新工科背景下基于CDIO的嵌入式系統的工程教育改革與實踐

朱超平 嚴胡勇 楊永斌

摘要：為了適應新工科背景下嵌入式系統人才的培養需求，對嵌入式系統課程教學進行綜合改革，針對嵌入式系統課程在傳統教學中存在的問題，引入CDlO教學理念，并根據CDlO的教學理念，以培養工程型人才為目標，以項目化的教學內容為主體，在教學中采用混合教學模式，重新組織教學內容，改進實踐教學內容，強化學生實習實訓，提高學生的工程應用能力，培養學生的團隊協作能力，并建立工程化的考核方式，從而全面提高學生的工程實踐能力。經過近年來的教學實踐表明，該教學模式不僅能夠提高學生的學習能動性、積極性、創新型和應用能力，而且對其他課程的教學改革也具有一定的參考價值。

關鍵詞：新工科;CDIO;嵌入式系統;混合教學模式;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0157-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著新一輪產業革命的興起，新材料、新工藝、新技術的快速發展，催生了新經濟的建設和發展。新經濟的快速發展需要新型工科人才的支撐，加快發展和建設新工科，主動適應新經濟的建設，就急需培養大批科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的多樣化和個性化的工程技術人才;同時還要求人才培養密切結合產業發展需求，而且還要求學生具備良好專業技能、職業素養，還要具有一定的創新能力、團隊協作能力和管理能力，以適應新時期新經濟對人才的需要。嵌入式技術作為新工科建設背景下物聯網工程專業的支撐課程，越來越受到重視，也成為新經濟中重要增長指標，也是當前研究和應用的熱點之一[1]。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可剪裁、適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統[2]。嵌入式系統具有計算機技術、專用性和嵌人性等三個基本特征，由MPU（嵌入式微處理器）、外部接口電路、EOS（嵌入式操作系統）和應用程序（App）四個部分組成。但是，目前的嵌入式系統教學多采用多媒體+講授的傳統授課方法，主要以教師中心，以傳授和講解知識為主、驗證性實驗為主，以能力培養為輔，學生處于被動學習的狀態，更沒有激發學生的創新能力，很難培養滿足新產業、新經濟的發展需要人才，因此，必須對嵌入式系統的教學進行改革，適應新工科的發展需要。

1 CDIO工程教育

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新研究成果，近些年來被工程教育改革廣泛采用。在CDIO理論中，C代表構思、D代表設計、I代表實現、0代表運作，它們的有機結合構成了CDIO工程理念。CDIO模式要求讓每一位學生能夠以積極主動、團隊合作、項目實踐有機結合的方式進行學習，從而提升自身的工程理論能力、設計能力、開發能力和項目的運維的經驗。CDIO理論中將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人學習能力、團隊協作能力和工程實踐能力四個層面，要求以多學科交叉培養、綜合素質能力的培養等方式讓學生達到四個層面的預定目標[3]。CDIO標準要求參照工業界對人才的要求，并以企業界對職業素養的基本需求為手段來設計教學大綱，把工程學的要求融人教學的各個環節，培養學生的工程應用能力，提高學生的綜合應用能力，實現人才培養和產業需求的良性對接[4]。目前國內外的大學都在嘗試將CDIO模式運用到各種課程教學和實踐中，因為CDIO模式本身注重項目的學習、項目的管理、團隊協作能力、實踐能力和工程應用能力的鍛煉，并注重培養學生動腦、動手的能力和創新能力，它和時下所倡導的“學以致用”“創新創業”的培養目標高度吻合，從而受到各國高等院校的高度關注，并被廣泛地應用到教育教學中[5]。

2 嵌入式系統教學現狀

從嵌入式系統的定義就決定了《嵌入式系統》是一門多學科交叉、知識面廣、教學難度大的課程，該課程要求有電子電路、半導體技術、操作系統和程序設計等方面的知識，同時該課程知識更新特別快。硬件部分日新月異，每年都推出新的芯片。軟件開發技術不斷升級，并且要求軟件實時性高、安全性高、實用性強等特點，老師要講授好本門課程，學生又能夠學以致用，是一件非常困難的事情。針對我校近五年的教學情況和其他兄弟高校的調研情況來看，發現嵌入式系統教學主要存在以下問題：

1）重理論、輕實驗

在新工科建設的大環境下，各個高校為了適應新的教學形式，都不斷地對教學內容和教學方式進行改革，隨著改革的不斷深入，教學內容也每年進行調整。在這個改革過程，理論教學時長不斷地被壓縮，實踐教學內容也同比例的縮減。為了在有限的時間內最大化的傳授知識，任課教師對教學內容進行修訂，把主要精力放在課堂教學上，注重理論課的教學，讓學生在有限的時間內系統性完成理論知識的學習，實驗教學環節主要驗證理論教學內容，沒有自主性實驗和創新性實驗，學生很難完具有一定復雜度的工程應用性較強的實驗項目。這樣的教學方式只注重理論教學，沒有注重學生動手能力的工程實踐能力的鍛煉，導致培養的學生難以滿足企業工作崗位的需求。

2）教學方式比較陳舊

目前的嵌入式系統教學仍然以教師為中心、學生自學為輔的授課方式。課前老師一般要求學生進行預習，課堂老師借助多媒體手段，輔助教學視頻，進行課程的講解，課后要求學生完成課程復習，資料閱讀和課后練習。在實驗課教學中，老師講解實驗內容，分解實驗知識點、說明實驗容易出錯的注意事項，學生按照實驗指導書上的內容，按規定步驟完成規定內容，觀察實驗現象，嚴重實驗內容和理論教學內容是否一致，根本無法發揮學生的設計、創新和應用能力。嵌入式系統課程要求學生掌握軟件硬件知識，進行軟硬件協同開發，結合項目應用，團隊之間相互配合，并具備應用能力開發能力和創新精神。但是在傳統的教學模式下，難以發揮學生自身的潛能，很難調動學生的學習興趣和創新能力。

3）理論內容和實驗設備不配套

嵌入式系統的硬件技術發展快速，實驗室設備上的主控芯片逐年更新，實驗設備也進行升級，實驗內容按照最新應用不斷改變，并不斷淘汰老舊設備。為了跟上新技術的發展步伐，任課教師每年都對教學內容做調整或改變，很多學校由于實驗室建設步伐的滯后，而實驗設備還是老舊實驗設備，導致授課的內容和實驗設備不匹配，導致理論和實驗的教學內容嚴重脫節，學生把理論知識運用到實驗設備上要查閱手冊和資料，才能把知識轉變為實踐能力。實踐教學環節不僅受到實驗設備的限制，而且基礎驗證性內容所占比重較大，綜合性與創新性實現項目所占比例過小，有的甚至沒有，導致理論與應用存在較大偏差。即使教師按照理論教學內容對實驗項目有調整和創新，受到實驗設備的限制也很難加融人現有的實驗設備中。

4）課程考核評價體系單一

課程考核成績基本上由平時成績、期末成績和實驗成績占不同的百分比構成，往往忽視了課堂教學過程、實驗環節、團隊協作能力、動手能力和創新能力的考核。沒有科學和行之有效的考核機制，教師很難掌握教學各個環節的實施情況，也難以掌握學生的學習情況，更難判斷學生動手能力的好壞，以及工程實踐應用能力。另外由于大方向上的“重理論、輕實驗”，注重理論課的考核，而輕過程教學環節考核，從而導致學生的工程實踐能力較弱。

3 新工科背景下CDIO模式下課程教學改革

為了提高我校嵌入式系統教學水平和學生的工程應用能力，嵌入式系統課程采用基于CDIO工程教育模式的構思、設計、實現和運作四個部分進行教學模式改革[6]。首先對課程的教學內容重新進行重構，采用混合式的教學模式設計，以項目案例為導向進行項目式教學，采用協同育人模式構建實踐教學平臺，并積極構建學科創新中心和競賽平臺，建立基于過程數據的科學評價機制等方式來實現對工程教育的各個環節進行教學改革實踐[7]。結合我校近三年嵌入式教學改革的成果，從這六個部分對嵌入式系統教學改革進行詳細闡述。

1）教學內容重構

根據CDIO模式對工程能力的要求，課程組經過反復的調研、借鑒兄弟高校的經驗和教研討論活動，對嵌入式系統的教學內容進行重新組織，以項目式教學為總體設計框架，采用項目案例的教學方法，對教學內容按照項目開發過程制定教學內容和實踐內容，對項目開發進行分解，把課程知識點融人項目的開發之中，并確定項目開發中的重點和難點內容，把主要精力集中在重難點的講解之上，并根據實際開發中的注意事項，容易出錯的環節進行重點講解，制定每個項目的評價標準和記分原則。根據項目式教學的要求，學生要完成每個開發步驟，需要設計預期的開發結果，開發過程資料和提交過程文檔[8]。學生根據項目的要求，結合老師對項目開發的整體要求，先用學院提供的SPOC平臺上的仿真工具，對項目進行模擬開發，取得正確結果后再做實物的制作，減少項目的開發難度。學生可以根據老師的要求，結合自己的理解能力，發揮自己的特長，對項目加以創新應用，做出創新型作品。每個項目在老師的教學和指導下完成，根據項目制定的要求，學生完成一個作品，老師根據作品的實現功能和完善程度確定學生對理論知識的掌握情況，老師根據反饋情況對教學內容的進行迭代和改進。

2）SPOC+雨課堂的混合式教學模式改革

為了豐富課堂教學，有效的利用學生的第二課堂，學生充分利用智能設備隨處學習，學院根據學校的數字化校園間和規劃和要求，建設了SPOC在線教學平臺，平臺包括多數專業核心課程資源，每門課程包含教學大綱，教學計劃，教學ppt，教學視頻，在線作業，在線實驗，在線考試，教學知識點配套閱讀材料，以及老師和學生互動交流區、作業提交系統和數據分析統計功能。在上課之前，老師通過學堂在線提供多終端教學工具雨課堂，結合SPOC平臺提供的學習材料，組織課前預習內容，主要包括知識點小視頻、知識點介紹材料和課前小測試等內容，老師在雨課堂平臺通過微信直接把學習材料推送給同學，并給每個同學進行定時提醒，同時雨課堂對學生課前預習情況的數據進行記錄。老師根據學生課前預習的數據，對沒有預習的學生，或者完成不好的學生，給出預警和提醒，并在此督促學生利用雨課堂和SPOC平臺進行預習和相關材料進行閱讀。

老師授課采用雨課堂的模式進行授課，老師按照項目化的要求重新制作多媒體課件。按照CDIO的工程教育的要求，對每個項目進行構思講解，讓學生掌握項目的創意、設計思路，設計的重難點，需要重點解決的問題，開發的步驟，測試的步驟，預期的結果和產品說明書的撰寫等工作[9]。在課堂上，任課教師根據項目開發的需要，利用雨課堂對學生進行分組，按照分組的模式對項目進行學習、討論和開發。老師根據項目講解和開發的流程和進度，設計互動式的在線知識點考察，學生利用智能設備，借助雨課堂和微信工具，學生可以和老師進行互動式答題，雨課堂記錄學生課堂學習和測試的所有數據，并根據學生的答題數據，給出優秀學生和預警學生的信息，老師可以根據這些數據，針對具體學生的情況進行輔導，及時發現授課存在的問題，進行教學內容修正，從而更好地促進教學。

課后，學生可以通過SPOC在線平臺提供的模擬實驗環境進行項目仿真，通過試題庫進行練習，通過考試系統進行課堂小測試，檢測學生對知識點的掌握情況。在創新的第二課堂中，項目組中的同學可以在SPOC平臺上做觀看教學視頻，閱讀相關材料，進行項目的設計，開發和仿真，為后續的實驗操作、作品設計打下基礎[10]。教師可以通過雨課堂在線平臺，把每節課的知識點的復習資料、練習題目和相關材料，直接推送給學生.學生可以直接在智能設備上答題，在雨課堂進行數據統計，對沒及時復習的學生給出預警報告，并督促學生完成作業。通過收集學生的課堂學習數據，分析學習數據，從而改進各個環節的教學，圖1為學生一次上課的教學數據。

3）分組教學模式，培養團隊協作精神

基于CDIO模式的嵌入式系統課程的教學以項目化模式劃分，將理論教學內容的40學時分為8個子項目，分別為： 理論課程中的每個子項目在完成內容授課后，學生可以在SPOC平臺進行項目的再學習和交流分享，可以把重難點問題進行討論，溝通和交流，老師根據交流區收集的數據，對項目的開發及時跟進。在實踐教學過程中，采用分組形式完成每個實踐子項目，每完成一步，可以通過雨課堂提交完成情況，最后把作品及相關資料提交到SPOC平臺評價系統中。老師在實踐教學過程中，組織項目的演示和答辯，并讓同學討論和評價，并查看提交的文檔資料，通過組間，組內和老師的成績，決定作品的總成績。通過工程化的項目開發訓練，不僅鍛煉了學生實操能力外，還培養學生的團隊合作、分析問題、解決問題和綜合應變等能力，從而提高學生的綜合素質。在課程的實訓教學過程中，尤其是綜合項目的開發，主要聘請企業導師授課為主，任課教師授課為輔，校企有機的結合，將企業中高效的項目化管理方式和先進的開發方法引入課堂，提高學生的工程實踐能力和項目開發能力，為學生的職業生涯搭建一座橋梁，快速適應職場的能力要求。

4）構建協同育人模式，提升工程實踐能力

目前，教育部廣泛開展由企業參與的協同育人項目，項目涉及課程建設、實踐基地建設、師資培訓等方面，從國家層面上加強校企協同育人模式建設，保證協同育人項目的順利進行。人才培養計劃是否符合人力資源對工作崗位技能的需求，用人單位的意見最具有說服力，學校在制定培養方案的時候，組成“校、政、企”三方協同培養機構，在人才培養方案制定時廣泛征集企業的意見，充分分析人社部就業調查報告數據，制定符合人才市場需求的培養方案。學校聯合企業專家對具體的課程的教學計劃、教學內容和重難點知識進行討論，把企業對人才的需求寫進具體的培養課程，形成特色專業課程，增加企業的參與度。為了進一步推動協同育人項目的進行，課程組與企業共同編寫嵌入式系統開發技術特色教材，將企業的實際開發案例和工程項目寫入教材中，讓學生能夠快速融人項目開發中，提升學生的工程實踐能力。學院申請教育部協同育人項目數據統計圖，如圖2所示。

結合學校自身優勢，積極構建協同育人的實踐教學基地，發揮企業在實習實踐條件上的優勢，共建校企聯合的嵌入式系統實驗室、實踐基地。學校根據培養方案，組織大三的學生進行集中實訓實踐活動，由企業和學校聯合制定培養計劃，培養方案，培養案例，由企業組織專業工程師進行培訓，通過近三年的校企聯合實訓，學生在嵌入式系統開發的知識面得到拓寬，工程應用能力加強，工程實踐能力提升。嵌入式集中實訓的內容如圖3所示。

5）以賽促學，以賽促改

通過申請教育部協同育人課程體系建設項目、協同育人創新實踐基地建設項目，對嵌入式系統課程的教學內容進行了改革，并建設了嵌入式系統綜合實訓創新基地，設立了工程設計創新實驗室。學生在嵌入式系統實訓基地進行項目的實踐教學，把科研項目帶到教學中，利用項目化進行學習和開發，每個學習小組需要獨立完成各個子項目的設計與開發，有效培養學生思考能力、動手能力和創新能力。師生團隊通過協同創新中心的歷練，專業能力得到很大提升，在各級大學生創新創業競賽、挑戰杯、電子設計競賽、計算機作品大賽等相關賽事中，學生們嶄露頭角，競賽成績顯著提升。圖4為最近三年參加競賽的數據：

6）建設以大數據為基準的考評體系

歷年的課程考評主要由平時成績、期中成績、實驗考試成績、實驗報告和期末考試成績構成，這樣的考評方式具有一定的局限性，因為沒有注重學生的學習過程數據，學生的工程實踐創新能力和團隊協作能力，因此必須對學生的考評體系進行適當的改革，來適合工程教育的創新教學模式。

科學的考評方式應該更加關注學生的過程學習數據，通過雨課堂在線學習平臺，收集學生的在線學習過程數據;利用SPOC平臺收集學生在第二課堂的學習數據;根據項目的開發過程收集項目開發數據;通過期末考試，收集掌握學生的基礎知識學習情況。通過四方面的數據，構建學生期末成績計算模型，從而科學、系統的記錄學生的學習成績，便于后期的教學改進和迭代。

學生的總評成績由課堂學習數據，第二課堂學習數據、團隊協作、作品成績和期末考試組成。通過雨課堂在線平臺收集學生的課前預習、課堂互動、課后自測、作業提交數據，根據模型生成課堂學習成績;通過SPOC平臺收集學生第二課堂的自學數據，根據學生的點擊流和平臺的操作時間，利用成績模型，形成自學能力成績;在項目團隊的開發過程中，各個團隊根據開發的進度和協作度對各個團隊進行打分，項目組內部根據成員的協作度和貢獻度進行相互評分;作品的展示、答辯和文檔的提交環節占總成績的10%，作品的功能和創新能力占總評成績的10%;期末考試占整個總評成績的30%，用于檢測學生對基本概念的掌握和使用情況。把學生的每個環節、每個步驟的數據都記錄下來，通過平臺提供的計分模型自動生成期末成績，保證成績的真實客觀性，也能夠客觀反映學生學習的真實情況。通過收集學生的學習過程數據，建立科學的考評標準，通過分析數據，發現教學中存在的問題、學生學習過程中存在的問題、團隊合作能力和工程應用中存在的問題，從而促進教學實施過程的改革，形成良性的教學循環。

4 結語

為了改變嵌入式系統課程教學中存在的問題，引入CDIO工程教育模式，從重構教學內容、教學方法、教學模式、教學創新、實踐基地建設和課程評價體系等方面對課程進行改革。采用項目式驅動的混合教學模式，將課程知識點進行項目化，利用混合式教學方法進行教學;利用學校建設的SPOC網絡教學平臺，提供了學生自學和應用的第二課堂;通過建立校企協同育人平臺，引入企業項目和企業導師，共同設計教學內容，提升學生的工程實踐能力;通過與企業協同成立創新中心，培養學生的創新應用能力，通過競賽促進教學，通過教學提升比賽;建立科學的評價體系，利用記錄學生的過程學習數據，生成學生的總評成績，科學、客觀地反應了學生的綜合工程應用能力。為了進一步探索CDIO工程教育模式，今后將重點研究嵌入式系統的工程教育方法的改革和實踐。

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【通聯編輯：王力】

基金項目：教育部科技發展中心產學研創新基金項目（2018A02049）;重慶工商大學重點開放項目（KFJJ2019106），重慶市教育科學規劃項目（2018-GX-348）;重慶工商大學自然科學基金項目（1752006）;重慶市高等教育教學改革研究項目（項目編號：193142）;重慶工商大學教改項目（項目編號：2018222）

作者簡介：朱超平（1977-）男，四川鄰水人，講師，碩士研究生，主要研究方向：物聯網技術和智能計算。