基于CDIO嵌入式實踐課程的改革與研究

羅凱　周琰杰　侯健

摘要：分析了目前嵌入式實踐課程改革普遍存在的問題。針對嵌入式實踐課程性特點，結合CDIO工程實踐理念，分別從研發教學的平臺、教學方法、興趣培養和考核方式等方面，對嵌入式實踐課程進行研究，提出相應的具體改革措施。從而提高學生學習的積極性和主動性，加強的學生的工程實踐能力和創新意識的培養。

關鍵詞：CDIO 嵌入式課程 教學改革

一、引言

嵌入式系統在各種領域都有著廣泛的應用。比如：物聯網、汽車電子、家用電器等領域。因而，各大高校都把嵌入式課程作為了通信、電子等專業學生的必修課程。嵌入式課程實踐性特別強，知識點存在多門基礎課程的交叉，并且學習周期較長。因此不斷改進和完善嵌入式實踐課程的教學手段、內容、方法是非常重要的，這樣有利于學生掌握專業技術知識，獲得實用職業技能，增強就業競爭力。本文結合我院提出的CDIO工程實踐教育和嵌入式實踐課程的體會，對嵌入式實踐課程進行分析和改革。

二、國內高校嵌入式實踐課程的改革現狀：

目前，國內大多數高校的嵌入式實踐課程教學改革形式大于內容。沒有做到從該課程實踐體系架構上進行全面的改革。主要體現在以下幾個方面：

1.增加或刪減先修一些理論課程。通常做法只是把“微機原理與應用”課程在教學體系中刪除，添加“嵌入式系統原理與設計”類課程。將其主要背景機由原先的PC機改成嵌入式微型計算機。這樣改革的宗旨只是：夯實了學生基礎扎實，但是沒有讓學生從實踐上得到提升。

2.現代化教學手段的引入。在嵌入式實踐實踐課程教學中大量引入多媒體教學課件，以流線型特征展現教學內容，插入圖片和動畫，使得課程教學相比以前更加生動。但是，針對漫長的而枯燥的學習過程，取得的效果甚微。

3.按部就班的構建嵌入式實踐課程體系。目前，嵌入式實踐課程通常分為三個部分：基礎操作一驗證實驗一綜合設計。到了綜合設計階段通常還是變為驗證實驗，沒有達到真正培養應用型嵌入式人才的目的。

4.很多高校的嵌入式實踐課程的改革很多僅僅變為了嵌入式處理芯片升級的改革。并且嵌入式均是采用基于ARM體系結構的處理器。導致國內學生局限在單一體系內而無法融會貫通，進而導致學生的思維習慣逐漸僵化無法接受其他體系的處理器，在面臨技術變革的時候就體現出接受能力不足和創新能力低的問題。

三、嵌入式實踐課程改革的內容

1.自行研發嵌入式實踐教學所需的軟硬件平臺

由于購買現成的通用實驗設備普遍存在不夠開源的問題，很多設備不提供電路原理圖，甚至連程序源碼也不提供，僅提供一些編譯好的目標文件，導致教學時從教師到學生都只能按照廠商提供的操作流程將目標文件下載到設備觀察結果，使課程從學習、分析和研究如何開發各種程序淪落為僅僅是做了一個簡單的下載操作，背離了教學的本來目的。而自行研發的實驗平臺擁有更高的自主權，從硬件模塊配置到實踐內容安排上都能夠更貼近我校的教學實際情況。

2.教學方式和教學手段的改革

在傳統的嵌入式教學中遵循的順序大多是先介紹Ubtmtu、Debian等Linux系統的操作，然后再在Linux系統下搭建交叉編譯工具、NFS及TFTP等必備環境，進而再進行Bootloader、kernel、底層驅動等的學習，完成這一系列學習之后才能進入到能產生直觀實驗現象的應用層軟件開發階段。而應用層軟件開發之前的各個階段都非常枯燥且要持續較長時間，導致很多學生在這一階段的學習中逐漸失去興趣和繼續學習的動力，最終放棄繼續深入學習。在CDIO教學模式中則遵循構思、設計、實現、運行的步驟，結合學生已經學習過的單片機基礎進行自上而下的教學，運用特殊定制的系統和類IDE的開發環境，繞過底層和Linux操作系統等較繁瑣的環節，使得學生能夠在接近單片機風格的環境下在嵌入式系統上實現諸如流水燈、蜂鳴器驅動、數碼管驅動等經典實驗。讓學生在實驗中自行構思和編寫程序，并經過調試后進行運行驗證最初的構思，驗證成功后學生將會有一種成就感，藉此激發學生的興趣和學習熱情，在學生產生較濃的興趣和學習熱情后，再逐步引導學生關注和思考更深入的問題，如操作GPIO時調用的子函數到底是在什么地方定義的、延遲調用的子函數是怎么實現的等，通過這些問題將學生的注意力引向系統內核和底層驅動。針對該課程的特點，提出了“自上而下，興趣引導”的引探教學法，以實驗為引導，注重培養學生的學習興趣和熱情以及繼續深入學習的欲望。

3.構建類IDE的易于使用的開發環境

一旦構建易用的IDE開發環境，就降低學生對嵌入式處理器進行編程的門檻，同時簡單易用的開發環境可以讓學生將更多的精力放在對程序的構思設計和調試運行上，更貼近CDIO教學的要求。此外還將實現創新型的文件拷貝式下載方式。目標平臺連接到計算機之后將會映射出一個U盤盤符，學生只需將編譯出的目標文件拷貝到該盤符下即可在目標平臺上運行。通過這種方式避免了使用專用下載工具帶來的高成本和繁瑣的操作，使得學生不會在下載程序上花費過多精力。

4.嵌入式實踐課程教學資源的完善

編寫配套的實驗指導書和建立配套的學習網站，實驗指導書及其配套實驗程序源碼主要是為課堂教學服務，而配套的學習網站及其所搭載的各種電子版資料則是服務于學生在線自學等開放式的學習。完善的配套資料、課堂學習結合課后線上學習的模式能夠最大程度的降低學生學習的門檻和實現更好的學習效果。

5.考核方法的改革

一改以往書面考查的簡單形式，以CDIO倡導的“過程評價”為基礎開展，以“實際作品+相關報告或論文+現場答辯”相結合的方式進行考核，側重強調的是學生課程實踐能力和解決問題能力。

（1）考核總體分為3個環節。分別是：功能構思、程序編寫環節、調試環節。

（2）考核每個環節的內容分別是：當前環節的作品任務、當前環節的實踐報告、當前環節的答辯情況。

（3）考核每個環節用定性的考核方式代替傳統的分數考核。在每個環節實施過程當中都以定性的方式，通過或不通過的形式進行考核，強調對學生是否具備每個階段的能力來實施考核。

結束語

嵌入式實踐課程是一門綜合要求較高的課程。此課程的教學改革是一項長期而系統的工程，需要不斷的探索與實踐。需要結合CDIOT程實踐的教學理念，逐步改善教學條件，提高教師素質，改進教學方法，以此來提高學生的學習興趣，培養學生的應用能力、創新能力，造就學生的就業優勢。