基于CDIO的嵌入式系统课程实验教学研究

李 妍

哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 黑龙江哈尔滨 150080

作为向社会输送工程型人才的高等院校，人才培养方向应以具有创新工程意识与工程能力为主体，在教育教学过程中，应不断加强实验与工程实践，使学生在学习专业知识的同时，实践能力也得以锻炼，从而培养出理论知识扎实、实践能力过硬的全面素质人才[1]。计算机科学与技术专业嵌入式方向课程是软硬件结合的专业课程，要求学生不仅要对硬件原理非常清楚，擅长定义各种硬件接口，而且对复杂软件系统也要信手拈来。而目前嵌入式方向课程的开展存在着学生在学习大量理论课程后，由于各种原因，很难通过实验与实践环节达到理论与实践相结合的问题。

1 CDIO模式的特点

CDIO工程教育模式在近些年来被国际工程教育改革广泛应用，代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它们的有机结合构成了CDIO工程理念[2]。CDIO模式要求让每一位学生能够以主动、合作、实践有机结合的方式学习，从而提升学生的工程理论能力，累积工程实践经验。

目前国内外的大学都在尝试将CDIO模式运用到实验实践教学中[3]。因为CDIO模式本身注重实验实践环节，并注重培养学生动脑、动手的能力，它和时下所倡导的“学以致用”培养目标高度吻合，从而受到各高等院校的高度关注，广泛地应用于教育教学中[4]。

2 嵌入式方向课程实验教学现状

嵌入式方向课程包括嵌入式系统概论、SOPC原理及应用、嵌入式实时操作系统、嵌入式软件开发等一系列课程，课程最主要特点就是内容较抽象，其理论性、实践性、综合性和应用性都很强。 实验环节担负着升华理念知识的重担，它也将为学生未来从事嵌入研发工作奠定良好基础。但目前嵌入式教学存在实验教学陈旧、设备单一等一系列问题，使学生仍停留于“照葫芦画瓢”式实践模式，缺少分析问题的过程，也没有创新环节。

2.1 重理论、轻实验

随着教学改革的不断深入，教学大纲也在随之调整修订，在这个过程中实验实践课时在不断地缩减。大家把侧重点放在课堂教学上，注重理论课的教学，强调让学生在足够的学时中学到系统的理论知识，从而导致实验实践环节只能在有限的课时内完成。这样学生很难在较短的课时内完成具有一定难度、设计性、综合应用性较强的实验项目，使得学生无法对理论知识进行综合应用，直接影响到解决实际问题的能力[5]。

2.2 实验教学方式陈旧

目前的实验实践教学仍沿用以教师为主体、学生为辅的教授方式[6]。学生在实验室中，听从教师指导，然后遵照实验指导书上的内容，按步骤完成指定内容，观察实验现象，根本无法发挥学生的主动性和创新性。嵌入式方向课程要求学生的软件硬件知识的紧密结合、相互配合，特别在实验实践环节，对学生的动手能力与技巧、创新精神与能力要求较高。但是在这样的教学模式下，难以发挥学生本身的潜能，也难以调动学生的学习兴趣及学习热情。

2.3 实验设备单一及维护问题

嵌入式方向实验课属于硬件课程，不仅对计算机配置要求高，还要有课程配套的实验设备。嵌入式实验箱一般主核心元器件均已固定，实验箱划分为多个功能模块。实验时，学生通过开发软件下载或是将编写好的程序烧录到Flash芯片即可完成实验。实验实践环节中受到如此实验设备的限制，基础验证性内容比重较大，缺乏综合性与创新性，与工程项目联系不大，理论与实践存在较大偏差；即使教师对实验项目有新的开发，也很难加入到现有实验课程中。在实验中学生对于关键的器件接口引脚往往不清楚，有时出现错误操作导致芯片烧毁，由于经费原因，导致维护困难，从而实验设备的损坏率在逐年增高。

2.4 实验课程考核

实验课程的考核基本上以实验结果为考核内容，而实验过程被忽视。学生只要机械地按照指导书上的实验步骤严格执行，就可以完成实验内容，这样的实验教学很难考核到学生的能力。实验课上会出现有些学生浑水摸鱼，有些能力强的学生感觉内容太简单不屑于完成；对于实验结果达标的学生，教师也难以判断其个人能力的好坏。另外由于大方向上的“重理论、轻实验”，实验课的成绩目前仅占期末总成绩的10%。学生不在意实验分数，也导致了实验考核往往达不到督促学生学习的目的。

3 CDIO模式下嵌入式方向实验课研究

在CDIO工程理念的指导下，结合计算机专业的专业特点及专业培养方向，将嵌入式方向实验教学与工程项目相互结合起来，在相关竞赛、项目化及任务驱动等教学模式下，将过程考核运用到实验考核评价中，重新构造嵌入式方向实验教学体系，更好地应用于实验教学研究与改革中。

3.1 项目化教学模式

根据CDIO教育理念，将毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、团队能力以及工程系统能力4个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标。因此合理的实验与实践教学模式可以充分体现项目化的教学理念，从多层面培养，使学生在做中学，在做中提高。

近几年，在CDIO教育理念指导下，学生完成任务分别从CDIO所倡导的“构思—设计—实现—运行”四方面进行。构思—教师最初布置案例，学生根据项目要求做需求分析，提交研究设计方案；设计—教师在批准研究方案后，学生根据案例内容，再细化内容，详细做出概念设计、逻辑设计及执行方案；实现—学生根据方案中每一步骤的内容分别实施，此时教师在学生遇到问题时可做指导；运行—学生在规定学时内完成设计，进行验收答辩，撰写项目报告。

嵌入式方向实验项目通常分为验证型、设计型、综合型、创新型，首先学生具备一定理论知识后进入实验室，实验教师根据教学内容及要求将一个完整的案例作为实验项目分配给学生，学生将项目分解成多个模块，每个模块内容可能是以往的一个实验项目，学生通过完成每个模块所对应实验项目从而熟悉实验平台。这些模块之间是密切相关的，通常前一个实验是后一个的基础，也凸显了项目开发的连续性。有时也需要多方向课程相互配合，相互支撑。例如：酒店点菜系统需要键盘实验、LCD显示实验、GUI界面设计实验、μC/OS-Ⅱ操作系统移植、Zigbee技术等，这些内容涉及多门课程。作为此类大案例，学生不仅要对嵌入式相关的知识熟谙，还需要一定的项目合作能力。通常实验教师在第一次课布置项目内容，将学生分成若干项目组，各项目组学生根据内容合理地分成多个模块，分配给组员，通过查阅国内外资料、大量阅读相关书籍，在教师规定时间内容完成各自模块的程序调试、接口驱动、编译下载等，然后学生再一起进行彼此间的链接、整合等直至项目调试通过。学生在这段时间内，要求定期向教师汇报进度，教师对学生项目进行过程中的问题进行指导。项目在规定时间内完成，学生需要以组为单位上交一份详尽的项目报告。

实验教学通过这种项目化的教学模式，使学生能够更深刻地掌握理论知识，提升动手能力、实践能力，从而提高学习的主动性，培养团队合作能力。使实验教学真正达到理论与实践相结合、与工程实际贴近的目标。

3.2 开展大赛模式

嵌入式方向课程需要良好的C语言基础，同时C语言也是其他方向课程的基础，所以我院对计算机专业学生在大一就开设了C语言、JAVA语言课程等，并开展院、校级ACM程序设计大赛，选拔成绩优异者参加更高一级竞赛，从而激发学生的学习热情和挑战欲望。这样让新生大一时就开始接触计算机基础语言设计，为后续课程奠定基础。

学生到大三以后，专业课程陆续开设，学校学院还会在每学期举办专业性大赛，也会组队参加省、国家级比赛。例如学校会在开学初举办ACM程序设计大赛、嵌入式大赛等，学生通过这些比赛将所学多学科知识融会贯通，以项目的形式开展，最后以成果形式展现，不仅提高学生项目合作能力，也开拓学生的视野，使学生能够正视自己的优点与差距，增长见识。

3.3 合理的考核方式

CDIO提倡多样化的考核方式，于是根据不同项目的内容，分为项目划分、阶段成果、任务完成情况、答辩时的表述能力、项目报告撰写5个环节进行考核，每一个环节都有考核成绩，从中考核学生的技术能力、应用能力、交流能力、创新能力、全局观念及团队协作能力。学生为使每一个环节都不出现问题，必须有严谨的学术态度。

学生在CDIO模式下完成项目的过程中，既学会了项目划分，也学会了硬件设计、接口驱动、移植等，同时学会了项目报告的撰写规范，在答辩环节提高了对知识的表述能力，也为今后工作奠定了良好基础。严格规范的考核机制，提升了学生的发现问题、分析问题、解决问题、团队合作等能力，并逐渐领悟了工程设计理念。

4 结语

在嵌入式系列课程实验教学中引入CDIO教学模式，将实验内容整合为项目形式，让学生参与整个项目的“构思、设计、实现、运作”，从而对素质教育的正确发展起到促进作用，对创新型人才的培养具有积极作用，同时也使得教师的教学能力及综合业务水平得以提升。通过将CDIO引入实验教学，学生在独立构思与设计过程中，实现了从被动学习到自主学习的转变，培养了学生工程实践能力。在项目进行过程中，学生与学生之间形成了良好的团队协作，在相互配合中，完成项目的各部分。