基于“卓越计划”和CDIO的《嵌入式系统设计》课程改革实践

刘花香　方江雄　肖静

摘 要：为了培养满足行业需求的工程技术人才，在“卓越计划”的框架指导下，借鉴成熟的CDIO 工程教育理念，针对《嵌入式系统设计》课程传统教学模式的不足，通过引入校企联合培养机制和项目化教学方法，采用多元化考核机制，构建一种基于“卓越计划”和CDIO 的课程教学模式。实践表明，该教学模式有利于启发和培养大学生工程实践和创新能力。

关键词：卓越计划；CDIO；嵌入式系统

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）14-0028-03

一、引言

自进入21世纪以来，随着经济全球化，信息全球化的进程不断加快，市场对高素质工程人才的需求不断增长。目前，我国高等工程教育规模已达到高等教育总规模1 /3以上，跃居世界第一[1]。然而，我国培养的工程人才在质量上与国外高校相比仍然相差甚远。据麦肯锡季刊载文[2]指出，我国仅仅只有10%的工科毕业生达到跨国公司的用人标准。

为了实现在2020年将我国建设成为创新型国家，2010 年国家教育部启动了“卓越工程师培养计划”（简称“卓越计划”），旨在培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的各类型高质量工程技术人才[3]。东华理工大学机电学院电子信息工程专业2013年开始实施“卓越计划”试点班，通过借鉴世界先进国家高等工程教育的成功经验，采用成熟CDIO工程教育理念实现培养目标，系统改革了人才选拔和培养管理模式。本文是在东华理工大学卓越工程师试点班“嵌入式系统设计”课程基础上，通过实施CDIO教学模式的经验总结。

二、课程反思

嵌入式系统设计课程是电子信息工程专业高年级学生的必修主干课程，是一门综合性强、知识覆盖面广、实践性极强的课程。教师如何上好这门课，学生如何学好这门课一直是一个难题。尽管本学院一直在教学内容、教学方法等方面进行改革，教学内容由原来的ARM7体系结构更新到Cortex-M3体系结构，并自主开发了STM32 实验教学平台。笔者根据多年从事 “嵌入式系统设计”课程的教学工作经验，认为传统的理论加实验的教学模式普遍存在如下问题：

1） 理论课时多，实验课时少。以我院电子信息工程专业为例，理论学时38学时，实验学时16学时。在如此有限的实验学时内，学生的实践能力难以得到锻炼。

2） 实验类型单一，每次实验往往只是对单个知识点训练，导致学生常常“只见树木，不见森林”，设计和开发完整嵌入式系统的能力弱。

3） 经典教材缺乏，因为各个学校采用的实验教学平台不同，很多时候选用的教材难以与现有平台配套。

4） 师资力量薄弱，大部分教师缺乏企业工作经历，双师型人才匮乏。

5） 评价方式单一，仅仅依靠实验报告及试卷成绩作为评价学生能力的标准，缺乏实践及应用能力的考量。

传统的教学体系和考核方式严重地束缚了工程人才质量的提高，对该课程进行教学模式改革势在必行。

三、CDIO工程教育理念

CDIO全称为 Conceive—Design—Implement—Operate（构思—设计—实施—运作），该教育模式是由 MIT 等世界名校在2000年提出并推广的工程教育理念，在中国最早由汕头大学将CDIO工程教育理念引入工程教育领域[4]，经过近十余年的发展已经在上百所高校得到推广应用，并取得了良好效果。CDIO教育模式以真实世界的产品从构思到运行的全生命周期为载体，将理论、实践和创新融为一体，解决工程教育中理论与实践脱节的问题[5]，以培养满足行业需求的合格工程人才为最终目标，CDIO 工程教育的基本理念与“卓越计划”人才培养需求不谋而合。在嵌入式系统设计教学中引入 CDIO 的工程教育理念，有利于调动学生的学习积极性，有利于学生实践动手能力和系统性思维的培养，有利于培养学生团队协作沟通能力和创新设计能力，从而实现卓越工程师的培养目标。

四、构建基于“卓越计划”和CDIO 的课程教学体系

笔者依托东华理工大学教改课题嵌入式系统设计课程改革研究和实践，针对传统教学模式的弊端，在“卓越计划”系统框架的指导下，结合专业实际情况引入CDIO工程教育理念，倡导在培养优化师资队伍的同时，实施以实际工程项目为中心、学生自主探究式学习为主的一体化教学模式。通过“3+1”新型校企联合培养模式，給予学生更多参与实际工程的机会，让学生的综合能力更贴近市场和企业的需求。通过将嵌入式系统课程内容和CDIO的工程理念紧密结合起来，以促进学生与教师共同发展为目的，提出了如图1所示嵌入式系统设计课程教学模式。

1.加强教师团队建设

名师出高徒，优质的师资队伍是卓越工程师培养的人力资源基础，其中CDIO 标准中第九条明确指出：必须采取行动提高教师工程实践能力[6]，参与“卓越计划”的高校教师的整体素质直接关系到卓越工程师培养的质量[7]。虽然担任本专业嵌入式系统课程的教师通过科研和社会服务项目积累了一定的工程实践经验，但与“卓越计划”的需要仍然存在差距。为了保证CDIO模式在嵌入式系统教学中顺利有效实施，东华理工大学机电学院主要采取如下三大措施来建设具有工程项目研发能力的“双师型”教学团队。

（1）深化校企合作，引入企业兼职导师。为了保证课程内与市场行业工程项目需求紧密结合，院里与电子36所、杭州三维通信有限公司、江苏盛泰信通科技有限公司、江西联创电子有限公司等共同建设嵌入式系统实习基地，并从这些公司聘请了近二十位兼职导师，主要参与课程内容设计、课程结果评价和学生实习毕业论文指导。

（2）加大现有教师再培养，学院先后资助两位教师到深圳信盈达电子有限公司完成嵌入式课程培训，有利于进一步完善教师嵌入式知识结构，引进了市场培训机构嵌入式项目培训经验。

（3）鼓励教师进入企业挂职锻炼，积累实际工程经验，通过多渠道来提升教师工程实践能力。

2.教学内容体系设计

嵌入式系统设计课程教学内容改革核心思想是以行业需求为导向、以真实项目为载体，围绕理论实践一体化CDIO教育理念，设计了以下三个模块：嵌入式项目案例库、课程内容设计和课程教学方法模块，如图2所示，旨在培养具有较强的工程实践综合能力嵌入式领域专业人才。

（1）嵌入式项目案例库建设，从合作企业、教师科研项目和平时的科技创新竞赛活动中筛选出一些有代表性的项目样板加入嵌入式项目案例库，这样做有两个优点，一方面可以为教学提供素材，另一方面可以让学生有一些可模仿对象，在设计嵌入式产品的时候可以借鉴这些样板。到目前为止我们积累了无线点菜机、MP3播放器、数据相框、远程视频监控等数十个案例。

（2）嵌入式课程是一门多学科交叉的综合性课程，涉及到数/模电、微机原理、程序设计和操作系统等多学科知识，采用CDIO项目化教学可以将零散知识以项目实现为主线连贯起来。如选用点菜机项目作为教学案例，可将该系统分为若干子模块：最小系统模块、输入模块、无线通信模块、输出显示模块等，将硬件设计、软件设计和项目管理等相关教学知识点融入到各模块实现的过程中。

（3）本课程采用课前自主式、课中巩固式和课后提升式教学策略。教师根据所选教学项目案例分解教学知识点，为单个知识点录制微课视频和准备实验样例及参考资料，并布置学习任务，由学生课前自主式完成课前任务并给出反馈信息；课中教师主要对重点及难点知识进行梳理并根据学生课前学习的问题组织讨论，对知识点进行巩固；课后由学生根据所学知识点实现并扩展课程项目相关模块功能。

3.教学项目实施过程设计

基于CDIO进行教学改革的最大特点是教学内容以实际工程项目为蓝本，以市场行业需求为导向，以培养学生综合素质为目标。在整个教学项目实施过程中，学生以团队内协作、团队间协作加竞争的方式进行自主探究式学习，教师主要起指导作用，由学生完成一次构思—设计—实施—运行的全过程[8]，教师在每个阶段给予反馈和评价来促使学生在整个过程中持续改进。要求学生以文档形式来对各阶段工作进行总结，以提高学生文档撰写和知识归纳总结能力。

4.多元化评价体系

针对传统单一评价模式的弊端，我们采用“过程”和“结果”两方面相结合的多元化学习评价机制。在教学项目实施的整个过程中，采用持续性评价体系来对学生进行考核，在项目实施的每个阶段教师根据学生对团队及项目的贡献、课前子任务的完成情况、文档撰写质量、项目创新性、面对面答辩和课堂表现等做出综合评价得分。教师对学习过程的评价，需要考虑学生的学习能力和学习成效等多方面的因素，激励和引导学习者提高学习兴趣[9]。学生在本课程结束后将在企业进行为期一年的实习，根据用人单位的反馈信息和学生问卷调查来完成对本门课程效果评价，最后根据评价情况不断改进教学内容和教学方法，使整个教学过程形成一个良性的闭环系统。

五、结语

在“卓越计划”的框架指导下，借鉴成熟的CDIO工程教育理念，通过引入校企深度联合培养机制，采用多元化考核机制，构建一种基于“卓越计划”和CDIO 的嵌入式系统设计课程教学模式。弥补了原课程体系中工程实践能力培养的不足，让学生充分参与到项目构思、设计、实施、运作全过程，大大激发学生对嵌入式系统工程设计的兴趣，加强了团队协作能力、人际沟通能力以及系统构建等综合能力的培养。本课程经过近2年的实施也产生了一些优秀的成果，其中包括在全国电子设计赛及江西省电子类相关竞赛中获奖20余次，提交专利申请两项，学生发表期刊论文两篇，这些成果有力的证实了我专业基于CDIO 的嵌入式系统课程教学改革是卓有成效的。

今后，我们将进一步加强信息化教学系统构建，教学视频及课件的设计与制作，教学项目案例的选取及教学内容优化，按照行业需求和企业要求制定切实可行的与其他专业课有机联系和相互渗透的嵌入式教学体系，通过改革和探索，以期进一步提高嵌入式系统设计课程的教学水平，培养出社会真正需要的合格工程类人才。

参考文献：

[1] 李志义. 高等工程教育改革实践思与行[J] . 高等工程教育研究， 2008（2）：44-47.

[2] 查建中. 面向经济全球化的工程教育改革战略[J]. 高等工程教育研究， 2008（1） .

[3] 教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见[Z]. 教高[2011]1号文.

[4] 顾佩华， 沈民奋， 李升平， et al. 从CDIO到EIP-CDIO—汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J]. 高等工程教育研究，2008（1）.

[5] 郭玲. “翻转课堂+CDIO”教学应用模式研究[J]. 广州职业教育论坛， 2016， 15（2）：26-31.

[6]吕惠芳. CDIO 工程模式的实施要素分析[J]. 价值工程， 2014（31）：285-287.

[7]林健.胜任卓越工程师培养的工科教师队伍建设[J]. 高等工程教育研究，2012（1）：7-20.

[8] Edward F. Crawley， 查建中， Johan Malmqvist， et al. 工程教育的環境[J]. 高等工程教育研究， 2008（4）：13-21

[9]方江雄， 刘花香，刘军 et al. SPOC翻转课堂模式在虚拟仪器课程中的应用研究[J].中国教育信息化， 2016（24）.（编辑：郭桂真）