CDIO-OBE理念下的嵌入式系統課程改革探索與實踐

摘要：嵌入式系統課程是計算機科學與技術、網絡工程和電子信息工程專業學生的專業方向課，結合本校辦學定位和學院最新的專業人才培養方案提出基于CDIO-OBE理念的嵌入式系統課程改革思路。首先從構建嵌入式系統課程目標與畢業要求對應關系開始，再建設多元化課程資源，以及設計CDIO式課程評價方式，最后介紹具體的教學實施環節進行改革，并持續改進以達到工程教育專業認證的標準，培養新工科背景下的應用型復合型人才。

關鍵詞：嵌入式系統；CDIO-OBE；課程改革；工程教育；新工科

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0161-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在新工科背景下，互聯網+、人工智能等新技術快速發展，對計算機類和電子類專業人才培養提出了更高要求。培養具備創新實踐能力和應用型職業素養的工程人才是必然趨勢，也是我國工程教育專業認證體系與國際接軌的發展方向。成果導向教育（Outcome-based Education，OBE） 理念強調以學生為中心，預設學習成果，實現預期學習成果和評估學習成果，通過“反向設計”方式，針對培養目標整合優化課程體系和教學實施環節，而CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate） 模式持續改進每一個教學實施環節與新工科的要求不謀而合，體現了系統性、科學性和先進性的統一，是計算機類和電子類專業課程改革的趨勢[1]。

嵌入式系統課程是計算機類學科和電子信息類的專業方向課程，為培養基礎扎實、知識面寬、實踐能力強、綜合素質高，適應數字經濟發展和信息社會、網絡時代需要，具有良好的科學素養和創新精神，有較強的技術應用能力和一定的技術研發能力的高素質應用型復合型人才為導向[1]。

1 CDIO-OBE理念下的嵌入式系統混合教學模式建設

1.1 項目為載體，教師主導的課程教學目標優化

按照CDIO-OBE理念對嵌入式系統課程的教學目標進行了優化設計[2]。首先是培養具備公民意識和人文素養，能夠適應新經濟發展需要，有良好的思想品德和社會公德，較好的職業素養，敬業愛崗，精通基礎知識，具有職業道德和社會責任感，富于人文情懷、工匠精神，培養社會主義建設的接班人。其次是具備獨立學習能力，具有良好的數理基礎，掌握嵌入式系統的基本理論和專業知識，如ARM體系結構、指令系統、存儲器、Linux中基本應用程序和驅動程序的開發，畢業后能從事嵌入式系統軟硬件相關的設計、開發等崗位工作。再其次是具備合作能力和溝通交流能力，具有較強的開拓創新精神和創造性思維能力，能夠綜合運用嵌入式系統的基礎理論、專業知識、技術方法和現代工具分析和解決實際問題。最后是具備終身學習能力，能夠具有基本的工程素養、團隊精神、組織溝通能力和國際視野，能夠繼續學習新知識。

1.2 自主學習，學生為中心的獲得工程應用能力

堅持CDIO-OBE理念中的以學生為中心，教師主動放權給學生，提供更多的實踐、討論、交流和線上線下相結合的學習機會[3]。充分利用超星的學習通網絡教學平臺，進行師生互動、線上線下討論、團隊協作等方式，改變傳統的以教師為中心、重教輕學的教學模式，轉變為“以學生自主學習為中心、師生互動、團隊協作”的教學模式。教師可以利用學習通在課前、課中和課后布置任務，學生可自主或協作式完成任務。例如：1） 課前教師用學習通布置任務，讓學生自主上網查閱華清遠見FS4412開發板的相關資料，可在學習通留言；2） 課中組織學生討論交流FS4412開發板可以支持哪些嵌入式開發；3） 課后對學生進行分組協作完成一個利用FS4412開發板實現的嵌入式應用程序開發并運行，形成完整的分組計劃和程序開發文檔。這種自主學習方式可讓學生最大程度地獲得嵌入式系統工程應用能力，進而實現工程認證的培養目標。

1.3 注重過程，多元化考核評價

嵌入式系統課程的評價不是簡單的出勤、作業和期末紙質考試成績，而是注重平時學習過程的記錄，多種方式體現考核結果，比如線上參與討論情況、課堂表現、課后任務完成情況、學習通課程資源學習情況，實踐動手操作情況、利用虛擬仿真平臺完成嵌入式實驗等均可作為考核的內容。注重考核學生的學習過程，通過考核結果分析并反饋到學生，從而促使教師改進教學方法和教學內容等，形成一個良好的教與學相長的閉環鏈，最終實現嵌入式系統課程改革。

2 CDIO-OBE理念下的嵌入式系統改革措施

2.1 制定CDIO教學目標

根據CDIO-OBE理念修訂教學大綱，制定嵌入式系統課程教學目標，旨在培養學生的系統設計、創新思維和工程實踐能力[4]，具體為以下幾方面。

1） 基礎知識掌握

學生需要學習嵌入式系統的基本原理，包括嵌入式系統硬件結構、操作系統、編程語言等基本知識；理解嵌入式系統在各行各業中的應用，以及對現代社會的影響和價值所在。

2） 嵌入式系統設計與集成

通過實際項目讓學生掌握如何設計、集成和測試嵌入式系統；強化學生對電子電路設計、故障排除和系統優化的理解和應用能力。

3） 創新思維培養

鼓勵學生在項目中嘗試新的設計理念和創新方法，培養創新思維和解決問題的能力；通過參加相關競賽，提升學生的創新能力和團隊協作精神。

4） 工程實踐能力

強調“做中學”的教育理念，通過實驗室操作和現場項目讓學生將理論知識應用到實踐中；增強學生對項目管理、工作流程和質量控制的認識，提高實際動手能力。

5） 社會責任感與倫理意識

在教學過程中融入工程倫理和社會責任的討論，培養學生的職業道德；通過項目設計中的環保、節能等要求，提升學生對可持續發展的認識。

6） 團隊合作與溝通能力

通過團隊項目和小組討論，強化學生的團隊合作精神和溝通協調能力；通過與企業合作的實際項目，讓學生體驗團隊合作在工程實踐中的重要性。

7） 終身學習與適應能力

培養學生的自主學習能力，讓他們能夠適應快速變化的技術環境；通過持續的專業發展和學習，為學生未來的職業生涯奠定堅實的基礎。

2.2 構建實訓平臺

嵌入式系統課程構建實訓平臺是一項綜合性、多元化且具有高度實踐性的任務。在信息技術迅猛發展的今天，嵌入式系統作為智能化時代的核心驅動力，正深刻影響著各行各業[5]。具體可以從以下多個方面來實施。

1） 構建虛實結合的實驗環境

① 虛擬實驗平臺：通過引入虛擬現實技術，構建三維立體的實驗場景，使學生能夠身臨其境地操控實驗對象，增強實驗的直觀性和趣味性。

② 遠程實時反饋：確保實驗信息的即時傳遞，即使學生身處不同地點，也能獲得如同親臨現場般的實驗體驗。

2） 開放共享的學習資源

① 平臺架構：采用B/S架構，打破時間與空間的束縛，學生可以通過電腦或移動設備隨時隨地接入平臺。

② 個性化學習：允許學生自主選擇實驗場景與項目，適應新生代學生的學習習慣，激發他們的自主學習和創新創造潛能。

3） 模塊化的實訓平臺設計

① 功能模塊單元：按照項目引領和任務驅動的教學模式，采取模塊化、積木式的設計理念，根據不同的教學實訓需求組合功能模塊單元。

② 擴展功能：支持選配和定制各種傳感器、執行器等來擴充功能，實現無線組網和智能互聯。

4） 智能管理與資源配置優化

① 軟件管理系統：內置統一的軟件管理系統，實現對實驗資源的集中化、智能化管理，通過“分時復用”策略優化資源配置。

② 量化評估教學質量：通過對學生實驗操作細節與結果數據的記錄與分析，為教師提供量化評估教學質量的依據。

5） 實訓平臺的靈活性與擴展性

① 前瞻性設計：充分考慮未來教學需求的變化與擴展性，支持根據實際需要增加場景化對象、優化功能模塊、升級技術架構。

② 適應多種專業需求：滿足電子信息、嵌入式、物聯網、人工智能等多專業的核心課程日常教學、實踐訓練的需求。

2.3 優化教學內容

嵌入式系統課程是一門軟硬件結合的課程，需要在以下方面進行優化。

1） 課程內容更新

① 整合最新處理器與平臺，確保課程內容與當前技術發展同步。

② 增加物聯網和智能設備開發的案例研究和實際應用。

2） 理論與實踐結合

① 強化基礎理論教學，同時通過實驗加強理解。

② 設計項目驅動的課程任務，讓學生通過實際項目應用所學知識。

3） 課程教學方法改革

① 采用混合式學習，結合線上資源和面對面教學。

② 實施小組合作學習和案例分析，增強學生的協作和問題解決能力。

4） 教材與資源更新

① 編寫或更新教材，確保教材內容的現代性和實用性。

② 提供豐富的在線資料和開放源代碼項目，以便學生自學和深入研究。

2.4 改進學生組織

1） 團隊協作。鼓勵學生以團隊形式進行項目工作，培養團隊合作精神和領導能力。

2） 跨學科交流。促進不同專業背景的學生合作，拓寬視野，促進知識交叉融合。

2.5 實施教學改革

基于CDIO理念的實踐教學體系是提高嵌入式系統課程教學效果的關鍵[6]。通過設置層次化的嵌入式實踐教學內容，并構建“三課堂”一體化實踐育人模式，可以對實踐教學體系進行柔性化改進[7]。同時，由于嵌入式系統課程內容豐富，理論和實踐教學結合不夠密切，不利于培養學生的學習興趣，因此教學內容和教學方法的改革也至關重要?？梢詮囊韵路矫孢M行改革：

1） 理論教學（第一課堂）

①" 基礎知識講解：講授嵌入式系統的基本原理，包括硬件架構、操作系統、編程語言等，可采用混合式教學方法，利用學習通平臺讓學生基礎知識更扎實。

② 案例分析：分析典型的嵌入式系統應用案例，讓學生了解理論在實際中的應用。

2） 實驗教學（第二課堂）

① 實驗室實踐：設置與理論教學配套的實驗項目，如開發環境和工具的使用、嵌入式編程練習等。

② 項目驅動學習：通過小型項目，如溫度監控系統、智能家居控制等，讓學生親手設計并實現嵌入式系統。

3） 社會實踐（第三課堂）

① 企業合作：與企業合作，讓學生參與實際的嵌入式系統開發項目，體驗真實的工作環境。

② 競賽參與：鼓勵學生參加嵌入式系統設計競賽，如全國大學生電子設計競賽等，提升實戰能力。

2.6 加強師資隊伍建設

定期對教師進行CDIO和嵌入式系統相關的專業培訓，提升教學水平。聘請具有行業經驗的專家和工程師擔任兼職教師或講座教授，為學生提供實戰經驗。

2.7 強化工程倫理和社會責任

在教學中加入工程倫理的討論，培養學生的社會責任感和職業道德。引導學生關注嵌入式系統設計中的可持續發展問題，如環保和節能等。

2.8 課程評估方式改革

課程實施持續評估，包括項目進展、實驗報告和課堂表現。引入同行評價和自我評價，培養學生的自我反思能力。

2.9 學生反饋與課程改進

定期收集學生的反饋意見，作為課程改進的依據。建立課程評估委員會，由教師和行業專家共同參與課程設計。

總的來說，CDIO-OBE理念下的嵌入式系統改革措施旨在通過實踐導向的教學改革，培養學生的工程實踐能力、創新意識和社會責任感。通過明確教學目標、構建實訓平臺、優化教學內容、改進學生組織、實施教學改革等措施，可以有效提升嵌入式系統課程的教學質量和學生的綜合素養。這些改革措施需要教師、學生、學校和行業共同努力，不斷探索和實踐，以期達到更高的教育目標。

3 近2年課程改革情況

從2022年開始進行教學改革，利用學習通線上平臺輔助教學，最近兩個學期的課程教學目標達成度較高，課程教學改革情況如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

嵌入式系統課程改革成果僅展示了線上線下的混合教學情況，總的來說，嵌入式系統課程的改革方向正確，學生的自主學習熱情更高，學生每學期的參與度在逐年增加，能力也明顯得到了提高，但還需要持續跟進改革成果，進一步提升教學質量。

4 結論

CDIO-OBE理念的嵌入式系統課程改革在理論和實踐教學方面重點引入工程項目知識，著重培養學生自主學習意識，提高工程實踐能力；構建實訓平臺和搭建校企合作機會，充分鍛煉學生實際動手能力和提升團隊協作意識，做到畢業即就業；最后改革課程評估方式，全方面評估學生的學習情況，并根據學生的反饋持續改進課程，培養新工科背景下的應用型復合人才。未來可以探討如何進一步完善CDIO-OBE理念下的嵌入式系統課程改革，如何構建科學合理的評價體系，如何讓學生的創新實踐能力得到更好的發揮等。

參考文獻：

[1] 韓明，李燕，孟軍英.基于OBE的計算機網絡課程混合式教學改革研究[J].石家莊學院學報，2023，25（3）：126-130.

[2] 曹一鵬， 吳昊， 毛艷娥. OBE-CDIO理念下單片微型計算機原理及應用課程教學探索與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2023（7）：74-77.

[3] 葉佩，展慧，陳楓哲.OBE理念下計算機類專業課程的實踐探索：以微機接口技術課程為例[J].軟件導刊，2022，21（12）：238-241.

[4] 胡桃英，虞娟.CDIO-OBE工程教育理念下的Java程序設計課程改革探析[J].電腦知識與技術，2024，20（11）：137-139.

[5] 柳欣，王黎峰，陳龍溪，等.基于OBE理念的計算機專業課程思政教學改革實踐探析：以算法導論課程為例[J].電腦知識與技術，2024，20（4）：154-156，159.

[6] 劉婷婷，余雨，陳偉.基于OBE理念的計算機通信與網絡課程混合式教學建設[J].計算機教育，2023（5）：23-28.

[7] 李平，段士偉.基于CDIO-OBE理念的工程估價課程教學改革[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2023，40（6）：63-65.

【通聯編輯：王 力】