王娜+霍英

摘 要：針對(duì)嵌入式領(lǐng)域發(fā)展迅速、涉及交叉學(xué)科多、課程難度大、人才培養(yǎng)與技術(shù)發(fā)展同步困難的特點(diǎn)，針對(duì)企業(yè)對(duì)嵌入式人才的需求，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代特點(diǎn)，采用CDIO模式的嵌入式教學(xué)改革，分別從教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革、加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)、注重提升教師能力等方面進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的具體改革措施，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；嵌入式；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP368.1-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）04-0037-04

一、引言

近年來，嵌入式系統(tǒng)幾乎無所不在的應(yīng)用領(lǐng)域使其成為一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)，然而人才的匱乏已成為其發(fā)展的瓶頸，據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，隨著嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)前最熱門最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一，嵌入式人才缺口達(dá)到了每年80萬人左右。出現(xiàn)與十幾年前計(jì)算機(jī)專業(yè)的擴(kuò)張非常相似的嵌入式專業(yè)的泛濫和培訓(xùn)的亂象。然而大量高校的嵌入式相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生的就業(yè)情況并不樂觀，高校中，嵌入式學(xué)習(xí)的重視程度參差不齊，高校開設(shè)的課程體系陳舊，常常與工作中的實(shí)際需求脫節(jié)。這也導(dǎo)致很多公司不輕易招收缺乏工作經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)屆畢業(yè)生，從而使得部分嵌入式方向的畢業(yè)生，走向了單方面的C/C++語言、或Linux運(yùn)維崗位，未能成為理想中的綜合型的嵌入式人才。

目前，嵌入式教學(xué)的難點(diǎn)是，以MCU 和嵌入式處理器為代表的嵌入式技術(shù)發(fā)展很快，而教師、課件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境很難同步跟進(jìn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的進(jìn)入，ZigBee、WiFi和藍(lán)牙等無線技術(shù)和MEMS傳感器技術(shù)，原本自成一體的嵌入式系統(tǒng)變成了智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的8051單片機(jī)教學(xué)和“ARM+Linux”的嵌入式[1]教學(xué)亟需改革。同時(shí)，隨著嵌入式教學(xué)內(nèi)容的不斷擴(kuò)充，教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課時(shí)也顯得捉襟見肘[2]。盡管各類嵌入式或者物聯(lián)網(wǎng)大賽能夠提升部分學(xué)生的素質(zhì)，但是如何提高一批學(xué)生的整體能力是我們教學(xué)改革的關(guān)鍵。

CDIO教育理念是構(gòu)思 （Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作 （Operate）四個(gè)英文單詞的縮寫，它是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”（Project based education and learning）的集中概括和抽象表達(dá)[2]，是由美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合世界著名工科大學(xué)從2000 年開始研究實(shí)施的先進(jìn)教育模式。它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。使學(xué)生通過基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，來感受職場(chǎng)文化環(huán)境的熏陶，形成全面的職場(chǎng)能力和素質(zhì)。這種教學(xué)理念與嵌入式教學(xué)的目標(biāo)不謀而合，為適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域快速更新，發(fā)展迅速的現(xiàn)狀，嵌入式課程教學(xué)應(yīng)結(jié)合 CDIO 的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力。

二、CDIO模式嵌入式教學(xué)改革

1.多課程聯(lián)合的教學(xué)內(nèi)容改革

嵌入式開發(fā)的工程師不應(yīng)僅僅停留在某個(gè)應(yīng)用或某個(gè)模塊上，而是應(yīng)盡量全面地學(xué)會(huì)或把握整個(gè)系統(tǒng)，雖然不能做到每個(gè)模塊的代碼都去理解一遍，但基本的流程要懂，基本層次從低到高包括啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)、API、中間件、UI、應(yīng)用等等[3]。

因此，基于CDIO模式的新的課程設(shè)計(jì)將會(huì)更注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及系統(tǒng)調(diào)控能力。新的課程規(guī)劃要求學(xué)生養(yǎng)成一個(gè)習(xí)慣，那就是主動(dòng)找書找資料。這樣讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注科技發(fā)展，緊跟時(shí)代潮流。為了提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，新的課程計(jì)劃將會(huì)有更多的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，在實(shí)踐中體驗(yàn)CDIO（構(gòu)想—設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—操作）的教育理念。結(jié)合嵌入式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，新的課程計(jì)劃要圍繞著“做項(xiàng)目”的模式展開，按照課程的前后相關(guān)性和軟件層次從低到高分階段，分層次系統(tǒng)開設(shè)，并且每個(gè)階段要通過階段項(xiàng)目對(duì)知識(shí)進(jìn)行鞏固應(yīng)用，課程最后通過綜合項(xiàng)目進(jìn)行綜合應(yīng)用，讓才干在實(shí)踐中提升。這也將極大地提高學(xué)生的系統(tǒng)調(diào)控能力。

嵌入式課程實(shí)踐性強(qiáng)，課程體系建設(shè)方面需要根據(jù)所依賴的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來組織[4]，以某種現(xiàn)成開發(fā)板為基礎(chǔ)，講授嵌入式開發(fā)相關(guān)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選定以當(dāng)前主流的基于Cortex-A8處理器為核心的GEC-210的開發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)講授平臺(tái)及處理器特征特點(diǎn)、擴(kuò)展接口板開發(fā)技術(shù)、操作系統(tǒng)內(nèi)核精簡(jiǎn)優(yōu)化技術(shù)、其他系統(tǒng)軟件開發(fā)優(yōu)化技術(shù)，應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)等[5]。

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)流程，將嵌入式課程的教學(xué)劃分為六個(gè)階段，共設(shè)計(jì)六個(gè)階段項(xiàng)目，配合GEC-210的開發(fā)板， 結(jié)合要對(duì)嵌入式軟件各個(gè)層次全面把握的要求，逐層遞進(jìn)的嵌入式核心內(nèi)容主要如表1所示：

對(duì)于每個(gè)階段的學(xué)習(xí)，都要設(shè)計(jì)應(yīng)用性很強(qiáng)的階段項(xiàng)目，對(duì)每一個(gè)階段的所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合練習(xí)。整個(gè)課程體系的最后就是綜合項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)《智能家居系統(tǒng)》，本項(xiàng)目不僅需要嵌入式的知識(shí)，還要綜合傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)，將一個(gè)大項(xiàng)目拆分為幾個(gè)模塊，學(xué)生分組協(xié)作。模擬真實(shí)項(xiàng)目的管理過程，培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)同開發(fā)能力，項(xiàng)目文檔編寫能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

嵌入式涵蓋的內(nèi)容廣泛，包括硬件設(shè)計(jì)、用戶軟件，以及網(wǎng)絡(luò)通信等等，一個(gè)人不可能精通嵌入式所有的知識(shí)，所以通過以上分層次的一系列專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，使學(xué)生先理解嵌入式開發(fā)的總體流程，以及用到的相關(guān)技術(shù)，先對(duì)嵌入式有個(gè)總體地宏觀地把握，然后在嵌入式領(lǐng)域找到自己的興趣，了解自己的能力邊界，確定自己將來的工作方向，如嵌入式底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)，系統(tǒng)移植開發(fā)，還是應(yīng)用開發(fā)、GUI開發(fā)，從而在自己感興趣的領(lǐng)域深入學(xué)習(xí)，為將來的工作打好基礎(chǔ)。

2.教學(xué)方式方法改革

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代，人們?cè)絹碓揭蕾嚲W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)改變著大學(xué)生的學(xué)習(xí)生活和思維方式，他們身上有著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的顯著特點(diǎn)，個(gè)性張揚(yáng)，易于接受新事物，善于利用網(wǎng)絡(luò)，精通于互聯(lián)網(wǎng)的使用，但又過分依賴網(wǎng)絡(luò)。老式傳統(tǒng)的教學(xué)模式與90后大學(xué)生之間的矛盾日漸突出。如何利用網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合大學(xué)生的特點(diǎn)和嵌入式課程的目標(biāo)，采用合理的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。根據(jù)CDIO模式的指導(dǎo)思想，教學(xué)方法采用“翻轉(zhuǎn)課堂”和“成果為本教學(xué)”相結(jié)合的方法。

（1）“翻轉(zhuǎn)課堂”式教學(xué)方法

網(wǎng)絡(luò)是一把雙刃劍，在給大學(xué)生們帶來諸多便利的同時(shí)，也帶給他們諸多危害。引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)習(xí)效率。

改變傳統(tǒng)的“講三練二考一”的教育模式，采用國(guó)際化的“講一練二做三”的教育模式在每一個(gè)項(xiàng)目中，涉及一些理論基礎(chǔ)，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行必要的理論準(zhǔn)備，并不局限于課堂授課，對(duì)于通識(shí)性的理論知識(shí)，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”式教學(xué)方法[6]，注重啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生通過微課、慕課、網(wǎng)易公開課等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)課下學(xué)習(xí)，課堂討論知識(shí)應(yīng)用。同時(shí)啟發(fā)學(xué)生如何完成項(xiàng)目的基本要求和擴(kuò)展要求，項(xiàng)目由簡(jiǎn)入深的原則，通過漸進(jìn)的學(xué)習(xí)逐步地提高和完善學(xué)生的知識(shí)面。

（2） “成果為本”教學(xué)方法

教師教了不等于學(xué)生學(xué)了，改變傳統(tǒng)教學(xué)中內(nèi)容為本，著重“知識(shí)”的教學(xué)方法。采用“成果為本”的教學(xué)方法[7]，學(xué)習(xí)成果應(yīng)該包括“知識(shí)”——學(xué)生應(yīng)該知道/理解的、“能力”——學(xué)生應(yīng)該能做的、“素質(zhì)”——學(xué)生應(yīng)該具備的價(jià)值觀和態(tài)度三個(gè)方面。

對(duì)于與硬件關(guān)系緊密的實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容，要采用“成果為本”的教學(xué)方法。并設(shè)計(jì)配合學(xué)習(xí)成果的課程設(shè)計(jì)、教學(xué)方法及評(píng)價(jià)考核方法。

技術(shù)的學(xué)習(xí)必須奉行的原則一定是“實(shí)踐出真知”。從成果即項(xiàng)目出發(fā)，進(jìn)而學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，實(shí)踐過程中學(xué)生哪怕只是驅(qū)動(dòng)了簡(jiǎn)單的A/D 轉(zhuǎn)換器，都會(huì)對(duì)整個(gè)嵌入式開發(fā)工作形成方法學(xué)的概念，延展到多種應(yīng)用領(lǐng)域后會(huì)很容易上手，這就達(dá)到了更高層次的“素質(zhì)”要求。

從“成果”出發(fā)，從解決問題的角度學(xué)習(xí)知識(shí)。通過邊動(dòng)手實(shí)踐邊學(xué)理論的學(xué)習(xí)方法，練習(xí)過程中有問題和不懂的地方，學(xué)生可以討論，將所有知識(shí)點(diǎn)當(dāng)堂課完全理解吸收，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和繼續(xù)深入學(xué)習(xí)積極性。而且還能在教師的監(jiān)督下鍛煉學(xué)生的編程能力，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

教師在授課過程中要從使學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)理念的角度出發(fā)，要注意思想和方法的講解，而不是單一知識(shí)點(diǎn)的傳授。要有工程的理念，比如鑒于嵌入式硬件資源的限制，嵌入式軟件開發(fā)需要考慮代碼精簡(jiǎn)和執(zhí)行效率問題，對(duì)所寫的每一行代碼要清楚它的作用，它在可執(zhí)行代碼中的位置，它真正要加載的位置（即虛擬運(yùn)行地址），它什么時(shí)候會(huì)被執(zhí)行，什么時(shí)候會(huì)被加載等等。因此教師在授課過程中需要給學(xué)生講清楚內(nèi)存的分配情況，通過具體的實(shí)例使學(xué)生對(duì)代碼在內(nèi)存中的運(yùn)行過程和作用有一個(gè)從理性到感性的認(rèn)識(shí)。

3.加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

為培養(yǎng)能迅速適應(yīng)各種變化的嵌入式系統(tǒng)人才，通過“翻轉(zhuǎn)課堂”和“成果為本”的方法設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和配套的考核機(jī)制，可以更好的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。同時(shí)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)理念和方法在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革。

首先在學(xué)習(xí)理念上，要使學(xué)生明白，要真正學(xué)好一門語言，不是指懂它的語法，而是要有解決問題的思想，比如理解C語言在內(nèi)核中的靈活使用，Linux內(nèi)核開發(fā)中，通過結(jié)構(gòu)體和函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)的面向?qū)ο蟮木幊趟枷搿?/p>

要注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，比如在Linux內(nèi)核中的子系統(tǒng)很多，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生分析一個(gè)有代表性的子系統(tǒng)如Input子系統(tǒng)，重點(diǎn)分析系統(tǒng)邏輯、講授學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱相關(guān)文檔、博客、技術(shù)論壇自學(xué)其它子系統(tǒng)，學(xué)會(huì)自己查找解決問題的方法。

要培養(yǎng)學(xué)生工程的理念，在階段項(xiàng)目和課程綜合項(xiàng)目開發(fā)過程中，一定引導(dǎo)學(xué)生先從整個(gè)工程的邏輯入手，先確定整個(gè)項(xiàng)目的功能結(jié)構(gòu)，邏輯劃分，注意模塊之間的重用，提高代碼的內(nèi)聚降低耦合，再進(jìn)入代碼撰寫階段，不要直接動(dòng)手寫代碼，否則會(huì)越寫越混亂。

培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)方法，學(xué)一門技術(shù)時(shí)，遵循的是理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐、再看書、總結(jié)這樣一個(gè)模式。還有一點(diǎn)就是，用到一分，就往廣里多學(xué)一分，往深里多學(xué)一分。以點(diǎn)帶面，就會(huì)持續(xù)不斷地學(xué)下去，這樣時(shí)間長(zhǎng)了，自然會(huì)不斷豐富自己，脫胎換骨。

鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種競(jìng)賽，在參與的過程中他們會(huì)積極思考，努力探索，有針對(duì)性地去學(xué)習(xí)、討論，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和積極參與競(jìng)爭(zhēng)的意識(shí)有很重要的意義。學(xué)生參加了大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，中國(guó)機(jī)器人大賽、博創(chuàng)杯嵌入式大賽、中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，參賽結(jié)束后學(xué)生們的應(yīng)用能力、自學(xué)能力和自信息都有了很大提高。

通過校企合作為提高學(xué)生的學(xué)生實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，為全面了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型、功能定義、需求定義、軟硬件開發(fā)，以及功能樣機(jī)測(cè)試等，鼓勵(lì)學(xué)生走出去，到公司進(jìn)行實(shí)習(xí)，我們學(xué)院一直堅(jiān)持校企合作，與藍(lán)狐、中軟國(guó)際、深圳軟件園建立協(xié)同育人的長(zhǎng)期合作關(guān)系，給學(xué)生提供到企業(yè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，真正接觸一些項(xiàng)目開發(fā)工作，既利于學(xué)生畢業(yè)找到更為理想的工作，又便于企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目用人，有效地減少雙方磨合的時(shí)間。

4.注重提升教師的能力

嵌入式的發(fā)展日新月異，幾年前盛極一時(shí)的諾基亞和塞班系統(tǒng)被淘汰，說明在嵌入式領(lǐng)域，固步自封只能走向滅亡。嵌入式教師要緊跟行業(yè)發(fā)展不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)新技術(shù)，及時(shí)更新知識(shí)結(jié)構(gòu)和授課內(nèi)容，要與社會(huì)需求接軌。

CDIO模式對(duì)嵌入式的教師的要求很高，很多教師缺乏嵌入式工作的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期在教學(xué)一線，不能緊跟業(yè)界動(dòng)態(tài)，逐漸脫離新技術(shù)的發(fā)展，課程更新的速度很難跟得上嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的速度，并且缺少對(duì)整個(gè)嵌入式行業(yè)的把握，授課更多是以理論知識(shí)為主，其結(jié)果可想而知。

嵌入式系統(tǒng)具有與眾不同的特點(diǎn)，它至少匯集了電氣、電子、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)械、工業(yè)設(shè)計(jì)等多種學(xué)科技術(shù)，而且是與應(yīng)用需求高度結(jié)合的。單靠教師的自學(xué)很難真正掌握并達(dá)到一定的高度。所以有計(jì)劃的師資培訓(xùn)就顯得非常重要，我們學(xué)院一直致力面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的路線，大力培養(yǎng)同時(shí)具有講師和中級(jí)工程師以上資格的“雙師雙能型”教師隊(duì)伍的建設(shè)，派遣教師到企業(yè)和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)深造學(xué)習(xí)，教師都是帶著問題有目的性地去學(xué)習(xí)，收獲非常大，不僅提高了教師的工程應(yīng)用能力和教學(xué)水平，又能使教師接觸市場(chǎng)最新的技術(shù)動(dòng)態(tài)，使他們對(duì)公司用人需求也非常了解，知道如何把學(xué)生培養(yǎng)成為公司需要的技術(shù)人才，與市場(chǎng)接軌的授課內(nèi)容和授課方式大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用水平，也提高了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

三、總結(jié)

嵌入式教學(xué)結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代特點(diǎn)，采用基于CDIO的教學(xué)模式，在課程的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）方面進(jìn)行多課程聯(lián)合的教學(xué)內(nèi)容改革，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源通過“反轉(zhuǎn)課堂”和“成果為本”的教學(xué)方法，使學(xué)生掌握項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)（Implement）的知識(shí)和技能，最終體驗(yàn)整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)作 （Operate）的流程。

嵌入式系統(tǒng)是IT 產(chǎn)業(yè)中變化最迅速的前沿科技領(lǐng)域，因此嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期而系統(tǒng)的工程，需要不斷的探索實(shí)踐和改進(jìn)。

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（編輯：郭桂真）