CDIO工程教育模式下的嵌入式系統實踐教學

摘要：針對嵌入式系統應用型人才培養需求，分析嵌入式系統課程的特點與教學現狀，結合CDIO工程教育模式，提出實施以學生為主的“做中學”學習模式，基于工程實踐案例課內外緊密結合的實踐教學模式，分析對學生的工程實踐能力、技術寫作能力及口頭表達能力的綜合考核結果。

關鍵詞：嵌入式系統；實踐教學；CDIO工程教育

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統，在工業控制、交通管理、智能家居、環境監測、信息家電、網絡通訊、安防等領域有著非常廣泛的應用前景。近年來物聯網的發展給嵌入式技術提供了新的應用領域，物聯網所需設備將達10¹²數量級，其中絕大部分設備將由嵌入式系統實現。可見未來對于嵌入式系統開發人員的需求非常大，因此，改革嵌入式系統課程使之適應就業市場需要對于學生就業具有重要意義。文章針對計算機科學與技術專業，根據應用型本科嵌入式系統課程的特點，基于CDIO工程教育理念對嵌入式系統的實踐教學進行改革，并開發相應的實踐教學設備，以滿足培養嵌入式應用、開發人才的需要。

1 嵌入式系統課程的特點與現狀

1.1 嵌入式系統課程的特點

1）實踐性。

嵌人式系統面向應用進行軟硬件協同設計，這決定了嵌入式系統課程是理論與實踐緊密結合、偏重動手能力與實踐能力培養的特點。因此，實踐教學是嵌入式系統課程的重要環節，是培養學生實踐能力的關鍵，重理論而偏實驗的教學將是紙上談兵。

2）綜合性。

嵌入式系統是一門多學科交叉的課程，涉及數字電路、模擬電路、c語言程序設計、單片機原理、傳感器與檢測技術、信號與系統等多門前導課程，并通過應用可關聯到機電、控制、網絡等專業相關的課程。因此嵌入式系統教學需與諸多課程相融合，以促進學生綜合能力的培養。

3）發展性。

嵌入式技術的發展非常迅速，嵌入式系統的應用需求也不斷變化，這要求嵌入式系統課程密切跟蹤嵌入式技術與應用的新發展，及時更新教學內容，以適應就業市場的需求變化。

1.2 嵌入式系統課程的教學現狀

目前嵌入式系統課程在教學內容上尚無統一規范，各高校的嵌入式系統課程或注重概念性、基礎性的入門教學，或側重ARM體系結構、指令系統，或偏重嵌入式操作系統，以Linux或uC/OS-Ⅱ的基本原理為主講內容，這樣的內容安排與嵌入式系統以應用為中心的特點難以相符。嵌入式系統應用開發人才不僅要具有扎實的學科與專業基礎知識，更應具備很強的技術與工程實踐能力，顯然以理論教學為主、實驗教學為輔的教學方式難以滿足這類人才的培養需要。

溫州大學是地方性本科院校，其人才培養目標是為本地經濟發展服務，這就要求嵌入式系統課程需緊密結合地方特色，培養應用型人才。因此，我們將傳統的強調理論化、知識化的教學思路，轉變為面向應用，強調工程實踐訓練，重視培養動手能力與實踐能力，為學生從事嵌入式系統應用開發工作打下堅實基礎。

2 CDIO模式下的實踐教學改革

CDIO代表構思、設計、實現、運行，以產品從構思、研發、運行到廢棄和再利用的全生命過程為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有機聯系的方式學習和獲取工程能力，符合工程人才培養的規律。針對嵌入式系統課程實踐性強的特點和應用型人才培養的需求，我們在CDIO工程教育模式下從以下幾個方面出發，對嵌入式系統實踐教學進行改革。

1）培養學生主動學習能力。

主動學習方法將重點放在讓學生致力于對問題的思考和解決。在課堂上我們運用項目驅動教學法，先給學生演示工程實踐案例的運行效果，然后組織學生討論系統的功能需求與實現系統所需的技術，最后將相關內容分解進行教學。通過教學方法的轉變，可以激發學生興趣，將以教師為主的“聽中學”消極學習模式轉變為以學生為主的“做中學”主動學習模式。例如在講解嵌入式操作系統時，以物聯網嵌入式網關的開發為目標，通過對功能需求、系統組成的討論，逐步引導學生主動深入學習Bootloader、內核與文件系統、驅動程序、Socket網絡通訊、串口通訊、嵌入式Web服務器與CGI編程、QT圖形界面的知識點，最終實現系統。實驗分3個層次進行，第1個層次，與Bootloader、內核與文件系統、驅動程序相關的教學內容設計成驗證性實驗，在理論課堂上邊授課邊驗證；第2個層次，與Socket網絡通訊、串口通訊、嵌入式Web服務器與CGI編程、QT圖形界面相關的教學內容設計成綜合性實驗，在實驗課上由學生獨立完成，每個實驗都涉及驗證性實驗的內容；第3個層次，要求學生綜合所有實驗內容構建完整的物聯網嵌人式網關。學生在驗證性實驗、綜合實驗與實驗考核中逐步獲得成就感并建立自信心，進一步激發學習興趣。

2）實施課內外緊密結合的實踐教學模式。

嵌入式應用開發人才應具備較強的工程實踐能力，理論指導下分析與解決實際工程問題的能力以及運用工程技術參與工程項目開發與設計的能力。顯然傳統課堂“理論+實驗”的教學方式已不能滿足此類人才的培養要求，因此我們嘗試實施由多個課內外環節構成的實踐教學模式，以逐步培養學生的基本實踐技能、綜合實踐技能及應用創新技能。其中理論與實驗教學面向全體學生，由工程實踐案例驅動，讓學生“做中學、學中做、邊學邊做”，培養基本實踐技能；課程設計以大型的綜合實踐項目鞏固學生的基本實踐技能，培養綜合實踐技能。如圖1所示。學生課題和開放性實驗項目面向對嵌入式系統感興趣的學生，進一步培養學生的綜合實踐能力；學科競賽主要參加全國電子專業人才設計與技能大賽和飛思卡爾智能車競賽，鞏固學生的綜合實踐能力，培養應用創新能力；企業實習和畢業設計注重培養學生的自主開發能力與應用創新能力。

3）建立工程實踐案例庫。

工程實踐案例庫是實施工程教育的基礎，隨著嵌入式技術的發展，工程實踐案例庫要不斷地更新與完善。案例庫建設以教師和學生為實施主體，一方面，教師通過自身的科研項目、對企業進行的行業調研、掛職鍛煉及產學研過程。溝通跟蹤技術動態，并從中提煉工程實踐案例；另一方面，學生通過企業實習和就業后的反饋充實案例，不斷地對工程實踐案例庫進行更新和完善，使教學能跟上嵌入式系統行業的最新技術動態。目前我們已建成韻工程實踐案例主要有物聯網嵌入式網關、溫度控制系統、散熱控制系統、環境監測系統、家庭氣象站、三維固態電子羅盤、運動檢測系統、四旋翼無人飛行器等。在物聯網嵌入式網關案例中，我們以武漢創維特信息技術有限公司的JX2410 ARM9嵌入式實驗箱為硬件平臺，通過串口采集MicaZ無線傳感器網絡匯聚節點的信息，將網絡各節點的信息顯示在彩色液晶屏幕上，并構建嵌入式Wcbserver，通過CGI動態網頁技術將采集的傳感器信息發布在網絡上。

4）加強與其他專業課程的結合。

在實際應用中，嵌入式系統要與上位機或其他設備相結合構成完整的產品，因此在工程實踐案例建設中我們要注重與其他專業課程的結合。例如在溫度控制系統案例中，強調與桌面應用程序開發及數據庫相關課程的結合，要求學生實現上位機的監控軟件與過程數據在數據庫中存儲及可視化查看；在家庭氣象站中，則要求實現Android智能手機與嵌入式系統的網絡通訊。

5）改進考核方式。

對于強調實踐能力培養的課程，傳統的以考試為主的考核方式已不適用，我們采用以綜合設計作品為主的考核方式，以學生的課堂研討表現、綜合作品實物演示效果、作品設計報告、答辯表現為依據，通過綜合評判給出課程成績，使成績能合理反映學生的工程實踐能力、技術寫作能力、口頭表達及人際交流能力。

3 實踐教學設備開發

實踐教學設備主要采用、ARM技術的神州Ⅳ號STM32開發板，我們在此基礎上開發了配套模塊，以滿足工程實踐案例教學的需要。

1）加熱與散熱模塊。

該模塊由NTC熱敏電阻、大功率加熱電阻及帶轉速反饋的直流風扇組成，可實現溫度測量、加熱控制、風扇轉速測量與控制，涉及AD、定時器、PWM、ICP等基本知識點，主要用于溫度控制系統和散熱控制系統的案例教學。

2）環境傳感模塊。

該模塊由SHT11溫濕度傳感器、BMP085大氣壓力傳感器、夏普GP2Y1010AUOF灰塵傳感器、光敏電阻、雨量傳感器組成，可實現相應環境參數的測量，涉及GPIO、12C、AD等基本知識點，主要用于環境監測系統和家庭氣象站的案例教學。

3）運動檢測模塊。

該模塊由L3G4200D三軸數字陀螺儀、LSM303DLHC三軸加速度/地磁傳感器、uBloxNEO-6M GPS模塊組成，可實現角速度、加速度、地磁場、速度、位置及時間的測量，涉及SPI、12C、UART等知識點，主要用于三維固態電子羅盤和運動檢測系統的案例教學。

此外，作為終極挑戰，我們還開發了由STM32F103微控制器、ADISl6405慣性傳感器、Novatel OEMV GPS、SRF02聲納高度計、CC2500無線模塊及相應機電模塊組成的四旋翼無人飛行器，用于學生科研課題的實施。作為教學平臺，該飛行器可有效綜合單片機、嵌入式系統、傳感器技術、自動控制原理、信號與系統、程序設計等多門課程，促進學生系統觀念與綜合能力的提升。如圖2所示。

4 結語

通過從以教師為主的“聽中學”消極學習模式到以學生為主的“做中學”主動學習模式的轉變，加之基于工程實踐案例的課內外緊密結合實踐教學的實施，學生對嵌入式系統的學習興趣顯著提升，從學生科研課題、學科競賽、畢業設計以及嵌人式系統開發相關的就業情況來看，課程改革取得了積極的教學效果。相信隨著改革的進一步深入，我們將培養出更多優秀的嵌入式系統應用開發人才。