孫靜

摘要：CDIO是國際工程教育改革的成果。該文引入CDIO教育理念，介紹了該理念的三個核心文件：1個愿景、1個教學大綱、12條標準。并把CDIO教育理念引入嵌入式系統(tǒng)原理及應用課堂，從教學理念、教學內容設計、“做中學”教學方法，到考核方式結合CDIO教育理念進行改革。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；CDIO教育理念；做中學；工程師

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0153-02

嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，涵蓋嵌入式硬件和軟件兩大部分。隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應用將獲得廣闊的發(fā)展空間，其應用領域包括：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、POS網(wǎng)絡、環(huán)境工程、國防與航天等。尤其是物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，更加推動嵌入式技術的發(fā)展和應用。

嵌入式行業(yè)的快速穩(wěn)步發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)工程師的人數(shù)要求和能力要求不斷提高。華清遠見2013-2014年度的行業(yè)調查數(shù)據(jù)的結果顯示，目前從事嵌入式開發(fā)“不到1年”和“1-2年”的工程師所占的比例依然是最大的，分別是38%和20%，占總參與調研人數(shù)的58%，對比去年增加了4個百分點，而具備相對豐富開發(fā)經(jīng)驗的嵌入式工程師（2年以上工作經(jīng)驗）則占總調研人數(shù)的42%[1]。分析得出，嵌入式企業(yè)的發(fā)展速度和專業(yè)人才的成長速度依然有一定的差距，行業(yè)內嵌入式工程師供不應求的狀態(tài)扔將持續(xù)。

我國通常情況下是在工作中培養(yǎng)工程師，在校園里主要教授理論知識。而世界上好多大學，其中著名的麻省理工學院，瑞典皇家工學院等大學培養(yǎng)模式對工程師非常重視。我國經(jīng)濟的發(fā)展對工程師的需求越來越多，本文研究引入我國的CIDO工程教育理念，探索在校園里以CDIO工程教育模式對嵌入式系統(tǒng)原理和應用課程的改革和實踐。

1 CDIO教育理念

CDIO是麻省理工學院等四所大學共同創(chuàng)立的工程教育改革模式，表示構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運行（Operate），包括三個核心文件：1個愿景、1個教學大綱、12條標準[3]。CDIO的愿景是為學生提供一種強調工程基礎的、建立在真實世界的產品和系統(tǒng)的CDIO過程的背景環(huán)境基礎上的工程教育。CDIO的教學大綱對學生提出了4個層面的能力要求：基礎知識、個人能力、團隊協(xié)作和工作系統(tǒng)能力。CDIO 理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的12條標準。

我國的高等教育缺少培育高級工程師的理念和實踐，CDIO理念對我國工程教育課程改革具有重要的借鑒意義。2005 年起，汕頭大學執(zhí)行校長顧佩華教授在汕頭大學工學院引入CDIO理念，開始研討并實施，提出了 EIP-CDIO 培養(yǎng)模式，即職業(yè)道德（Ethics）、誠信（Integrity）和職業(yè)素質（Professionalism）與CDIO 有機結合以培養(yǎng)高級工程專業(yè)人才為目標的高等工程教育新模式[2]。2008年4月，教育部高等教育司發(fā)文成立“CDIO工程教育模式研究與實踐課題組”。2010年4月，全國共有39所高校開展CDIO試點工作，這種規(guī)模還在繼續(xù)擴大[3]。

2 CDIO理念在嵌入式系統(tǒng)原理和應用課程教學中的應用

2.1 嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程特點、教學現(xiàn)狀、培養(yǎng)目標

我院的《嵌入式系統(tǒng)原理及應用》基于ARM處理器，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)平臺。課程具有綜合性強，實踐性強等特點。理解并掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要具備的知識有：嵌入式C語言，嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式Linux應用開發(fā)，ARM處理器平臺及其接口硬件開發(fā)，嵌入式Linux下常用接口的驅動開發(fā)和應用程序開發(fā)。每項知識點的掌握都需要通過在開發(fā)平臺上實踐、理解、消化、吸收。

以往，由于教學大綱規(guī)定了理論課和實驗課各自的學時數(shù)，排課時理論課安排在教室上課，實驗課學時較少。教學目的是讓學生掌握抽象的理論知識，培養(yǎng)目標是追求知識的面面俱到，在課堂上“滿堂灌”地“傳授知識”，考核以期末試卷的分數(shù)決定成績的高低，造成了學生不理解理論知識的內涵，不會把理論知識應用在實踐中，考試前死記硬背知識點。許多理論知識在結合實驗平臺的動手編程中可以輕松理解，有些通過查資料了解的知識點也要背誦，給學生增加了額外負擔，降低了學生的學習興趣。實驗教學由于學時少，學生對實驗環(huán)境的調試不熟練，對開發(fā)平臺理解不夠透徹，即使做了幾個驗證性實驗，對嵌入式系統(tǒng)的原理和應用在認識上不清楚，會打擊學生學習嵌入式系統(tǒng)的熱情，造成對嵌入式技術開發(fā)的興趣不濃，以至于畢業(yè)后有人拒絕做嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作。

2.2 CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)原理及應用教學改革與實踐

2.2.1 教學理念的改革

當今社會處于知識大爆炸的時代，想通過一學期的嵌入式原理及應用一門課程把嵌入式系統(tǒng)的理論知識和技術應用熟練掌握難度比較大，為使學生在有限的教學時數(shù)內靈活掌握和運用嵌入式系統(tǒng)的知識和技術，畢業(yè)后成為合格的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)或應用工程師，需要改變傳統(tǒng)的以“教”為主的教學理念，現(xiàn)在以“用”來組織教學逐漸成為高校教學的共識，向實行工程教學方向的改革。國際工程教育改革的新成果：麻省理工學院等經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立了 CDIO 工程教育理念，目前國內外很多高校實施CDIO教育模式，如美國的麻省理工學院、賓夕法尼亞州立大學，英國的利物浦大學，貝爾法斯特女王大學，澳大利亞的悉尼大學，昆士蘭理工大學等；國內的汕頭大學、北京石油化工學院、燕山大學、合肥工業(yè)大學、北京科技大學、長春工業(yè)大學、昆明理工大學等高校。

結合計算機科學與技術專業(yè)的專業(yè)特色，嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程的特點，在這門課上實施CDIO工程教育理念。每年安排學生到公司實習，教師到公司了解學生的實習情況，定期和公司探討技術的發(fā)展和需求，合理調整每一輪的教學?，F(xiàn)在課程設置上重實驗環(huán)節(jié)，教學場地設在實驗室，實驗結合理論，以動手為主，遵照標準6、7。

2.2.2 教學內容的設計

教學內容應緊密圍繞教學大綱展開，CDIO強調教學大綱的設計與培養(yǎng)目標的確定應與產業(yè)對學生素質和能力的要求逐項掛鉤。這就要求教學內容的設計和培養(yǎng)目標上要緊緊圍繞CDIO大綱的四個層面開展：基礎知識、個體素質、團隊合作能力、工作系統(tǒng)能力。

1）以項目為導向的教學內容

按照CDIO的培養(yǎng)目標，把嵌入式系統(tǒng)及原理的教學內容進行調整，以項目為導向的培養(yǎng)模式進行教學?？偨Y理論知識，實驗平臺的構成，學生的學習能力，把嵌入式系統(tǒng)及原理的教學分成若干個項目模塊，每個模塊提出明確的要求，需要達到的目標，如表2所示。

表2 以項目為導向的教學內容及培養(yǎng)目標

[標號 項目題目 培養(yǎng)目標 知識 個體素質 團隊合作能力 工作系統(tǒng)能力 1 Linux驅動程序的編寫 相關的數(shù)據(jù)結構，驅動程序編寫過程，加載、卸載方法 組織知識，動手實現(xiàn)。 互相交流，取長補短。 Linux系統(tǒng)的驅動程序，Linux系統(tǒng)的驅動工作方式。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 2 基于Linux的跑馬燈驅動程序、應用程序的編寫 GPIO口的驅動方式。 組織驅動程序的數(shù)據(jù)結構，動手實現(xiàn)。 互相交流，取長補短。 Linux系統(tǒng)驅動程序、應用程序系統(tǒng)調試能力。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 3 基于Linux的鍵盤驅動程序、應用程序的編寫 Hd7279，數(shù)碼管，GPIO口等相關知識。 組織知識，實現(xiàn)鍵盤驅動和簡單的應用程序。閱讀文檔的能力。 互相交流，取長補短。 中斷服務程序運用，代碼調試，操作演示。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 4 簡易計算器的設計 Hd7279，數(shù)碼管 閱讀文檔，實現(xiàn)計算器功能 互相交流，取長補短。 中斷服務程序運用，代碼調試，操作演示。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 5 基于Linux的LCD驅動程序、應用程序的編寫 S3C410控制器，OMAP3530 MCU 組織知識，實現(xiàn)LCD驅動和簡單的應用程序。閱讀文檔的能力。 互相交流，取長補短。 代碼調試，操作演示。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 6 LCD應用程序設計 Lcd畫線，畫弧，畫圓，漢字，圖片，

研究算法，閱讀文檔 互相交流，取長補短。 LCD屏的系統(tǒng)應用設計、代碼調試、操作演示。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 7 綜合設計 貪吃蛇，飛機，太空大戰(zhàn)，五子棋，俄羅斯方塊等小游戲 研究算法，閱讀文檔，綜合能力提高 互相交流，取長補短。 系統(tǒng)設計、代碼調試、完善設計系統(tǒng)、操作演示。綜合運用系統(tǒng)知識能力。 ]

2）鼓勵學生自主創(chuàng)新、以賽促學

經(jīng)過課堂上按照CDIO的培養(yǎng)目標執(zhí)行，學生的動手能力明顯提高。掌握了項目開發(fā)的基本思路，結合實際應用鼓勵學生自主創(chuàng)新、以賽促學。嵌入式系統(tǒng)課程依托各類大學生科技創(chuàng)新競賽活動，建立了內容豐富的開放式第二課堂，拓展和延伸了教學空間。如通過組織、培訓學生參加大學生機器人大賽、物聯(lián)網(wǎng)設計競賽、電子設計競賽、嵌入式設計競賽等科技創(chuàng)新活動，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，以及勤于動手、團隊協(xié)作和勇于創(chuàng)新的精神。學校還邀請企業(yè)技術骨干作為指導專家，從工程的角度向學生傳授企業(yè)開發(fā)習慣、項目分析管理經(jīng)驗、企業(yè)開發(fā)規(guī)范等知識，并定期組織學生參加生產實訓，使學生在真實的工程情境中開展學習和實踐，為他們將來從事嵌入式相關領域的工作打下堅實基礎。

2.2.3 “做中學”的教學方法

“做中學”是約翰·杜威提出的學習方法，認為“做中學”也就是“從活動中學”、“從經(jīng)驗中學”，指出：“從做中學是比從聽中學更好的學習方法。” 它把學校里知識的獲得與生活過程中的活動聯(lián)系起來，充分體現(xiàn)了學與做的結合，知與行的統(tǒng)一。[4，5]溫家寶總理曾強調“在做中學才是真學，在做中教才是真教?！鼻度胧较到y(tǒng)原理與應用的教學，改變傳統(tǒng)的以課堂教授為主，以考試成績評定學生成績的考核模式。提前告知學生預習每個模塊涉及的基礎知識，文獻資料，技術資料文檔，課上提示這些基礎知識在模塊上的應用方法，概要講述文獻資料閱讀方法。學生思考、設計模塊功能，調試代碼，在硬件系統(tǒng)上觀察結果。通過調試，遇到問題反過來繼續(xù)研究基礎知識，精讀研發(fā)用到的技術資料。這樣幾個模塊調試下來，學生的進步很大，內心成就感滿滿，對系統(tǒng)的調試技巧熟悉得很快，接下來的模塊學習主動性提高，提出問題、分析問題、解決問題的能力明顯提高。嵌入式系統(tǒng)應用是一門綜合性很強的學科，經(jīng)過“做中學”的培訓，學生很容易把幾門相關課程聯(lián)系起來，主動查找資料、主動實踐，享受學習帶來的樂趣。

2.2.4 考核方法的改革

CDIO的評價方法重在能力培養(yǎng)。[6，7]嵌入式系統(tǒng)原理及應用基于CDIO教育理念教學后，在考核方式上做了重要調整。考核貫穿整個教學過程，每個模塊的設計思路、代碼編寫、調試技巧、調試能力、操作演示、設計改進、閱讀技術資料能力，結合學生的實際動手能力給出全方位的評價。

3 結論

基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)原理及應用教學，實踐下來發(fā)現(xiàn)學生的反饋效果較好，充分調動了學生的學習主動性，動手實踐能力明顯提高，加強了同學間的團結合作能力，體現(xiàn)了以學生為主體的教學理念。

參考文獻：

[1] 2013-2014（第六屆）中國嵌入式開發(fā)從業(yè)人員調查報告.

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[3] 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）.

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[7] 李堅強，王志強，薛麗萍.基于CDIO 模式的嵌入式系統(tǒng)教學研究與探討[J].計算機教育， 2010（12）.