CDIO模式下“嵌入式系統設計”課程構建與實施*——以“智慧農業系統”為例

曹 樂 ，袁 艷 ，王同盟

（西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

0 引言

“工業4.0”即第四次工業革命，脫胎于第三次工業革命，其以工業物聯網、智能技術、通信技術為基礎，將嵌入式系統和智能制造設施連接起來，在工業、商業的內部功能和流程之間創造數字融合。目前，“工業4.0”正在歐美等發達國家快速發展，與前三次工業革命相比，“工業4.0”的進展是指數級的。

伴隨著技術的快速變化，在“工業4.0”時期，要求高等教育不僅要注重學生基本技能和知識的培養，更要使學生具有創造性思維以及適應不斷變化的工作挑戰和要求的能力，以避免被時代淘汰。“工業4.0”對教育和培訓提出新的要求，傳統的教育方法已無法滿足要求。高等教育能否滿足“工業4.0”的需求，學生能否具備創新思維、創新意識以適應時代要求，應該如何進行相關課程改革，已引起相關高校及教育管理部門的高度重視。

為實現搶占未來競爭制高點的重要戰略、把人才作為實施制造業發展戰略的重要支撐的要求，西安工業大學增設智能制造工程專業，致力于培養能夠從事智能賦能技術、智能裝備與產線開發、智能裝備與產線應用等工作的高級復合型專業人才。其核心課程“嵌入式系統設計”旨在通過項目化案例教學方式組織教學活動，學生經過系統的課程學習與訓練，能具備典型嵌入式項目的設計能力，掌握MicroPython編程技術，能進行典型嵌入式系統環境下程序設計。課題組通過對相關院校和用人單位的調查，發現學生在嵌入式系統設計能力培養過程中出現的主要問題有：1）傳統的培養模式注重知識和理論的灌輸，課程內容陳舊，課程設置不合理；2）實踐環節較少，學生創新素質培養不足，對于如科技競賽、畢業設計、課程設計等實踐性要求高的環節未達到教學要求。

為培養學生創造力、學習興趣和團隊合作能力，使學生具備創新人才所需的創造性思維和創新能力，亟須進行“嵌入式系統設計”課程教學改革。CDIO模式是當前工程教育發展的趨勢，該框架為學生提供了一個強調工程基礎的教育，其背景是通過構思（Conceive）—設計（Design）—實施（Implement）—操作（Operate）的方式進行基于完整項目的學習方法，涵蓋了從項目的設計、實施到最終評估的一系列過程。CDIO以產品的整個生命周期即實際工程項目為載體，是一種結合教科書中的理論知識在真實世界中的自適應模擬學習，不僅是邊做邊學，而且是學習知識和任務反應的有機結合[1]。通過CDIO作業和項目，學生學習基本的工程原理，并將其應用于設計、實施和操作技術過程。CDIO教學模式從根本上改變了學生的學習方式和教師的教學方式，基于構思、設計、實施和操作的教學方法對“嵌入式系統設計”教學來說是非常實用的方法[2-3]。

1 CDIO大綱與培養目標的關系

西安工業大學智能制造工程培養大綱要求，智能制造工程專業學生畢業后積累了一定工作經驗，結合大學階段的學術訓練，應具備以下能力[4]：

1）目標1。擁有社會責任感，堅守職業道德規范，具有國際視野、創新能力、終身學習和持續自我完善能力。

2）目標2。能夠適應現代智能制造技術發展的需求，綜合運用數學與自然科學知識、智能制造知識、信息科學知識、機械工程知識及現代科學工具，系統性解決智能制造工程中的復雜工程問題。

3）目標3。能夠承擔智能工廠及智能生產線規劃與設計、管理、維護、服務等方面工作，并充分考慮環境、可持續性發展因素和社會綜合影響。

4）目標4。擁有團隊精神和良好的溝通能力，能在一個設計、生產或科研團隊中擔任組織管理角色。

5）目標5。成為現代制造企業中智能工廠及智能生產線設計、管理、維護等領域的骨干人才，恪盡職守，評價良好，在智能制造業具有競爭優勢。

CDIO大綱規定了學生畢業時應該掌握的能力要求，為本科工程教育提供了合理、完整、普遍和可推廣的目標。大綱由四類高層次的學習成果組成，即技術知識、個人和專業素質、人際關系和社會關系技能以及真實環境下進行項目開發的能力，同時，每個類別被進一步細化為若干層次。2011年，對CDIO教學大綱進行了修訂和更新，增加了領導力和創業精神等技能，并對相關術語進行了解釋。CDIO教學大綱（v2.0）和智能制造工程專業培養目標的關系，如表1所示。因此，通過分析培養大綱的需求可知，利用CDIO模式進行“嵌入式系統設計”課程的開發符合當前工程教育的教育標準。

表1 CDIO教學大綱與課程培養目標

2 CDIO教學模式實施

CDIO教學模式是以模擬真實項目的開發為主線，通過構思、設計、實施、操作四個環節實現教學過程。在項目開發過程中，學生通過參與方案調研、方案設計、編程調試、原型搭建、項目展示等環節，完成課程內容的學習；教師負責組織課堂活動、在項目開發過程中進行引導式教學、評價學生方案及評定課程成績，實現項目化教學過程，改變以往填鴨式的教學方式。

下面以嵌入式系統項目案例庫中的“智慧農業系統”為例，進一步說明CDIO教學模式實施過程的關鍵步驟。

2.1 “智慧農業系統”項目概述

“智慧農業系統”結構圖如圖1所示，系統主要由土壤濕度調控、光照強度調控、水質監測調控三個模塊組成，能夠完成對農產品環境狀態的監測和相關設備控制功能。系統主機芯片采用ESP32，搭載3.2寸LCD觸控屏作為用戶界面，可直接與物聯網服務器進行連接，并上傳數據在云平臺進行數據儲存和分析。從機所用開發板芯片采用STM32F405，具有體積小、易于安裝、能耗小、編程簡便等優勢。從機和主機用LoRa模塊進行無線傳輸數據。

圖1 “智慧農業系統”結構圖

2.1.1 土壤濕度調控模塊

如圖2所示，土壤濕度傳感器根據土壤中水分含量改變電阻并輸出0 V~3.3 V模擬信號，通過進行ADC模數轉換，將傳感器輸出的模擬信號轉換成0~4 095的數字信號。LoRa模塊將采集到的數據通過定點方式發送給主機并在用戶界面顯示，當檢測濕度小于所設定的參數時，主控芯片將輸出控制信號開啟水泵給農作物澆水，當土壤濕度達到預設的參數時停止澆水。此外，用戶也可手動控制調控系統。

圖2 土壤濕度傳感器

2.1.2 光照強度調控模塊

農作物的成長需要大量光照，當光照不足時需要進行補光。光敏傳感器輸出的是0 V~3.3 V模擬信號，接近0 V時光線最強，接近3.3 V光線最弱。將檢測到的模擬信號通過模數轉換，轉換為0~4 095的數字信號，分別代表光線強（0~1 365）、光線中等 （1 365~2 730）、光線弱（2 730~4 095），控制繼電器可以在光照不足時自動打開補光燈，在光照充足時及時關閉光源避免電力浪費。光敏傳感器如圖3所示。

圖3 光敏傳感器

2.1.3 水質監測調控系統

在魚類養殖過程中，由于飼料殘渣、魚類排泄物以及環境污染，對魚塘水質造成影響，形成經濟損失。使用TDS水質傳感器通過UART串口與主機相連，輸出電壓為0 V~2.3 V。將模擬信號通過模數轉換，轉換為0~4 095的數字信號，分別代表水質差（0~1 365）、水質正常（1 365~2 238）、水質潔凈（2 238~4 095）。在監測到水質低于設置參數時自動打開凈水裝置，將受到污染的水進行過濾，同時，還可以將過濾出的雜質進行收集作為肥料；水質監測正常則立即關閉凈水器，以節約成本。TDS水質傳感器如圖4所示。

圖4 TDS水質傳感器及控制板

2.2 構思——使學生明確任務以及如何完成任務

A.教師對往屆優秀嵌入式項目開發案例進行講解，使學生熟悉開發環境和開發流程。

B.學生自由組隊成立項目組，搜集項目資料，確定完成任務所需的學習資源。

C.學生和教師溝通現有資源能否滿足項目需求，形成項目草案。

D.確定項目組長，進行任務分解，明確每個人的分工。

2.3 設計——教師、學生多方溝通討論方案，完成設計方案書的撰寫

E.項目組完成智慧農業設計方案書的撰寫，確定項目目標及參數，進行硬件選型。

F.教師參與方案書討論，反饋方案書的不足，學生進一步修改方案書。

G.教師根據方案書需求，進行嵌入式基礎實驗和傳感器實驗相關內容的教學工作。

2.4 實施——項目組學生合作完成嵌入式項目開發

H.學生考慮方案可靠性，完成硬件設備選型與組裝，掌握安裝步驟和注意事項。

I.完成系統代碼的編寫，實現土壤濕度調控、光照強度調控、水質監測調控等模塊功能，單片機之間數據傳輸通過LoRa實現。

J.在智慧農業沙盤模型上進行系統運行與調試，對出現的問題能夠聯系實際，提出合理解決方案。

2.5 運作——學生進行項目演示與匯報，采用多種形式綜合評價學生成績

K.項目組長進行PPT匯報，內容涉及項目設計思路、實現步驟及項目創新點。

L.項目組成員分工合作進行項目演示和操作，注重表達能力和溝通協調能力的培養。

M.評價過程采用教師評價和不同小組間互評相結合的方式，并根據評價打分確定最終成績。

3 教學效果評價與改進

CDIO教學模式模擬企業和商業背景下真實的項目開發過程，聚焦實際工程開發能力的培養。因此，如何對課程效果進行評價使其能夠模擬真實環境下的開發過程，是整個課程開發過程必不可少的一個環節。如表2所示，CDIO教學大綱規定的能力培養項目及CDIO教學模式實施的關鍵步驟一一對應。通過學習效果的評價調查問卷可有效反饋學生的學科知識和推理能力、個人專業技能和屬性、人際交往技能以及真實環境下的實際工作能力。評價調查對象分為學生和用人單位兩組，分別從各自角度用百分制來評價CDIO教學大綱中規定的技能能力水平。對于教學大綱中規定的能力低于60分的項目，可針對性地對相關步驟進行改進，從而實現“運行—調整—再運行”的閉環課程建設，逐步提高課程教學水平。

表2 CDIO教學大綱與課程培養目標

4 結語

CDIO基于項目化的教學模式將教學活動與用人單位的要求緊密聯系起來，縮小了學校培訓目標與用人單位要求之間的差距，按照企業標準流程對學生進行嵌入式系統項目設計和開發的培訓。綜上所述，CDIO模式下“嵌入式系統設計”課程教學，既能培養學生嵌入式設計的基礎理論和知識，又能幫助學生適應企業工作環境，能夠培養真正符合“工業4.0”要求的高技能型人才。課題組提出的CDIO教學模式對高校其他新工科專業的課程建設和人才培養，也具有一定的推廣使用價值[5]。