CDIO理念下“由虚入实”的嵌入式系统教学方法探索

杨学存　杜京义

摘要：本文针对嵌入式系统教学过程中存在的问题，在嵌入式系统课程教学中，引入CDIO教育理念，以工程项目或案例为教学内容，构建基于Proteus+Keil的虚拟仿真平台和硬件实物平台，由“虚”入“实”，由虚拟实验平台过渡到硬件实物平台，激发了学生兴趣，能真正培养学生的实践动手能力、分析问题解决问题的能力以及创新能力。

关键词：CDIO；嵌入式系统；虚拟仿真平台；硬件实物平台；做中学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）35-0198-02

目前嵌入式系统已经渗透到控制、通信、自动化等领域，几乎涵盖了所有行业的应用，嵌入式系统课程成为电类专业、计算机类专业的核心课程。我校自动化和测控技术与仪器等专业均开设了嵌入式系统课程，为了提高课程的教学效果，课程组的教师们对该课程的教学过程进行了积极有益的探索和尝试。

一、嵌入式系统教学过程中存在的主要问题

嵌入式系统采用的是“课堂教学+课程设计”的教学模式，该教学模式存在以下几个问题。

1.教学效果不好，学生学习主动性差。虽然在课堂教学中，在讲解理论性知识和编程知识的同时会融入工程实践实验，结合原理图进行软件设计，但是课堂讲解难以形象化铺展，理论授课与实践脱节，不利于学生的快速吸收，让学生感到上课枯燥，导致无法调动学生的主动性和积极性。

2.不能让每个学生参与设计，学生动手能力培养欠佳。在课程设计环节，学生开始动手实践，由于实验室资源的限制，课程设计三人一组，每个人有不同的分工，共同完成一个课题，这时会让学生产生依赖思想，会使有些学生从中浑水摸鱼，蒙混过关，无法让每个学生都能亲自动手实践，培养他们的动手能力。

3.无法培养学生的创新能力。在课程设计环节，要求学生从课程方案的设计到硬件原理的分析、设计和焊接以及软件的设计和编程都要自主进行。硬件电路的设计虽然在其他课程已经学习过，但是如果之前没有对硬件原理的正确性进行过验证的话，在课程设计的三周时间内，学生不可能做出复杂的课题，只能是综合性的实践课题，那么不把实际的工程项目引入的实践教学中，就无法锻炼学生的创新意识，培养学生的动手能力。

因此，这种教学模式没有从系统性、工程性的角度让学生全面、深入地掌握嵌入式系统的精髓，不能很好地培养学生的动手实践能力和创新能力，影响了该门课程培养创新型大学生教学目标的实现。

二、嵌入式系统教学改革

1.教学内容与教学目标。在嵌入式系统课程中引入CDIO教学理念（CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）四个英文单词的缩写），采用项目式教学方法，通过“做中学”的方式全面提高学生的工程能力和创新能力，即在嵌入式系统课程教学中，引入CDIO教育理念，以工程项目或案例为教学内容，通过“做中学”的方式，让学生变为认知的主体，变被动学习为主动学习，主动建立起实践和课程理论之间的有机联系，提高学生的兴趣，培养学生的工程实践能力和创新意识。主要包括以下三个方面的研究内容，见图1。

（1）将工程项目和竞赛课题引入课程教学。基于CDIO的项目教学理念，在课程教学中，围绕工程实践项目和竞赛课题，理论联系实际，将实践教学内容依次分为设计实验模块、综合性设计和实践模块以及最终的工程项目实践模块。

（2）围绕工程项目和競赛课题，构建基于“Proteus+Keil”的虚拟仿真平台。利用Proteus仿真进行虚拟嵌入式系统实验，构建虚拟仿真平台。在Proteus仿真环境中设计原理图，并利用Keil软件设计程序代码，然后进行“Proteus+Keil”的联合仿真，在Proteus的交互式仿真环境中进行软硬件联合调试，验证系统的正确性。在课堂教学中，把电路实验、综合性设计实践、竞赛课题、工程项目实践等模块在虚拟仿真平台上进行仿真验证。

（3）搭建硬件实物平台，并与虚拟仿真平台有机结合。学生把电路实验、综合性设计实践和工程项目实践模块在虚拟仿真平台上验证之后，学生自动动手，进行硬件电路设计和软件编程，进一步在硬件实物平台上实现项目实际的功能，由虚入实，缩短了课题的开发周期，激发了学生的兴趣，使课程教学效果显著提高。

通过在教学过程中构建基于CDIO理念的“由虚入实”的嵌入式系统课程教学方法，激发学生的兴趣，让每一个学生都能完整进行硬件设计和软件编程，都能动手实践。解决在嵌入式系统教学中理论教学和实践教学脱节的问题，真正培养每个学生的工程能力和创新能力。

2.教学方法及主要特色。在嵌入式系统教学中融入CDIO理念，进行项目式教学，将“做中学”的理念贯穿于教学活动中，从传统的教学模式向新型授课模式转变。以工程教育观念为指导原则，通过工程实践项目案例分析，向学生展示出知识应用与工程实践技能，以培养学生的创新精神和实践能力为目标开展教学。CDIO理念下“由虚入实”的课程教学方法如图2所示。

（1）在教学体系上，采取“1+3”教学体系，即一个总体三个模块的模式。在课堂教学和实践教学过程中，围绕工程项目开展，从基本的设计实验模块到综合性设计和实践模块，再到最后的项目实践模块，以易到难，依次递进，最终都为项目设计奠定了基础。

（2）在课堂教学中，理论学习与实践同时进行。在“Proteus+Keil”的虚拟实验平台上，让学生作为学习的主体，依次进行设计实验模块、综合性设计与实验模块和项目实践模块的仿真调试。其中包括虚拟硬件电路设计和软件程序的编写与仿真。在硬件和软件分别完成和仿真成功后，将两者结合起来调试与仿真，检验它的正确性与可行性。

（3）在实践教学中，由虚入实，将三个模块在硬件实物平台上实现。设计实验模块、综合性设计与实验模块和项目实践模块在虚拟实验平台上进行正确性验证之后，在实践教学中，学生自己动手搭建电路，在硬件实物平台上进行软硬件的联合调试，实现各模块的实际功能。该方法的特色之处在于：①围绕工程项目和课题竞赛，将实践（硬件设计和软件编程）引入课堂教学。②由虚入实的教学模式，能让每个学生动手实践。

三、教学效果

在课程教学中，通过虚拟实验平台，以学生作为主体，完成设计实验模块、综合性设计与实践模块、项目实践模块的Proteus仿真与调试，完成可行性和正确性验证。学生知识点理解和记忆透彻，学习兴趣提高，学习效率提高。在硬件实验平台上，学生进行硬件电路的设计与调试、软件程序代码的编写与仿真以及软硬件的联合调试，锻炼了学生的实践动手能力和创新能力。

参考文献：

[1]刘志雄.基于CDIO的实践类课程教学改革研究[J].长沙大学学报，2014，28（4）：156-157.

[2]林承超，胡均万.嵌入式系统教学改革探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016，（1）：57-58.