基于CDIO理念的嵌入式系统教学探索

2019-04-08吕东澔朱佰成崔桂梅

实验室研究与探索 2019年1期

吕东澔，朱佰成，崔桂梅，田海

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)

0 引言

面对“十三五”经济社会发展新形势新任务新要求，党和国家做出实施人才优先发展的重大战略决策。为了建设创新型国家和人才强国战略，教育部提出了“卓越工程师教育培养计划”，旨在提高我国工程教育人才的培养质量。近年来国际工程教育改革也有了新成果——CDIO工程教育模式[1-3]，它将构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)贯穿在完整的项目周期中，通过“做中学”[4]的方式来培养高质量的创新型工程技术人才。

嵌入式系统的功能强、体积小、可靠性高，应用已经深入到工业、农业、军工业以及日常生活的各个领域，相应的新兴产业人才需求也变得高端化、多样化。因此越来越多的高校开设了“嵌入式系统[5-6]”方面的课程。但我国嵌入式系统的发展处于初级阶段，人才培养和教学并没有形成一种适应社会需求的体系。

1 嵌入式系统课程特点

嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统[7-8]。

嵌入式系统课程的综合性强，教育内容覆盖面大，既要掌握单片机、C语言、数模电路与信号检测等基础课程，又要了解控制、网络、机械等专业相关课程。

嵌入式系统课程注重实践性，因为是面向应用进行软硬件协同设计，无论是软件编程还是硬件设计，都需要经过反复实践与总结来完善系统性能指标[7]。

嵌入式系统课程具有一定的发展性，硬件的更新换代，软件的推陈出新，用户需求也逐渐变化，所以教学要跟进嵌入式研发，同步更新教授内容，从而适应市场的就业需求。

2 嵌入式系统课程教学现状

嵌入式系统课程具有较强的综合性、实践性与发展性，从而教学难度增大，以致高校的课程设置难以满足卓越工程师的培养标准，主要表现：

(1) 师资力量薄弱，老教师掌握技术落后，新教师偏重理论研究，缺乏实际项目经验，实践能力不足，难以组织高效的教学活动。

(2) 对课程的认知度低，教学无统一。有些高校仅为了招生需要而增设了嵌入式课程，但教学内容不同，配备的实验平台也没有统一的标准。

(3) 传统教学方法不能达到行业人才培养要求。嵌入式系统课程的理论与实践结合性很强，需要大量的实验环节辅助学习，而传统教学方法偏重理论学习，无法满足综合性、设计性强的实践环节，学生只会按照实验指导书上的步骤验证实验，不能独立思考原理，使得学生在这种机械化实验中失去学习兴趣。

因此，如何将CDIO模式完整的融合在嵌入式系统课程的教学方案中，强化培养学生的工程能力和创新能力，是教学中亟待解决的问题。

3 基于CDIO理念的嵌入式系统教学改革

针对嵌入式系统的课程特点与教学现状，结合国外先进的CDIO教学模式，从师资、实验设备与实践教学3方面对嵌入式系统教学进行改革，如图1所示。

3.1 师资队伍建设

CDIO教学模式的改革关键就是师资队伍建设。教师既要具备扎实的理论基础，又要拥有丰富的实践经验，同时洞悉嵌入式技术发展的新动态，这样才能进行基于CDIO工程教育理念的教学改革。

教师应该改变传统的教学方法，重新学习新的教学模式。教师可以组成研发团队，把项目引进学校，让学生切身实际的参与项目的构思、设计、实现与运作。同时教师也了解到专业前沿的最新技术，从而有的放矢地去指导学生从事科研的技术研发。

图1 基于CDIO工程教育模式的嵌入式课程改革

学校要选取实践经验不足的教师到研究院所或企业进行定期的进修学习，同时也要邀请经验丰富的高级工程师到校兼职任教，让学生接触到真正的嵌入式工程。另外，学校也要制定相应的管理体制来保证教改教师的利益，包括考核体系、职称评定体系。

3.2 嵌入式系统实验室完善

CDIO工程教育模式的核心内容中关于实践场所有统一的标准，作为科研与教学的重要场所，实验室对培养应用型专业人才尤为重要[9]。所以开设嵌入式系统课程的高校必须配备专用的实验室。

首先要改善实验室的硬件环境，加强实验室的整体规划，合理配置资源，重视嵌入式技术的发展性，搭建先进实用的实验平台。可以引入Proteus软件，它是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，集合PCB设计、电路仿真和虚拟模型仿真于一体的软件设计平台，丰富的器件库与虚拟仪器，多样的激励源与CPU类型，帮助学生轻松地将产品概念变成完整的产品设计，极其适用于嵌入式软件的教学与实践。

另外，要深化管理体制改革，实施校院两级实验室建设，促进实验室共享的激励和保障机制，提升实验室效益发挥，从而给予学生更多的实践机会，有利于学生创新能力的培养。

3.3 实践教学改革

实践教学是创新人才培养的重要环节，对于嵌入式系统课程来说，意义尤为重大[10]。必须改变传统的教学模式，将以教师为主的“听中学”消极学习模式转变为以学生为主的“做中学”主动学习模式[8]，为了避免教学与实践的分离，不单独设立理论课程，而是在实验室中同步进行理论讲授与实践教学，使学生更高效地理解授课内容。

教学方法采用项目教学法[11-12]，既结合CDIO模式能力大纲[13-16]，选取有层次性的实际工程项目(见表1)，引导学生分析项目的构思、设计、实施和运作，让学生以团队的形式来完成“需求分析、系统设计、系统实现、系统测试与系统发布”等一般嵌入式开发的系列环节。

表1 结合CDIO工程教学目标的工程项目

图2所示为学生制作的温度控制系统，系统由热电偶PT100检测温度数据传送给STM32控制器，通过操控继电器和伺服电动机来维持恒定温度，由MCGS显示屏实现实时显示数据、数据保存与导出和控制按钮等功能。这样一个实际的项目既包括硬件电路设计和软件程序编写，又涉及伺服电动机控制和昆仑组态，项目的实用性能调动学生自主学习和研究的积极性，项目的复杂性可以锻炼学生的团队协作和系统分析能力，最终让学生提交总结报告，用项目功能答辩的方式来考核学生的成绩。