基于CDIO-PBL 教学模式的微处理器与嵌入式系统课程教学改革探讨

彭 朋，刘伟峰，曹晓倩，郑恩让

（陕西科技大学 电气与控制工程学院，西安 710021）

自动化专业主要是培养具有良好的人文素养和扎实的数学、自然科学基础知识，具有从事自动化系统建模、分析、设计、开发、应用与维护等方面的工程实践能力，具有将自动化领域最新科学技术成果转化为生产实际的创造潜能，具有良好的表达和沟通能力及团队合作和组织管理能力的高素质应用型人才。微处理器与嵌入式系统是自动化专业的基础必修课。它是早期的单片机原理及接口技术、微机原理和嵌入式及接口技术三门课程的一个综合。该课程围绕微处理器和嵌入式系统的应用展开教学，使学生掌握微处理器和嵌入式系统的基本知识，培养学生采用嵌入式芯片通过搭建嵌入式软硬件系统解决实际工程问题的能力。

微处理器与嵌入式系统的课程内容十分庞大，在有限的教学时间内很难让学生掌握其主要知识点（以陕西科技大学电气与控制工程学院为例，该课程仅有48 个学时，其中理论教学40 学时，实践教学8 学时）。目前该课程在教学过程中面临的最大问题在于找到一种合适的教学方法，让学生在加深对微处理和嵌入式系统理论的理解上，增强学生的实践能力和独立分析问题的能力。因此，对微处理器与嵌入式系统进行教学方法改革具有十分重要的意义。

鉴于此，本文将研究一种新的教学模式即CDIOPBL 的教学模式，并将该教学模式用于微处理器与嵌入式系统课程的教学。CDIO 工程教育理念是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学开发的。新加坡理工学院采用CDIO 的教育理念，CDIO 即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。CDIO 大纲涵盖了专业基础知识及应用、个人专业能力与职业素质、团队协作与沟通技能和产品或系统开发必须经过的四个阶段，见表1。CDIO 教学理念侧重过程实践，学生可以一边做、一边学，注重学生团队精神、核心知识和表达能力的培养，该教学理念比较适用于工科教育。本项目拟将该教学理念用于微处理器与嵌入式系统课程的教学中，激发学生的学习兴趣，培养学生的团队合作能力及表达能力。

表1 以能力为培养目标的CDIO 大纲

PBL（Project/Problem Based Learning）即基于问题的学习，起源于美国的麦克马斯特大学的医学专业。PBL 强调以项目/问题为引导，在这种教学模式下，老师帮学生分析、理解问题，引导学生解决问题，不帮学生解决问题，通过学生的自主探究和合作解决问题，可提高学生解决问题、分析问题的能力。微处理器与嵌入式系统课程主要讲述微处理器的基本概念、基本原理，微处理器程序设计和接口应用的基本方法，并能综合运用微处理器搭建嵌入式软、硬系统，每个部分本身就是一个系统，每个部分也可作为一个项目或者问题。因此，将PBL 教学法用于微处理器与嵌入式系统课程的教学中，能使学生更快、更系统且全面地掌握嵌入式软硬件系统相关知识，有利于培养学生的创意思维、创新能力、自主学习能力及批判思维的能力。与传统的学习相比，PBL教学模式的优点如图1 所示。

图1 PBL 教学模式与传统学习比较

在很多教学模式中，理论课和实验课是分离开的，这将导致理论课程的学习不能及时与实际结合起来，学生对该课程相关知识掌握不到位。本文将PBL 和CDIO教学模式相结合、融会贯通，应用于微处理器与嵌入式系统课程的教学，不但可以提高教学效果，还可以培养学生的自主学习、解决问题和团队合作等能力。

一、微处理器与嵌入式系统课程中的CDIO-PBL 教学改革

微处理器与嵌入式系统课程进行CDIO-PBL 教学改革分为课程内容改革、课堂组织教学方案改革和专任教师专业素质提升三个方面。对教学内容进行改革时，该专业课的教师按照教学任务和时间将该课程划分成多个阶段或者模块。各阶段在设计、实施和操作中贯穿CDIO 的构思，再使用PBL 模式进行教学。课堂组织教学方案改革又分为教学方式改革和考核方式改革两个方面。微处理器与嵌入式系统课程中的CDIO-PBL 教学改革的详细内容如下。

（一）基于CDIO 的微处理器与嵌入式系统课程内容改革

本文以《2019 年陕西高等教育教学改革研究项目立项指南（2019—2021）》和《陕西科技大学教育教学改革研究项目立项指南》文件为指导，按照高等教育课程改革的基本要求，以就业为导向，根据自动化专业的任职要求，结合CDIO 的构思、设计、实现和操作思想对微处理器与嵌入式系统课程的教学内容进行改革。对该课程的内容划分见表2。课程内容改革之后，可以将该课程分为微处理器的整体框架构思、嵌入式系统的设计思路和嵌入式系统的实现及操作三个阶段，在每个阶段中使用实际案例，结合PBL 教学模式，以问题为导向，在实际问题中提高学生的学习效率和动手能力，从而高效地完成教学目标。微处理器与嵌入式系统课程的教学目标见表3。

表2 微处理器与嵌入式系统课程改革后的内容安排

表3 微处理器与嵌入式系统教学目标

（二）以问题为导向制定课堂组织教学方案

1.教学方式改革

将微处理器与嵌入式系统的教学内容与CDIO 和PBL 教学模式结合之后，还需要对该课程的教学组织方案进行改革。即在微处理器与嵌入式系统教学过程中，对教学模式、实验教学环节和学生的课外实践等教学方式进行改革。

（1）创新教学模式。对传统的“填鸭式”教学模式进行创新，改用“以学生为中心主导开发，老师辅导”的方法，培养学生的PBL 思维模式，通过小组讨论、案例模仿等方式让学生吃透知识点；教师根据学生在开发过程中遇到的疑难问题，进行知识点的讲解，通过解决实际问题调动学生的积极性，形成活跃互动教学模式，引导学生合作完成项目开发。“以学生为中心”的教学模式能够使学生具备以问题为导向的工程思维模式，能够增强学生的团队合作模式，继而提高学生解决开发中遇到的技术难题的能力。

（2）创新实验教学环节。把学生按5～8 个人进行自由分组，根据兴趣从微处理器与嵌入式系统课程案例库中选择题目，让学生自己讨论，再对任务进行分解，任务分工。老师在整个项目开发中，以学生为中心，起监督和任务进度把控的作用，同时帮助个别小组学生解决开发中的疑难问题。

（3）积极构建竞赛平台。鼓励学生积极参加“数学建模”“互联网+”和“大学创新创业大赛”等校内外各项科技竞赛活动，以赛促学。积极参加科技竞赛活动不仅能锻炼学生整体项目设计的能力，还能够激发学生对微处理器与嵌入式系统课程的学习兴趣，提高学生分析问题、解决问题和实践应用能力。

2.考核方式改革

传统的考核方式通常以闭卷形式为主，且卷面成绩占比通常大于60%，试卷内容偏重于理论知识，无法检验学生对整个微处理器与嵌入式系统开发过程的掌握情况。因此，将过程评价、变现评价、总结评价和信息综合相结合，从学生讨论/过程、作品展示、团队角色和总结报告等多角度进行课程考核和能力评价十分必要，其考核点分值占比和考核目标见表4。

表4 微处理器与嵌入式系统课程的考核体系

（三）加强专任教师工程教育能力培训，提升教师专业素质

PBL 和CDIO 教学模式，对教师自身的素质和教学技巧都有很高的要求。尤其是微处理器与嵌入式系统课程在讲授时教师除对单片机、嵌入式、操作系统原理和程序编译原理等专业知识的内容熟练掌握以外，还需要具有一定的工程教育能力，能够提出问题、解决问题和有良好的组织管理能力，能够调动学生积极性、寓教于乐、控制课堂节奏等技巧。为了加强教师工程教育能力培训，提升教师素质，陕西科技大学（以下简称我校）鼓励教师到企业参与工程实践和暑期社会实践。

二、CDIO-PBL 教学改革进程中的问题

（一）师资不能完全满足CDIO-PBL 教学需求

一是专任教师缺少企业工作经验，特别是青年教师，大多数从事理论研究，没有在企业的工作经历，导致动手能力较差，不能给学生提供很好的现场指导；二是缺少管理经验，微处理器与嵌入式系统是单片机及接口技术、微机原理和嵌入式及其接口技术三门课程的一个综合，在我校开课时间不长，造成教学时长、人员分配不当，CDIO-PBL 教学模式下的教学效果打了折扣；三是教师的教学理念还有待进一步提高，不少教师的教学理念还停留在“我教你学”的阶段，忽略了“授人以鱼不如授人以渔”的重要性。

（二）许多学生对CDIO-PBL 教学模式不适应

当下大学生在九年义务教育和高中阶段长期接受“填鸭式”教育，对“老师讲、学生听”传统教育模式形成了一定的依赖性，学生主体意识缺乏、解决问题的积极性不够，部分学生只满足于获取好的“分数”，认为CDIO-PBL 教学模式是在减轻教师的负担，给学生留的时间太多，太浪费时间。因此，学生也应从自身出发，完成角色转换，从被动的学习者转变为学习的主人。因此，部分学生从被动学习到主动学习的学习意识还有待进一步提高。

三、结束语

本文结合CDIO 的构思、设计、实现和操作思想对微处理器与嵌入式系统课程的教学内容进行改革，并以问题为导向，将PBL 融入到该课程教学的每个阶段，提出了CDIO 和PBL 相结合的项目式教学模式。在该模式下对微处理器与嵌入式系统的教学内容、课堂组织教学方案和专任教师工程教育能力培训三个方面的改革进行了探讨。此外还对CDIO-PBL 教学模式改革进程中的师资问题和部分学生存在的问题进行了讨论。实践证明，CDIO-PBL 教学模式能使学生更快、更系统并且全面地掌握嵌入式软硬件系统相关知识，有利于培养学生的创意思维、创新能力，增强了学生的团队合作意识和独立分析问题的能力。目前，该模式的研究目前主要集中在微处理器与嵌入式系统课程，下一步的研究工作为将CDIO-PBL 教学模式应用于人工智能等一些新的课程中，希望对其他课程改革提供一种新的思路。