并進入了決賽，取得全國三等獎。現正在積極準備第二次的參賽，不僅學生參與人數增加，相應的競賽平臺也隨之更新，得到了學校和院系的大力支持。讓學生參加競賽，不僅可以極大鍛煉的學生的實踐能力，還能加強學生的管理能力和團隊合作精神。

4 結語

按照CDIO工程教育模式，初步探索研究出嵌入式系統課程的教學內容、教學方式、方法和實踐教學上的改革。在以具體項目為載體的教學模式下，讓學生能夠圍繞項目進行自主學習，為完成項目開發，學生將在課程中主動去學習項目開發所需要的知識，培養和提高學生的項目開發能力和初步具備解決實際問題的能力。不僅嵌入式系統課程的教學質量和效果有明顯提高，學生在嵌入式競賽中也取得了優異成績，為社會培養了更多優秀的應用型產業

人才。

參考文獻

[1] 梁宜勇，王曉萍，趙文義，等.“嵌入式系統”課程教學與實踐探討[J].中國大學教學，2009（5）：36-37.

[2] 朱兵，李莉.地方性高校嵌入式系統教學體系研究[J].科技信息，2007（32）：6-14.

[3] 陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J].中國高教研究，2006（11）：81-83.

[4] 江維，桑楠.面向高等教育的嵌入式系統教學改革[J].計算機教育，2011（16）：33-36.