基于CDIO-PBL 教學模式的微處理器與嵌入式系統課程教學改革探討

彭 朋，劉偉峰，曹曉倩，鄭恩讓

（陜西科技大學 電氣與控制工程學院，西安 710021）

自動化專業主要是培養具有良好的人文素養和扎實的數學、自然科學基礎知識，具有從事自動化系統建模、分析、設計、開發、應用與維護等方面的工程實踐能力，具有將自動化領域最新科學技術成果轉化為生產實際的創造潛能，具有良好的表達和溝通能力及團隊合作和組織管理能力的高素質應用型人才。微處理器與嵌入式系統是自動化專業的基礎必修課。它是早期的單片機原理及接口技術、微機原理和嵌入式及接口技術三門課程的一個綜合。該課程圍繞微處理器和嵌入式系統的應用展開教學，使學生掌握微處理器和嵌入式系統的基本知識，培養學生采用嵌入式芯片通過搭建嵌入式軟硬件系統解決實際工程問題的能力。

微處理器與嵌入式系統的課程內容十分龐大，在有限的教學時間內很難讓學生掌握其主要知識點（以陜西科技大學電氣與控制工程學院為例，該課程僅有48 個學時，其中理論教學40 學時，實踐教學8 學時）。目前該課程在教學過程中面臨的最大問題在于找到一種合適的教學方法，讓學生在加深對微處理和嵌入式系統理論的理解上，增強學生的實踐能力和獨立分析問題的能力。因此，對微處理器與嵌入式系統進行教學方法改革具有十分重要的意義。

鑒于此，本文將研究一種新的教學模式即CDIOPBL 的教學模式，并將該教學模式用于微處理器與嵌入式系統課程的教學。CDIO 工程教育理念是麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學開發的。新加坡理工學院采用CDIO 的教育理念，CDIO 即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它是“做中學”原則和“基于項目的教育和學習”的集中體現。CDIO 大綱涵蓋了專業基礎知識及應用、個人專業能力與職業素質、團隊協作與溝通技能和產品或系統開發必須經過的四個階段，見表1。CDIO 教學理念側重過程實踐，學生可以一邊做、一邊學，注重學生團隊精神、核心知識和表達能力的培養，該教學理念比較適用于工科教育。本項目擬將該教學理念用于微處理器與嵌入式系統課程的教學中，激發學生的學習興趣，培養學生的團隊合作能力及表達能力。

表1 以能力為培養目標的CDIO 大綱

PBL（Project/Problem Based Learning）即基于問題的學習，起源于美國的麥克馬斯特大學的醫學專業。PBL 強調以項目/問題為引導，在這種教學模式下，老師幫學生分析、理解問題，引導學生解決問題，不幫學生解決問題，通過學生的自主探究和合作解決問題，可提高學生解決問題、分析問題的能力。微處理器與嵌入式系統課程主要講述微處理器的基本概念、基本原理，微處理器程序設計和接口應用的基本方法，并能綜合運用微處理器搭建嵌入式軟、硬系統，每個部分本身就是一個系統，每個部分也可作為一個項目或者問題。因此，將PBL 教學法用于微處理器與嵌入式系統課程的教學中，能使學生更快、更系統且全面地掌握嵌入式軟硬件系統相關知識，有利于培養學生的創意思維、創新能力、自主學習能力及批判思維的能力。與傳統的學習相比，PBL教學模式的優點如圖1 所示。

圖1 PBL 教學模式與傳統學習比較

在很多教學模式中，理論課和實驗課是分離開的，這將導致理論課程的學習不能及時與實際結合起來，學生對該課程相關知識掌握不到位。本文將PBL 和CDIO教學模式相結合、融會貫通，應用于微處理器與嵌入式系統課程的教學，不但可以提高教學效果，還可以培養學生的自主學習、解決問題和團隊合作等能力。

一、微處理器與嵌入式系統課程中的CDIO-PBL 教學改革

微處理器與嵌入式系統課程進行CDIO-PBL 教學改革分為課程內容改革、課堂組織教學方案改革和專任教師專業素質提升三個方面。對教學內容進行改革時，該專業課的教師按照教學任務和時間將該課程劃分成多個階段或者模塊。各階段在設計、實施和操作中貫穿CDIO 的構思，再使用PBL 模式進行教學。課堂組織教學方案改革又分為教學方式改革和考核方式改革兩個方面。微處理器與嵌入式系統課程中的CDIO-PBL 教學改革的詳細內容如下。

（一）基于CDIO 的微處理器與嵌入式系統課程內容改革

本文以《2019 年陜西高等教育教學改革研究項目立項指南（2019—2021）》和《陜西科技大學教育教學改革研究項目立項指南》文件為指導，按照高等教育課程改革的基本要求，以就業為導向，根據自動化專業的任職要求，結合CDIO 的構思、設計、實現和操作思想對微處理器與嵌入式系統課程的教學內容進行改革。對該課程的內容劃分見表2。課程內容改革之后，可以將該課程分為微處理器的整體框架構思、嵌入式系統的設計思路和嵌入式系統的實現及操作三個階段，在每個階段中使用實際案例，結合PBL 教學模式，以問題為導向，在實際問題中提高學生的學習效率和動手能力，從而高效地完成教學目標。微處理器與嵌入式系統課程的教學目標見表3。

表2 微處理器與嵌入式系統課程改革后的內容安排

表3 微處理器與嵌入式系統教學目標

（二）以問題為導向制定課堂組織教學方案

1.教學方式改革

將微處理器與嵌入式系統的教學內容與CDIO 和PBL 教學模式結合之后，還需要對該課程的教學組織方案進行改革。即在微處理器與嵌入式系統教學過程中，對教學模式、實驗教學環節和學生的課外實踐等教學方式進行改革。

（1）創新教學模式。對傳統的“填鴨式”教學模式進行創新，改用“以學生為中心主導開發，老師輔導”的方法，培養學生的PBL 思維模式，通過小組討論、案例模仿等方式讓學生吃透知識點；教師根據學生在開發過程中遇到的疑難問題，進行知識點的講解，通過解決實際問題調動學生的積極性，形成活躍互動教學模式，引導學生合作完成項目開發。“以學生為中心”的教學模式能夠使學生具備以問題為導向的工程思維模式，能夠增強學生的團隊合作模式，繼而提高學生解決開發中遇到的技術難題的能力。

（2）創新實驗教學環節。把學生按5～8 個人進行自由分組，根據興趣從微處理器與嵌入式系統課程案例庫中選擇題目，讓學生自己討論，再對任務進行分解，任務分工。老師在整個項目開發中，以學生為中心，起監督和任務進度把控的作用，同時幫助個別小組學生解決開發中的疑難問題。

（3）積極構建競賽平臺。鼓勵學生積極參加“數學建模”“互聯網+”和“大學創新創業大賽”等校內外各項科技競賽活動，以賽促學。積極參加科技競賽活動不僅能鍛煉學生整體項目設計的能力，還能夠激發學生對微處理器與嵌入式系統課程的學習興趣，提高學生分析問題、解決問題和實踐應用能力。

2.考核方式改革

傳統的考核方式通常以閉卷形式為主，且卷面成績占比通常大于60%，試卷內容偏重于理論知識，無法檢驗學生對整個微處理器與嵌入式系統開發過程的掌握情況。因此，將過程評價、變現評價、總結評價和信息綜合相結合，從學生討論/過程、作品展示、團隊角色和總結報告等多角度進行課程考核和能力評價十分必要，其考核點分值占比和考核目標見表4。

表4 微處理器與嵌入式系統課程的考核體系

（三）加強專任教師工程教育能力培訓，提升教師專業素質

PBL 和CDIO 教學模式，對教師自身的素質和教學技巧都有很高的要求。尤其是微處理器與嵌入式系統課程在講授時教師除對單片機、嵌入式、操作系統原理和程序編譯原理等專業知識的內容熟練掌握以外，還需要具有一定的工程教育能力，能夠提出問題、解決問題和有良好的組織管理能力，能夠調動學生積極性、寓教于樂、控制課堂節奏等技巧。為了加強教師工程教育能力培訓，提升教師素質，陜西科技大學（以下簡稱我校）鼓勵教師到企業參與工程實踐和暑期社會實踐。

二、CDIO-PBL 教學改革進程中的問題

（一）師資不能完全滿足CDIO-PBL 教學需求

一是專任教師缺少企業工作經驗，特別是青年教師，大多數從事理論研究，沒有在企業的工作經歷，導致動手能力較差，不能給學生提供很好的現場指導；二是缺少管理經驗，微處理器與嵌入式系統是單片機及接口技術、微機原理和嵌入式及其接口技術三門課程的一個綜合，在我校開課時間不長，造成教學時長、人員分配不當，CDIO-PBL 教學模式下的教學效果打了折扣；三是教師的教學理念還有待進一步提高，不少教師的教學理念還停留在“我教你學”的階段，忽略了“授人以魚不如授人以漁”的重要性。

（二）許多學生對CDIO-PBL 教學模式不適應

當下大學生在九年義務教育和高中階段長期接受“填鴨式”教育，對“老師講、學生聽”傳統教育模式形成了一定的依賴性，學生主體意識缺乏、解決問題的積極性不夠，部分學生只滿足于獲取好的“分數”，認為CDIO-PBL 教學模式是在減輕教師的負擔，給學生留的時間太多，太浪費時間。因此，學生也應從自身出發，完成角色轉換，從被動的學習者轉變為學習的主人。因此，部分學生從被動學習到主動學習的學習意識還有待進一步提高。

三、結束語

本文結合CDIO 的構思、設計、實現和操作思想對微處理器與嵌入式系統課程的教學內容進行改革，并以問題為導向，將PBL 融入到該課程教學的每個階段，提出了CDIO 和PBL 相結合的項目式教學模式。在該模式下對微處理器與嵌入式系統的教學內容、課堂組織教學方案和專任教師工程教育能力培訓三個方面的改革進行了探討。此外還對CDIO-PBL 教學模式改革進程中的師資問題和部分學生存在的問題進行了討論。實踐證明，CDIO-PBL 教學模式能使學生更快、更系統并且全面地掌握嵌入式軟硬件系統相關知識，有利于培養學生的創意思維、創新能力，增強了學生的團隊合作意識和獨立分析問題的能力。目前，該模式的研究目前主要集中在微處理器與嵌入式系統課程，下一步的研究工作為將CDIO-PBL 教學模式應用于人工智能等一些新的課程中，希望對其他課程改革提供一種新的思路。