CDIO模式在《嵌入式系統》教學中的應用探討

白華，張誠，高華

摘要：基于CDIO教育理念的《嵌入式系統》課程改革以提高學生的專業技能和工程素質為目標，強調以工程項目為導向和主線，課堂教學、自學與實踐相結合，激發學生的積極性和能動性，促進學生對知識的理解和掌握，全面提高學生的綜合素質和技術水平。

關鍵詞：嵌入式系統；CDIO教學模式；項目驅動；工程實踐

中圖分類號：G642.4？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0067-02

嵌入式系統是當前計算機領域的兩大分支之一，其快速發展和“無處不在”已成為后PC時代計算機發展的重要特征。因其具有面向用戶、面向產品、面向應用、小型化、低成本、低功耗等特點，嵌入式系統被廣泛應用于工業、交通、商業、金融、國防等國民經濟的各個領域，如工業控制、汽車電子、信息家電、現代農業、網絡通信、手機、平板電腦、電子圖書等，擁有廣闊的市場[1，2]。

近年來，我國嵌入式系統產業發展十分迅猛，在新一輪汽車、通信、醫療、交通、航空航天等行業智能化裝備的巨大需求拉動下，該產業正在成為帶動IT產業發展新的增長點[3]。巨大的市場潛力和產業需求決定了必須加大嵌入式系統工程人才的培養力度，使其既具有扎實的理論功底，又具備良好的工程實踐和創新能力。因此，本課程改革以提高學生的專業技能和工程素質為目標，使其滿足嵌入式系統產業發展對高素質專業人才的需求。

一、當前教學中存在的不足

《嵌入式系統》是一門涉及硬件、軟件，實踐性和應用性很強的課程。以往的教學往往偏重于課堂講授，著重講解各個知識點，之后輔以若干個專題實驗，對知識點進行鞏固和驗證。這種教學模式存在以下幾方面不足。首先，沒有實際需求作為導向，學生容易陷入被動的學習，即“教什么學什么，教多少學多少”，難以激發學生學習的主動性和能動性，使學習過程流于形式和機械，甚至導致“應試型”學習，即學生僅從應試的角度關注哪些是重點，考試可能會考什么，而忽略如何將知識學以致用。其次，由于缺乏項目驅動，學生難以建立工程和系統的概念，不能從整體上對嵌入式系統形成全面深入的認識，導致無法將知識深刻理解、融會貫通和靈活運用。最后，由于教學過程缺乏讓學生發揮能動性和創造性的空間，因此也不利于學生創造性思維的培養。

二、基于CDIO模式的教學改革

CDIO教學模式可為彌補上述不足提供新的選擇。CDIO是英文單詞Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實施）和Operate（運行）的首字母縮寫，其核心思想是以工程項目為導向，緊密聯系實際需求，圍繞具體項目開展教育和學習，倡導“做中學”的教育理念。該模式是近年來工程教學領域的最新成果，被應用于許多實踐性強的課程改革，獲得了良好的教學效果[4]。將CDIO模式用于《嵌入式系統》教學，關鍵要做好以下四個環節：

1.加強基本概念的講解，使學生從“整體”和“工程應用”的角度對嵌入式系統形成一個全面的認識。在講解中充分利用多媒體教學手段，力求生動、形象，消除學生的畏難情緒，調動其學習興趣和積極性。此外，通過剖析嵌入式系統開發實例，使學生了解嵌入式系統的開發過程，掌握研究和解決嵌入式系統工程問題的方法。

2.以項目為導向，將一個具體的工程項目貫穿于整個教學過程，使學生通過“做中學”的方式完成一個具體項目的開發。在教學伊始，即給學生布置項目題目及任務。題目的設置需要滿足以下三個要求：首先，題目難易適中，既要避免難度過大使學生產生畏難情緒，又要避免太過簡單而達不到預期的教學效果；其次，題目所涉及的內容需包含教學大綱中規劃的絕大部分知識點，達到通過項目實踐深入理解、掌握、應用知識點的目的；最后，題目的設置需給學生留出發揮能動性和創造性的空間，例如可以對項目的完成提出一個基本要求，鼓勵學生在達到基本要求的基礎上自由發揮，對開發的系統進行補充和完善，提高項目的完成質量，完成質量與總評成績掛鉤。題目下達后，要求學生自由組合，2～3人形成一個項目組，合作進行項目開發。

3.知識點講解與項目實施相銜接，課堂教學與學生自學相結合。在講授一個知識點之前，首先需要講清這個知識點的用途和用法，使學生能夠明確學習的目的和意義，做到“有的放矢”，而不是盲目、機械地學習。例如，在講授通用I/O口和中斷知識點時，首先需要將這些知識點與項目掛鉤，讓學生明白學習這些知識可解決項目開發中的人機交互問題。明確了學習目的，在接下來的講授中盡可能多聯系實際，通過概念講解、實例剖析、方法總結等環節使學生加深對知識的理解。最后，學生通過課堂學習和查閱資料，將所學知識點用于工程項目的開發，完成對知識的掌握，實現學以致用。

4.為學生提供充足的實踐機會和良好的實驗條件。在以往的教學中，實驗課僅占少量的學時，且多為驗證性的專題實驗，不足以讓學生完成項目的開發。因此，為保證教學效果，需大幅增加嵌入式系統實驗室對學生開放的時間，使學生在課下也能夠充分利用實驗室的條件和資源，為學生完成項目開發提供條件保障。

三、考核方式的改革

以往的考核分為期末筆試成績和平時實驗成績兩個部分，前者占70%，后者占30%。顯然，學生的期末總評成績主要取決于筆試成績，容易出現“應試型”學習的現象。因此，為適應CDIO教學模式，需要對考核方式進行改革，主要有以下三方面措施：

1.期末筆試仍然保留，但權重下調。筆試注重對理論知識的考核，反映學生的理論功底和對知識進行消化、吸收、總結、升華的能力。根據本課程“理論與實踐并重”的培養目標，筆試的作用無可替代，需予以保留。但筆試成績在總評成績中所占的比例必須下調，例如下調至50%，而實驗成績權重相應提高至50%，避免學生產生“實驗只是走過場，關鍵在期末筆試”的錯誤想法。

2.專題實驗與項目合并，統一考核。由于項目內容包含課程規劃的絕大部分知識點，因此可以將以往的驗證性專題實驗納入項目之中，成為項目開發過程中的一個環節，期末只需對項目的完成情況進行考核。

3.以項目驗收形式進行實驗考核。項目驗收包括以下四個步驟：第一，學生完成項目后，以項目組為單位向老師提交結題報告，做好項目驗收準備。第二，老師審閱結題報告后，觀看學生的成果展示，并聽取其項目匯報。第三，項目答辯，老師圍繞結題報告和成果展示中的相關技術問題，向學生提問。為防止有同學依賴別人工作，自己未參與項目開發，在答辯環節可輪流指定學生作答。最后，老師根據項目的完成情況（是否達到基本要求，有無超額完成，所體現的技術水平等）、結題報告（完整性、規范性、文字表達等）和項目答辯情況，給出每個成員的實驗成績。

上述筆試+項目驗收的考核方式，可全面、客觀地考察學生對嵌入式系統的學習效果和掌握程度，同時可在報告書寫、成果匯報、項目答辯等方面對學生進行綜合訓練，有利于促進學生綜合素質的提高，也為學生將來高質量地完成畢業設計及論文打下良好的基礎。

四、結語

本文對CDIO模式在《嵌入式系統》教學中的應用進行了探討。其核心思想在于以一個具體的工程項目貫穿于課程教學始終，通過項目驅動，使學生明確學習目的和意義，激發學習興趣，變“要我學”為“我要學”，充分調動學生學習的主動性和能動性。此外，通過“做中學”的方式，將理論學習與工程實踐緊密結合，有利于培養學生學以致用和實踐創新的能力，促進其技術水平和綜合素質的提高。

參考文獻：

[1]孟祥蓮，孫平，朱國晗，高洪志.嵌入式系統原理及應用教程[J].北京：清華大學出版社，2010.

[2]王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統原理與實踐：ARM Corex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3]王蔚.中國嵌入式系統產業極具增長潛力[N].經濟參考報，2008-1-3.

[4]張誠，林志貴，徐偉，孟德軍，榮鋒.基于CDIO模式的《電子系統設計》課程改革[J].教育教學論壇，2013，（1）.