基于CDIO理念的嵌入式系統課程改革實踐

楊偉力 李偉民 楊盛毅

摘 要 嵌入式系統是一門綜合性、實踐性較強的計算機、儀器儀表、自動化類專業課。市場對嵌入式技術人才的巨大需求，許多高校相繼開設了嵌入式系統課程。本文分析了當前嵌入式系統教學的特點及問題，結合CDIO模式的項目驅動方式對嵌入式系統課程進行教學改革，提出了嵌入式系統的課程定位、目標、課程體系以及教師講授與學生項目實踐相結合的教學方式，將實踐環節融入課堂教學，培養學生動手實踐能力。

關鍵詞 CDIO模式 嵌入式系統 課程改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.06.027

Abstract Embedded System is a comprehensive， strongly practical professional course of computer， instrument， automation major. Huge market demand for embedded technology talent， many universities have set up embedded system courses. This paper analyzed the characteristics and problems of current embedded system teaching mode， conducting teaching reform of embedded system combined CDIO project-driven approach. proposed curriculum position， target， curriculum system and combined teachers in the teaching and practice of student projects， integrating practice into classroom teaching and cultivating students' practical ability.

Key words CDIO mode； Embedded System； course reform

嵌入式技術發展迅速，廣泛應用于工業控制系統、汽車電子、醫療儀器、信息家電、通信設備等領域，近年新興的物聯網、車聯網、智能家居等都是依托嵌入式技術發展起來的。市場對嵌入式人才的需求十分龐大，越來越多的高校在相關工科專業開設嵌入式系統課程，并取得了一些開創性成果。

但是，由于嵌入式系統發展速度快、課程內容覆蓋面廣、實踐性強，導致學生入門較難，各高校講授內容差異較大，各種教學問題凸顯。為更好地改進嵌入式系統的教學，貴州民族大學測控技術與儀器專業在CDIO教學改革中對嵌入式系統教學進行一些嘗試與探索。CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）四個英文單詞的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達。本次教改結合CDIO模式的項目驅動特點，對嵌入式系統的課程體系、師資力量、教學內容、實驗平臺、課堂模式等多方面進行調整，全面提升學生的工程實踐能力，滿足社會對應用型人才的需求。

1 當前嵌入式系統的教學現狀及問題

嵌入式系統作為許多工科專業的專業選修課程，主要開設在大三下或大四上，課時一般是30～40學時；教學方式多為理論課程與實驗課程；教學內容尚無統一規范，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為主講內容；同時學生基礎差異大，有的是計算機專業，軟件知識扎實，但硬件知識缺乏，有的是自動化或儀器儀表專業，硬件知識學習的多，而軟件工程、操作系統方面的軟件知識缺乏。這些現狀使得在教學過程中產生了較多的問題，需要我們去改善：

（1）教師對嵌入式技術知識掌握不夠。高校教師普遍重理論、輕實踐，而嵌入式技術要求教師有較高的實踐研發水平；同時，嵌入式技術發展迅速，老教師使用的嵌入式技術多還停留在8位單片機，沒有重新備課講授較新的嵌入式相關知識。而青年教師缺乏項目經驗，嵌入式理論知識不夠扎實、實踐能力較弱。

（2）教學內容陳舊。嵌入式技術是一種發展很快的應用技術，而教材一般落后實用技術五年左右，這就導致嵌入式教學不能反映當前市場廣泛使用的嵌入式技術，不滿足社會對嵌入式人才需求的培養。

（3）教學內容多，而學時較少。嵌入式技術涉及多門學科，知識點繁雜，而且實驗項目耗時長。目前，高校嵌入式課程的學時一般為30～40小時，實驗學時一般為10小時。學時較少，教學無法覆蓋嵌入式系統的主要知識內容。

（4）傳統教學方式課堂枯燥，學生學習興趣小。傳統教學的教學手段單一，多以課堂講解為主，知識概念抽象，學生缺乏實踐動手鍛煉。課余時間沒有實驗平臺以供學習，學習興趣不高，教學效果不佳。

（5）沒有合適的實驗平臺。實驗平臺是學生進行實驗和項目開發的硬件平臺，實驗項目缺乏系統性，學生難以建立完整的嵌入式知識體系。并且由于嵌入式技術發展快，嵌入式實驗平臺使用時間一般只有5～10年。所以，應該選擇當前較新的嵌入式實驗平臺，并且教學內容上以操作系統和軟件開發為重點，這樣既保證實驗平臺能長久使用，同時符合市場對嵌入式軟件人才需求更大的現實情況。

（6）課堂缺少動手機會。雖然很多高校開設嵌入式實驗課，但是嵌入式系統的實驗或者項目步驟復雜，耗時長，僅開設十多小時的實驗課，學生難以完成規定實驗。嵌入式系統中的基礎性實驗模塊化嚴重，學生難以理解該實驗在嵌入式開發中的作用。所以，應當在實驗中添加一些設計性、綜合性的大項目，讓學生能全局性的掌握嵌入式技術，在項目中學會解決問題的方法。同時，這些實驗項目學生不可能在規定學時內完成，因此實驗平臺需要對學生開放，讓學生課余時間能夠在嵌入式實驗平臺上做實驗、做項目。

2 嵌入式系統教學體系建設與CDIO模式教改

嵌入式系統課程是一門市場需求迫切，學生學習難度大的應用型、綜合型課程。對其進行基于CDIO模式教學改革不僅能使學生在實踐中學習、在項目中學習，而且符合了企業對嵌入式人才的技能需求。

2.1 師資隊伍建設

師資力量是嵌入式系統的教學的基礎，師資力量從三個方面進行加強：一是引進具有扎實的理論基礎，又有較強的實際動手能力的從事嵌入式技術方向的碩士及博士；二是加強教師培訓，挑選教師參加嵌入式教育培訓機構的培訓班，豐富教師的知識結構，提高實踐能力；三是聯合嵌入式產品研發公司，定期聘請具有深厚嵌入式研發經驗的研發人員介紹該公司產品，以及具體研發過程中需要注意的問題和所涉及的關鍵技術等。形成校企合作關系，讓優秀的學生到公司實習。

2.2 課程體系及教學內容調整

嵌入式系統覆蓋知識面廣，要求學生具備嵌入式基礎知識，然后再學習嵌入式系統。因此，需要構建一個結構合理、層次清晰、課程間相互連接的課程體系。嵌入式的課程體系由專業基礎課程、專業課程、創新實踐課程三部分組成，專業基礎課程包括電路分析、模擬電路、數字電路、微機原理、C/C++語言；專業課程包括單片機與接口技術、數據結構與算法、操作系統原理；創新實踐課程就是以教師講授與學生項目實踐同時進行的嵌入式系統課程。

嵌入式系統教學內容需要結合目前市場的人才需求來進行選擇。我系選擇以基于ARM Cortex-A8內核的三星S5PV210為微處理器，以Linux為操作系統，講授ARM架構及匯編指令、Linux編程基礎、交叉編譯環境搭建、Bootloader分析及移植、Linux內核分析及移植、根文件系統分析及移植、文件I/O及多線程編程、Linux設備驅動開發、Qt應用程序開發，其中重點講解是Linux用戶空間軟件開發和應用程序開發。同時，市面上大多數嵌入式教材內容落后，因此，嵌入式系統課程不指定固定教材，而是以實訓項目指導書為主，參考書為輔。

2.3 課堂模式改革

嵌入式系統將教師講授與學生項目實踐相結合，將項目驅動模式貫穿整個教學過程中。學生3～4人一組，開始階段為基礎類實訓項目，后期階段為綜合性實訓項目，最后由學生自主設計一個綜合性項目作為期末考查項目。學生成績以項目驗收方式考核。教學過程中實時跟進每組實際情況，其中選擇優秀的小組進行PPT演示講解，期末進行綜合性項目答辯，同時結合學生的課堂研討表現、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。

教學內容及教學方式的改革，激發學生學習興趣，提供更多動手實踐機會，讓學生邊做邊學，經過多個項目的訓練，養成較強的實踐能力，對嵌入式系統有較深入的理解。

3 結束語

對嵌入式技術人才的培養需要結合市場需求、課程特點、本校教學資源、學生實際情況等，對教學培養方案進行科學規劃，設立專業方向，配套對應的課程體系，不斷提高師資水平，特別是改革教學內容及方式，讓學生在實踐中學習嵌入式技術。基于CDIO模式的嵌入式系統教學改革，使學生動手能力得到提高，形成較為完備的嵌入式系統知識體系，具備一定的嵌入式實踐開發能力。

基金項目：貴州省高等學校教學質量和教學改革工程項目《測控技術與儀器專業綜合改革試點項目》

參考文獻

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