基于CDIO嵌入式实践课程的改革与研究

罗凯　周琰杰　侯健

摘要：分析了目前嵌入式实践课程改革普遍存在的问题。针对嵌入式实践课程性特点，结合CDIO工程实践理念，分别从研发教学的平台、教学方法、兴趣培养和考核方式等方面，对嵌入式实践课程进行研究，提出相应的具体改革措施。从而提高学生学习的积极性和主动性，加强的学生的工程实践能力和创新意识的培养。

关键词：CDIO 嵌入式课程 教学改革

一、引言

嵌入式系统在各种领域都有着广泛的应用。比如：物联网、汽车电子、家用电器等领域。因而，各大高校都把嵌入式课程作为了通信、电子等专业学生的必修课程。嵌入式课程实践性特别强，知识点存在多门基础课程的交叉，并且学习周期较长。因此不断改进和完善嵌入式实践课程的教学手段、内容、方法是非常重要的，这样有利于学生掌握专业技术知识，获得实用职业技能，增强就业竞争力。本文结合我院提出的CDIO工程实践教育和嵌入式实践课程的体会，对嵌入式实践课程进行分析和改革。

二、国内高校嵌入式实践课程的改革现状：

目前，国内大多数高校的嵌入式实践课程教学改革形式大于内容。没有做到从该课程实践体系架构上进行全面的改革。主要体现在以下几个方面：

1.增加或删减先修一些理论课程。通常做法只是把“微机原理与应用”课程在教学体系中删除，添加“嵌入式系统原理与设计”类课程。将其主要背景机由原先的PC机改成嵌入式微型计算机。这样改革的宗旨只是：夯实了学生基础扎实，但是没有让学生从实践上得到提升。

2.现代化教学手段的引入。在嵌入式实践实践课程教学中大量引入多媒体教学课件，以流线型特征展现教学内容，插入图片和动画，使得课程教学相比以前更加生动。但是，针对漫长的而枯燥的学习过程，取得的效果甚微。

3.按部就班的构建嵌入式实践课程体系。目前，嵌入式实践课程通常分为三个部分：基础操作一验证实验一综合设计。到了综合设计阶段通常还是变为验证实验，没有达到真正培养应用型嵌入式人才的目的。

4.很多高校的嵌入式实践课程的改革很多仅仅变为了嵌入式处理芯片升级的改革。并且嵌入式均是采用基于ARM体系结构的处理器。导致国内学生局限在单一体系内而无法融会贯通，进而导致学生的思维习惯逐渐僵化无法接受其他体系的处理器，在面临技术变革的时候就体现出接受能力不足和创新能力低的问题。

三、嵌入式实践课程改革的内容

1.自行研发嵌入式实践教学所需的软硬件平台

由于购买现成的通用实验设备普遍存在不够开源的问题，很多设备不提供电路原理图，甚至连程序源码也不提供，仅提供一些编译好的目标文件，导致教学时从教师到学生都只能按照厂商提供的操作流程将目标文件下载到设备观察结果，使课程从学习、分析和研究如何开发各种程序沦落为仅仅是做了一个简单的下载操作，背离了教学的本来目的。而自行研发的实验平台拥有更高的自主权，从硬件模块配置到实践内容安排上都能够更贴近我校的教学实际情况。

2.教学方式和教学手段的改革

在传统的嵌入式教学中遵循的顺序大多是先介绍Ubtmtu、Debian等Linux系统的操作，然后再在Linux系统下搭建交叉编译工具、NFS及TFTP等必备环境，进而再进行Bootloader、kernel、底层驱动等的学习，完成这一系列学习之后才能进入到能产生直观实验现象的应用层软件开发阶段。而应用层软件开发之前的各个阶段都非常枯燥且要持续较长时间，导致很多学生在这一阶段的学习中逐渐失去兴趣和继续学习的动力，最终放弃继续深入学习。在CDIO教学模式中则遵循构思、设计、实现、运行的步骤，结合学生已经学习过的单片机基础进行自上而下的教学，运用特殊定制的系统和类IDE的开发环境，绕过底层和Linux操作系统等较繁琐的环节，使得学生能够在接近单片机风格的环境下在嵌入式系统上实现诸如流水灯、蜂鸣器驱动、数码管驱动等经典实验。让学生在实验中自行构思和编写程序，并经过调试后进行运行验证最初的构思，验证成功后学生将会有一种成就感，藉此激发学生的兴趣和学习热情，在学生产生较浓的兴趣和学习热情后，再逐步引导学生关注和思考更深入的问题，如操作GPIO时调用的子函数到底是在什么地方定义的、延迟调用的子函數是怎么实现的等，通过这些问题将学生的注意力引向系统内核和底层驱动。针对该课程的特点，提出了“自上而下，兴趣引导”的引探教学法，以实验为引导，注重培养学生的学习兴趣和热情以及继续深入学习的欲望。

3.构建类IDE的易于使用的开发环境

一旦构建易用的IDE开发环境，就降低学生对嵌入式处理器进行编程的门槛，同时简单易用的开发环境可以让学生将更多的精力放在对程序的构思设计和调试运行上，更贴近CDIO教学的要求。此外还将实现创新型的文件拷贝式下载方式。目标平台连接到计算机之后将会映射出一个U盘盘符，学生只需将编译出的目标文件拷贝到该盘符下即可在目标平台上运行。通过这种方式避免了使用专用下载工具带来的高成本和繁琐的操作，使得学生不会在下载程序上花费过多精力。

4.嵌入式实践课程教学资源的完善

编写配套的实验指导书和建立配套的学习网站，实验指导书及其配套实验程序源码主要是为课堂教学服务，而配套的学习网站及其所搭载的各种电子版资料则是服务于学生在线自学等开放式的学习。完善的配套资料、课堂学习结合课后线上学习的模式能够最大程度的降低学生学习的门槛和实现更好的学习效果。

5.考核方法的改革

一改以往书面考查的简单形式，以CDIO倡导的“过程评价”为基础开展，以“实际作品+相关报告或论文+现场答辩”相结合的方式进行考核，侧重强调的是学生课程实践能力和解决问题能力。

（1）考核总体分为3个环节。分别是：功能构思、程序编写环节、调试环节。

（2）考核每个环节的内容分别是：当前环节的作品任务、当前环节的实践报告、当前环节的答辩情况。

（3）考核每个环节用定性的考核方式代替传统的分数考核。在每个环节实施过程当中都以定性的方式，通过或不通过的形式进行考核，强调对学生是否具备每个阶段的能力来实施考核。

结束语

嵌入式实践课程是一门综合要求较高的课程。此课程的教学改革是一项长期而系统的工程，需要不断的探索与实践。需要结合CDIOT程实践的教学理念，逐步改善教学条件，提高教师素质，改进教学方法，以此来提高学生的学习兴趣，培养学生的应用能力、创新能力，造就学生的就业优势。