融合CDIO理念的“嵌入式系統設計”課程改革探索*

曹 樂，袁 艷

（西安工業大學機電工程學院，陜西 西安710021）

0 引言

進入21世紀，傳統制造業面臨人口紅利衰減、環境資源制約日益強化的困難，傳統機械相關專業的培養模式已無法滿足產業發展的需求。智能制造工程專業適應現代制造技術發展要求，綜合應用智能制造知識、信息科學知識、機械工程理論以及人工智能理論，解決智能制造工程中各類復雜工程問題。“嵌入式系統設計”課程是智能制造專業的核心課程，以單片機技術為基礎，熟練掌握Linux系統的原理和開發流程，進一步拓展到嵌入式物聯網的設計與開發，對學生知識體系的構建起到舉足輕重的作用。

通過調研機械、計算機、電子、自動化等專業嵌入式系統相關課程的開課情況，發現很多院校仍采用理論為主、實驗為輔的傳統教學模式，實踐環節主要以驗證性實驗為主體，綜合性實驗以及設計性實驗較少，導致嵌入式人才的培養效果并不理想，學生綜合能力無法滿足社會需求。

1 傳統教學模式存在的問題

1.1 教學方法傳統，內容與實際應用脫節

“嵌入式系統設計”對于相關理論知識點的實踐性要求非常高，只有通過針對性的實踐訓練才能理解和鞏固所學知識。由于課時緊張、教師實踐能力欠缺等多方面因素，課程更多地停留在理論層面的知識講解，實踐環節鍛煉明顯不足[1]。教學方式以教師講課為主，僅僅通過文字和多媒體課件，無法很好地表述和詮釋嵌入式系統的運行原理；學生在有限實驗學時內，實踐能力難以得到鍛煉，更多是被動接受老師填鴨式教學，達不到提升能力的目的[2]。基于C語言的嵌入式系統開發周期長、難度大，僅憑一門課程的學習就要熟練掌握嵌入式系統開發流程，這對學生來說要求過高。嵌入式開發若基礎知識沒有掌握牢固，后續項目開發更是舉步維艱，容易導致學生越學越覺得難，越學越失去興趣，最后放棄課程，但求考核通過而已。

1.2 實踐環節單一化，實驗設計缺乏層次

目前，“嵌入式系統設計”課程實踐環節較為單一，教學主要以理論課程為主，配套少量課內驗證性實驗用于加深對理論知識點的理解。對于實踐性很強的“嵌入式系統設計”課程來說，過多的理論課時往往造成紙上談兵，對知識點一知半解。同時，設計性實驗、綜合性實驗設置偏少，無法使學生對所學知識融會貫通；對開設的驗證性實驗，大多采用嵌入式綜合實驗箱進行，學生僅需連線即可完成實驗，對嵌入式系統各模塊缺少清晰認識，對源代碼的運行機理并未掌握。

1.3 教學內容缺乏特色，學生學習興趣不足

傳統的嵌入式系統教學講授嵌入式操作系統原理，單片機的軟硬件基礎，包括總線架構、通信技術、存儲器讀取技術、模數轉換、通用輸入輸出接口、傳感器驅動程序開發、開發環境配置等。課程內容煩瑣枯燥，學生對課程容易產生畏懼心理，學習興趣不足；進行嵌入式項目開發，學生還需要進一步進行編譯、調試、燒錄等工作，環節缺一不可。前期繁重枯燥的準備工作，使學生無法及時體會到項目工作的成就感，任意一個環節的錯誤都會使整體進度停止下來，學生因經驗能力不足常常無法解決問題，久而久之失去學習興趣[3]。

2 融合CDIO理念的課程教學改革

2.1 CDIO教育理念

CDIO是麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學在Wallenberg基金會資助下于2004年創立的一種基于工程教育改革的新型教育模式[4]。CDIO能夠系統地將嵌入式項目構思與設計、實現與運作能力培養融入到項目式教學當中，針對教學內容具有可操作的實施標準和評價體系。CDIO教育理念是以從產品研發到運行的生命周期為載體，通過課程內容實踐化將相關知識體系之間有機聯系起來，讓學生通過項目化的學習方式進行工程學習。國內于2008年開始推行CDIO教育模式，通過校企合作、項目化教學和加強對學生實踐訓練的途徑，創新本科工程教育，以培養能滿足社會實際需求的工程技術人才，是“卓越工程師培養計劃”的重要保障手段之一。

2.2 課程教學改革目標

通過對CDIO標準體系的分析，結合“嵌入式系統設計”課程實踐性強、綜合性強的特點，將CDIO理念貫穿到課程教學中，明確課程教學目標：圍繞工程項目組織教學，將設計與操作結合，將學習與執行結合，將創新與協作結合，建構一個新的整合性的教育過程；注重對嵌入式系統開發基礎知識的講解，對項目開發綜合能力的培養，以及對職業發展規劃能力的培養；形成科學的課程考核方法，注重考核學生針對嵌入式項目如何構思方案、設計架構、實現產品、開發運作的綜合能力。

2.3 基于CDIO理念的課程教學改革

以行業發展和企業用人要求為指引，教學改革的核心思想是以嵌入式系統項目案例庫中綜合創新項目為驅動，將CDIO中構思、設計、實現和運作能力培養融入到教學環節中。如圖1所示，課程教學改革主要包括三個模塊：教學內容改革、教學方式改革和考核方式改革[5]。

圖1 課程教學改革內容

2.3.1 CDIO模式下教學內容改革

CDIO工程培養理論要求教學內容符合工程實踐的框架結構，培養用人單位亟需的技術能力和人際關系處理能力。課題組研究如何突破傳統教學模式，將CDIO工程教育理念融入課堂教學，將以教師為主的填鴨式教學模式轉變為以學生為主的實踐式教學模式。教學內容改革包括以下三點。

1）基 于MicroPython+STM32進 行 教 學。MicroPython是基于Python3語言的精簡版實現，語法與Python一致，通過腳本程序實現STM32硬件的訪問和控制。將MicroPython引入到課程中，使學生不再畏懼編程，對于底層設備的操作更容易上手，無需經過仿真調試、燒寫等過程，即可實現在線調試，所見即所得，不再被煩瑣的調試開發流程所困擾。STM32單片機是目前市場上功能強、速度快、資源豐富、庫全面的一款非常適用于教學的單片機。MicroPython+STM32的組合，能使學生更加專注于嵌入式系統設備的學習與操作，更容易提升學生對“嵌入式系統設計”課程的學習興趣。

2）層次化實驗內容設計。構建以嵌入式應用項目驅動的立體環教學模式，采用層層遞進的方式，設置嵌入式系統基礎驗證層、嵌入式系統應用實踐層、嵌入式系統綜合創新層三層實驗項目。前兩層實驗注重培養CDIO要求的運行和實現能力，基礎驗證層項目包括LED燈、GPIO、I2C總線、RTC時鐘、ADC、DAC、PWM、UART及各類傳感器實驗；應用實踐層項目包括OLED顯示、PM2.5檢測儀、超聲波測距儀、智能溫控小風扇、溫濕度測量儀等。綜合創新層實驗注重培養CDIO要求的構思和設計能力，項目包括物聯網家居監控系統、智能產線過程控制系統、智能藍牙紅外循跡小車、智能物聯網農業系統等[6]。設計的實驗項目既能用MicroPython快速編寫、調試程序，完成常規的單片機實驗，也能在WiFi、LAN、Bluetooth、Camera等模塊的支持下，完成基于物聯網思想的實驗。對于科研能力較強的學生，還可以用C語言編寫各種外設的固件，再結合C與Python的接口，集成到定制的開發板。實驗項目設計如圖2所示。

圖2 課程實驗項目

3）嵌入式項目案例庫建設。項目案例庫是實現CDIO教育理念的載體。案例庫中的項目可以從學校縱向、橫向項目中凝練，從各類科技競賽的優秀作品中選擇合適案例進行匯編，也可聯系校外嵌入式培訓機構訂制培訓案例。進行案例庫開發，需要將現有基于C語言開發的嵌入式案例通過MicroPython進行項目重構。教師在進行上述工作的過程中，能夠進一步學習和提高自己，這對提高師資水平而言也是一條行之有效的措施。同時，學生在工作一段時間后，對所在行業技術發展水平和技術需求會有更清晰的認識。通過學生的反饋進一步完善項目案例庫，教學內容能夠始終圍繞實際項目展開，緊跟產業發展趨勢。

2.3.2 CDIO模式下教學方式改革

傳統的教學方法中，知識點相對孤立，并未按照項目實際開發流程組織教學，對于學生能力的培養缺少清晰的規劃。學生學習完每一章節，只對本章內容有所了解，學到的知識是離散的，對本章內容在實際項目開發中如何應用并沒有清晰的認識，學完后常常是“知其然，不知其所以然”。課題組以CDIO模式為指導，將“項目教學法”引入課程的教授中，實現以學為中心的自主研究式學習。教學方式改革包括以下三點。

1）創新教學模式，采用“學生主導開發，教師輔助指導”的方法，學生通過小組討論、案例模仿等方式學習和理解知識點；教師通過基礎知識講解、疑難問題答疑的互動教學模式組織課堂教學，引導學生合作完成項目開發。“學生主導”的教學模式能夠使學生在學習過程中形成團隊協作意識，合作解決開發過程中出現的各種技術難題。

2）實驗教學環節，學生按每8人一組自由組隊，根據興趣從嵌入式案例庫中選擇題目，經過討論后將項目任務進行分解，按照各自任務進行開發。項目開發期間，教師主要負責項目進度的把控，及時幫助學生解決疑難問題，各小組每隔一段時間進行項目進度的匯報。

3）鼓勵學生積極參加校內外各項科技競賽活動，以賽促學。科技競賽活動能鍛煉學生整體項目設計的能力，提高學生對“嵌入式系統設計”課程的學習興趣。

2.3.3 CDIO模式下考核方式改革

傳統的考核方式以閉卷形式為主，卷面成績占比較大，考核偏重于理論知識，無法檢驗學生對整個嵌入式系統項目開發過程的掌握情況。CDIO的評估方法是通過有效的過程評價來衡量能力高低。通過階段性考察的方式進行課程考核和能力評價，可更加客觀地評估學生學習效果。一方面，在教學過程中，研究如何通過多種形式的討論與互評，綜合考核學生“設計-制作”能力；另一方面，研究如何通過工程應用案例，學生在教師的引導下完成相關任務模塊后，根據項目完成標準，考核學生分析實際工程問題，改進、解決問題的思維能力和行動能力。

3 結語

以嵌入式項目開發為主線，將MicroPython融入到“嵌入式系統設計”課程教學過程中，不僅能使學生深刻掌握嵌入式系統開發的基礎知識點，避免枯燥教學方式引起的對課程的畏懼心理，還能培養學生進行項目開發所需要的學習能力和創新能力。基于CDIO的項目教學法采用理論實踐一體化教學模式，能夠在避免傳統教學模式弊端的情況下，發揮優勢，培養出能力強、素質高、具有創新創業精神和實踐能力的應用型、復合型人才。工程教育是目前高校培養應用創新型人才的必然發展趨勢，基于CDIO的項目教學法能夠較好地解決教與學的矛盾，是一種值得推廣的教學方法。