劉曉燕

關(guān)鍵詞：自主開放；EIP-CDIO；嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對于高校實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)而言，自主、開放、創(chuàng)新是永恒的主題?！扒度胧较到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程涉及的學(xué)科寬泛，受眾面廣，要求學(xué)生掌握基本知識和基本操作技能外能自主創(chuàng)新。然而，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)掌握了對理論知識點(diǎn)的驗(yàn)證，也進(jìn)行了簡單的自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)。對于部分善于思考的學(xué)生，會在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)自己過去不知道的現(xiàn)象、事實(shí)，對學(xué)科知識產(chǎn)生更加濃厚的興趣，主動實(shí)驗(yàn)的意識越來越強(qiáng)，自主實(shí)驗(yàn)的需求不斷提高，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新欲望。因此我們有必要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入EIP-CDIO高等工程教育新模式，將思想政治體系的“職業(yè)化”“道德觀”“誠實(shí)守信”與專業(yè)技術(shù)體系的“構(gòu)思一設(shè)計一實(shí)現(xiàn)一運(yùn)作（CDIO）”方面的綜合能力進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成高等工程教育新模式，以培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)專業(yè)人才，使學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計、應(yīng)用研究中體驗(yàn)到創(chuàng)新的快樂和自信，創(chuàng)造條件使這種可貴的品質(zhì)保持下去，鼓勵學(xué)生持續(xù)性地把發(fā)現(xiàn)的“新”深究下去[1]。

1EIP-CDIO模式架構(gòu)

由MIT等四所高校創(chuàng)立的工程教育模式“構(gòu)思一設(shè)計一實(shí)現(xiàn)一運(yùn)作（CDIO）”，對基礎(chǔ)理論、個人綜合、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和系統(tǒng)運(yùn)作等各方面能力作了全面要求，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時，能夠?qū)⒐こ虒?shí)踐課程與理論知識有機(jī)聯(lián)系在一起，系統(tǒng)地自我學(xué)習(xí)與實(shí)戰(zhàn)操作，而不是被動地接受。要求能達(dá)到“一個愿景、一個大綱和十二條標(biāo)準(zhǔn)”的目標(biāo)。因此，在設(shè)計與實(shí)現(xiàn)中引入以道德為導(dǎo)向的全新EIP-CDIO培養(yǎng)模式，植入思政元素中的道德（Ethics），誠信（Integrity）與職業(yè)素養(yǎng)（Professionalism），為傳統(tǒng)CDIO注入了新鮮血液、賦予了全新的內(nèi)涵。

EIP-CDIO這一教育理念的本質(zhì)是強(qiáng)調(diào)知行合一，將思想道德與設(shè)計創(chuàng)造相結(jié)合，在設(shè)計創(chuàng)造中體現(xiàn)學(xué)生對思想道德的認(rèn)識，通過職業(yè)素養(yǎng)保證項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，在培養(yǎng)過程中注重人文精神的熏陶，從而使培養(yǎng)出的工程師具備優(yōu)秀的職業(yè)道德、正直、富有責(zé)任感[2]。除了CDIO核心文件要求達(dá)到的基礎(chǔ)理論、個人綜合、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和系統(tǒng)運(yùn)作等各方面能力以外，還突出了工程創(chuàng)新能力、人文素質(zhì)與職業(yè)道德標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合的新型工程技術(shù)人才，與中國特色社會主義背景下的核心價值觀相呼應(yīng)，為中國的復(fù)興之夢助力[3]。

2EIP-CDIO模式下的“嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程自主開放體系建設(shè)

在EIP-CDIO模式理念下，“嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程自主開放體系可以分解為5個模塊，其體系結(jié)構(gòu)、模塊內(nèi)容及實(shí)施路徑如圖1所示。

要在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分融入EIP-CDIO培養(yǎng)理念，就需要在每個環(huán)節(jié)植入EIP-CDIO元素，各模塊的具體培養(yǎng)目標(biāo)如圖2所示。

2.1EIP-CDIO模式下的自主開放引導(dǎo)

自主開放為相對開放，對于大學(xué)生實(shí)驗(yàn)而言具有很大的靈活性。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比理論教學(xué)而言，由于具有參與性及實(shí)踐性，具備一定優(yōu)勢。

要應(yīng)用EIP-CDIO培養(yǎng)模式，關(guān)鍵在于如何結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生了解和意識EIP-CDIO培養(yǎng)思路。EIP-CDIO培養(yǎng)體系首先要求具備正確的思想認(rèn)識與扎實(shí)的工程理論基礎(chǔ)，因此，自主開放引導(dǎo)必須與基礎(chǔ)綜合訓(xùn)練項(xiàng)目相結(jié)合[4]。在掌握基本原理、基本技能的基礎(chǔ)上，除了對常規(guī)理論知識進(jìn)行分析和驗(yàn)證外，通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及形式的靈活有效設(shè)計，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的不斷推進(jìn)中，引導(dǎo)學(xué)生用理論聯(lián)系實(shí)踐，加深對理論工作原理的理解，對一些較為抽象、學(xué)生難以理解的知識點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)分析，使學(xué)生能夠加深對理論知識的掌握，培養(yǎng)其濃厚的學(xué)習(xí)興趣。同時能不斷提高學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心、促進(jìn)求知欲、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，解決理論教育的不足[5]。引導(dǎo)學(xué)生的自主開放意識，該環(huán)節(jié)融人EIP-CDIO理念及培養(yǎng)目標(biāo)，由興趣人手，以學(xué)生為本，植入道德（Ethics）、誠信（Integrity）及職業(yè)化（Professionalism）精神。介紹科技引領(lǐng)世界發(fā)展與改革的先進(jìn)理念，分析當(dāng)今國際形勢，可教育、引導(dǎo)學(xué)生深刻理解、適當(dāng)設(shè)計修改電路圖及程序，觀察不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用中自覺踐行各行業(yè)的職業(yè)操守和職業(yè)規(guī)范，傳承工匠精神，增強(qiáng)職業(yè)責(zé)任感。促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握、基本能力的培養(yǎng)、EIP-CDIO理念與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，提升學(xué)生理論水平、全面提高動手實(shí)踐能力及創(chuàng)新思維，開啟學(xué)生健全心智、自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新的“金鑰匙”。

2.2自主開放的EIP-CDIO模式下項(xiàng)目專題研究

EIP-CDIO培養(yǎng)模式下的項(xiàng)目專題研究是由教師和學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)施完成的一個完整項(xiàng)目。通常由相關(guān)部門及指導(dǎo)教師作為這一活動的引導(dǎo)者，結(jié)合自己的專業(yè)和能力，并制定相關(guān)政策，設(shè)定項(xiàng)目任務(wù)、指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施、組織項(xiàng)目驗(yàn)收。要鼓勵學(xué)生注重學(xué)思結(jié)合、知行合一[6]，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、敢于堅(jiān)持、勇于探索、不屈不撓的科學(xué)家精神。鼓勵學(xué)生自主提出實(shí)驗(yàn)課題并進(jìn)行研究活動，推進(jìn)研究性學(xué)習(xí)。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計的基于STM32LA76RG，STM32CUBE、機(jī)智云（Android）的多功能鴿籠，利用免費(fèi)開源云平臺搭建的互聯(lián)鴿籠能夠?qū)崿F(xiàn)對鴿舍內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時監(jiān)控，鴿子的歸巢時間采用STM32內(nèi)部的RTC時鐘，使用光電對射管檢測鴿子是否到達(dá)，將此時的RTC時間傳送到云端，并能在手機(jī)APP端顯示。對于鴿子的溫濕度的監(jiān)控可以采用DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行監(jiān)控并且上傳APP端，用戶可以很方便地查詢到溫濕度，并且在溫濕度超標(biāo)的情況下APP頁面的最下角有報警提示，開啟通風(fēng)扇對鴿舍內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)減少溫濕度，方便后續(xù)飼養(yǎng)人員的處理，遠(yuǎn)程化的開關(guān)避免了對鴿子的驚擾，使得賽鴿的成長環(huán)境更有利，歸巢特性更好。實(shí)物及手機(jī)終端如圖3所示。

2.3自主開放的EIP．CDIO模式下的學(xué)科競賽

學(xué)科競賽作為大學(xué)生自主開放實(shí)驗(yàn)的重要載體，通過知識學(xué)習(xí)原動力、能力培養(yǎng)內(nèi)動力、榮譽(yù)與經(jīng)濟(jì)激勵動力和學(xué)分吸引動力等四大驅(qū)動力，激發(fā)學(xué)生自主進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)[7]。

學(xué)科競賽能有效驅(qū)動學(xué)生自主進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供一個把理論知識和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐有機(jī)聯(lián)系的平臺，老師對學(xué)生進(jìn)行一定的培訓(xùn)，包括大賽的相關(guān)規(guī)則、競賽軟件的培訓(xùn)、競賽練習(xí)、校內(nèi)競賽活動的組織等[8]。EIP-CDIO培養(yǎng)模式下為促進(jìn)電子信息、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電氣工程、自動化、測控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)和課程的建設(shè)，倡導(dǎo)積極開展課外學(xué)科競賽和課程學(xué)習(xí)競賽，大力支持學(xué)生參加相關(guān)學(xué)科類競賽，并正式發(fā)表論文或?qū)＠?，或國家級、省部級以上競賽獎等。例如，學(xué)生作品基于STM32F103C8T6，STM32CubeMX，Keil uVision5的機(jī)智云（Android）平臺智能臺燈，是一款能夠遠(yuǎn)程手機(jī)控制的智能臺燈。創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠根據(jù)周圍亮度自動調(diào)節(jié)光亮。在檢測到臺燈周圍沒人時臺燈自動熄滅，達(dá)到節(jié)能的效果。作品采用STM32F103C8T6作為控制芯片，TM32CubeMX與Keil5作為程序開發(fā)軟件，SIM900A作為聯(lián)網(wǎng)部分。實(shí)物如圖4所示。

同時，在歷屆全國智能車比賽中也屢獲佳績，僅2022年就有兩個隊(duì)獲得國家一等獎、四個隊(duì)獲得賽區(qū)一等獎。

2.4自主開放式EIP．CDIO模式下的自主研學(xué)創(chuàng)新

通過自主開放的EIP-CDIO培養(yǎng)模式下的實(shí)驗(yàn)課程，能培養(yǎng)學(xué)生“敢想敢試會闖能創(chuàng)”的能力，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐實(shí)操的過程中實(shí)現(xiàn)“三創(chuàng)”，即“創(chuàng)新精神、創(chuàng)造意識及創(chuàng)業(yè)能力”。結(jié)合理工智能類學(xué)科根據(jù)其專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置自主開放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主構(gòu)建知識，通過以小組為單位自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和撰寫實(shí)驗(yàn)報告等一系列形式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、發(fā)展其創(chuàng)新能力、增強(qiáng)動手技能。同時將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)[9]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的安排要充分體現(xiàn)思想進(jìn)步開放、課內(nèi)課外一體、開拓創(chuàng)新，才能有效實(shí)現(xiàn)EIP-CDIO教學(xué)模式的系列化、豐富性，可持續(xù)性。以學(xué)生自主設(shè)計的智能澆水系統(tǒng)為例，本系統(tǒng)所設(shè)計的主要功能是用戶可以在Android客戶端應(yīng)用軟件上遠(yuǎn)程查詢、控制該系統(tǒng)中的各個傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)。本設(shè)計將澆水系統(tǒng)與Arduino單片機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來作為創(chuàng)新特色，設(shè)計了一個能夠?qū)崟r監(jiān)測花草的土壤濕度、空氣溫濕度以及光照強(qiáng)度并且能夠通過Android客戶端應(yīng)用程序查看相關(guān)數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程澆水的控制系統(tǒng)。當(dāng)使用者出差時可通過Android客戶端應(yīng)用程序查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使用者根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)判斷是否澆水[10]。此外，當(dāng)光照過強(qiáng)時，該系統(tǒng)會通過ESP8266Wi-Fi模塊向Android客戶端應(yīng)用程序發(fā)送提醒，提醒使用者光照過強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)把花草等植物移進(jìn)室內(nèi)。作品實(shí)物及手機(jī)終端如圖5所示。

3結(jié)束語

在自主開放的EIP-CDIO培養(yǎng)模式下，特別是綜合設(shè)計型實(shí)驗(yàn)值得研究，但它不是實(shí)驗(yàn)室的固有項(xiàng)目。將學(xué)生的課外學(xué)習(xí)成績以學(xué)分的形式體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)因材施教、人文關(guān)懷，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望、培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)新能力。