基于EIP-CDIO理念的电子系统综合设计实训课程教学探索

刘乔寿，雷 芳

（重庆邮电大学，重庆 400065）

1 EIP-CDIO培养模式概述

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育广泛采用的教育方法，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，使学生能够主动在基于项目的实践中学习工程技术[1]。CDIO教育模式作为工程教育领域的一项重要改革，其目的是解决工程教育的两个根本问题，即培养什么样的人？如何培养？对于第一个问题它用CDIO 教学大纲给出了工程师应掌握的知识，应具备的能力和素质。对于第二个问题则给出了CDIO的12条标准指导工程教育改革的实施方法[2]。

EIP-CDIO培养模式则是在CDIO基础上，针对我国工程教育缺乏对历史、社会和环境的认知与责任教育，部分学生职业道德缺失、个人利益至上、团队意识匮乏[1],由汕头大学顾佩华教授研究组提出的培养模式。该创新教育模式强调做人与做事相结合，做人通过做事来体现，做事依靠做人来保证，培养具备良好职业道德、有责任感的工程师。该培养模式符合当前社会对人才培养的要求，有利于工程类课程的建设改革，值得深入研究应用[3]。

2 基于EIP-CDIO模式改革电子系统综合设计实训课程

2.1 教学目标

电子系统综合设计实训课程针对大三学生在下学期开展，学生已完成“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”“单片机应用”等专业基础课程的学习，已具备基本专业知识和技能，所以本课程提出了知识、能力、素质、素养四位一体的课程目标。

（1）知识目标：在已有专业知识的基础上，与企业要求接轨，掌握急需流行技术和算法，将所学电类相关课程知识融会贯通，综合应用，完成工程类综合型实际产品的设计。具体来说，要求掌握深度学习的基本概念、原理及数学方法；能够熟练使用C++、Python完成基本程序的编写；掌握Linux操作系统的基本原理及软件安装、配置方法；掌握FPGA基本结构和开发流程，能够熟练使用Verilog HDL语言完成FPGA应用开发。

C++作为经典开发语言，长期以来一直深受行业广大开发人员的喜爱并广泛应用于各种系统的开发。Python作为后起之秀，由于更加接近自然语言的特点，逐渐成为主流开发语言之一。特别是近年人工智能的发展，进一步提升了Python语言的应用前景。因此，考虑行业实际及学生兴趣，课程中C++和Python为二选一语言，由学生自主选择其中一门语言作为开发语言，在Linux系统下结合OpenCV完成基本的图像处理程序、深度神经网络卷积、池化等基础模块的开发和设计验证，从而为完整系统的设计提供保障。

（2）能力目标：从产品研发到运行全周期，使学生具备“构思”“设计”“实施”“运行”能力。“构思”指全面调研进行需求分析、功能分析；“设计”是能够进行系统总体方案设计、硬件电路和软件程序设计，能够思考设计细节、解决具体问题；“实施”指将系统设计转化为产品的过程，需要考虑性价比、产品形态、可靠性等，包括元器件购买、电路板制作、焊接及调试，特别强调故障排查能力；“运行”则指系统的稳定运行、功能测试及进一步优化改进等。

根据上文对知识目标的分析可知，该课程涉及多门课程知识，如Linux操作系统、高级语言（C++或Python）编程、图像处理OpenCV库、FPGA开发调试等。在有限的课程课时限制下，通过分组完成项目的形式，充分发挥不同同学的特长，培养学生的CDIO能力。

构思（C）：为了在有限的课时完成系统设计及运行，首先要思考如何选择合适的同学组队，组队后需要合理分配每个同学的任务，发挥不同同学的特长；进一步，需要对整个系统进行合理分解，分析不同模块实现的难易点及后期整合方法；讨论系统最终实现及测试方案。由此可见，构思主要体现在设计初期，并贯彻整个系统实施的全部阶段。在构思过程中，学生随时和老师进行沟通和讨论，并需要讲解自己的构思和设计，在和老师确认无误后再开展后续工作。

设计（D）：课程按团队合作开发产品的形式执行，设计过程需要充分发挥小组不同成员特长。比如：擅长理论分析的同学进行系统分解和人员分工，完成神经网络训练；擅长操作系统和应用系统编程的同学完成开发环境配置和基础模块设计；擅长硬件设计的同学完成FPGA设计开发。整个设计过程需要同学充分讨论和相互协作完成，解决设计过程中可能出现的各种问题。

实施（I）：课程最终的目标是基于FPGA完成一个神经网络推理模型的实现，并通过摄像头对获取的视频目标进行分类，网络的训练通过PC完成。由此可见，系统的实现既涉及软件开发、深度神经网络训练、也涉及FPGA开发。为了提高系统的性能，很多基础模块需要同学先进行设计、制作、测试，然后整合成一个完整系统。经调试排查故障后，完成最终作品。

运行（O）：作品完成后，需按照实际产品形式针对不同实际环境进行测试，确保作品的稳定运行。查找功能缺陷，要求提出优化方案。

（3）素质目标：注重个人能力与团队协作能力共同发展。加强自学能力的引导及训练，提升实践动手能力、故障排查能力、创新能力、语言表达能力、报告撰写能力、团队协作能力等全方位综合性能力。

（4）素养目标：树立正确的科学观、价值观，培养学生的工匠精神、创新精神，树立严谨求实的工程设计理念；激发学生对行业领域发展信心，培养学生吃苦耐劳、精益求精、追求卓越的优秀品质。在教学过程中润物无声、潜移默化地渗透爱国主义教育，培养有目标、有理想、有担当、自立自强的青年一代。

2.2 教学形式

课程教学融入翻转课堂形式，按课前、课中、课后三个环节组织。学生采用团队形式完成项目，形成了课前自学讨论、课堂讲解答疑实作，课后按阶段逐步实施的项目式管理教学模式。

课前教师通过各类网络课堂软件，如雨课堂、腾讯课堂等发布课程要求、安排预习，分发电子教案和相关文档，提供视频教学资源或下载链接。要求学生在上课前了解本次课程内容并思考重点、难点，团队讨论后提出疑问，完成预习作业并提交教师批改。在课堂教学中，教师针对学生提出的疑问及预习作业情况进行重点、难点分析和讲解，帮助学生答疑解惑；学生则在教师的指导下再次和组员讨论实施方案，并完成部分模块的设计调试。课后教师根据项目进度及总体设计方案分解任务目标，安排阶段性任务要求学生完成，保证项目进度按时顺利推进。

课程教学的三个环节均以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，转变“授人以鱼”为“授人以渔”。学生的知识体系与教师的知识体系存在较大差异，只有鼓励学生利用自己的知识体系理解新知识，与教师的知识体系进行碰撞，才可以使学生构建自身的知识体系，灵活运用知识，真正转化为己用。该方法既能保证项目的顺利实施，又能提升自学能力、增强学习积极性，加强团队协作，促进师生之间的交流。若学生提出的疑问是老师未重视或该问题会引起一些新的发现，老师将给予学生总成绩加分，鼓励同学们多思考、勇于质疑的科学精神，这将有利于学生自身知识体系的构建。

2.3 教学内容

课程教学内容在已学专业课程基础上，向广度、深度拓展，综合运用知识，完成工程类综合型实际产品的设计。考虑目前电子信息行业对人工智能人才需求量的迅速增加，项目组教师对教学内容引入深度学习，要求学生通过PC实现深度神经网络模型的训练，并将训练好的推理模型部署在FPGA上实现。教学内容主要由三大部分组成：Linux操作系统、人工智能深度学习、FPGA开发，涉及C++、Python、OpenCV、Verilog HDL编程。Linux操作系统部分主要涉及软硬件开发平台的安装和配置，如TensorFlow、Kera、Vivado在Linux操作系统下的安装和配置；人工智能深度学习部分，主要教授学生如何使用C++或Python语言结合OpenCV完成基本的图像处理程序开发，并结合深度学习框架实现计算机视觉相关的深度模型训练和推理，如可以基于MINST数据集完成一个数字手写体识别的DL网络的训练和推理；FPGA开发部分，要求学生完成摄像头的驱动从而获取实际的手写数字输入，并把训练好的模型通过Verilog HDL语言移植到FPGA开发板，完成摄像头输入视频的手写数字体识别，最后通过LCD显示视频流和识别结果。

在教学内容中，课程组教师潜移默化渗透爱国主义教育，激发学生对行业领域发展信心；从实验细节上培养学生吃苦耐劳、精益求精、追求卓越的优秀品质。如让学生知道，由于美国限制对中国出口芯片，导致我国芯片价格大幅上涨，而掌握FPGA的结构和开发流程是芯片设计和开发的前提和基础。因为FPGA也称为半定制的ASIC开发，很多专用芯片的开发其原型机设计都是基于FPGA实现的。深度学习作为目前主流技术之一，其发展已经相对完善，开发手段及开发工具日渐成熟且不存在任何技术壁垒。结合FPGA完成深度神经网络推理的实现，对培养学生掌握具有自我知识产权的智能芯片的开发能力和开发意识都有非常重要的帮助，同时能凝聚学生的爱国热情，提升学生的就业竞争力，从而提升学生的学习热情。

3 评价体系

电子系统综合设计实训课程改革体现过程性评价与总结性评价并重，制定了科学合理的课程评价体系。过程性评价包含学生课前预习、课堂学习表现及阶段性测试。总结性评价包含项目的演示答辩、项目实施能力、团队协作沟通能力及报告撰写能力的综合评定。具体评价分配如下：

课前预习（10%）+课堂表现（10%）+阶段性测试1（10%）+阶段性测试2（10%）+项目演示答辩（25%）+报告（20%）+团队协作贡献（15%）+有建设性提问（总成绩格外加分）

其中课堂考勤不计入成绩，仅做扣分项处理。缺勤1次总成绩扣5分，缺勤3次及以上者取消课程成绩。课程评定采取教师评定为主，学生为辅的形式。团队学生经过商议讨论，自行评定各自在团队协作贡献的分数。评价体系全面完整、多方位、多主体开展，有利于科学合理评价学生课程学习情况。

4 结束语

课程以新工科建设为背景，基于EIP-CDIO工程教育理念，辅以多种教学手段和评价方式，受到学生及相关行业公司的一致好评。自2018年课程改革以来，项目组已经完成通信学院电子信息工程2016级、2017级、2018级三个年级共计约300余人的授课。从学生反馈的信息来看，课程紧密结合了目前行业主流的人工智能深度学习技术和电子信息工程专业的专业特色，既达到工程认证毕业要求，也培养了符合行业需求的新型电子信息人才。同时，课程还结合了最新的AI+FPGA技术，学生的学习兴趣得到了极大的鼓舞和提升，课堂内外学习氛围良好，学习效果优异。■