基于CDIO教育理念的嵌入式系统原理及应用教学改革与实践

孙静

摘要：CDIO是國际工程教育改革的成果。该文引入CDIO教育理念，介绍了该理念的三个核心文件：1个愿景、1个教学大纲、12条标准。并把CDIO教育理念引入嵌入式系统原理及应用课堂，从教学理念、教学内容设计、“做中学”教学方法，到考核方式结合CDIO教育理念进行改革。

关键词：嵌入式系统；CDIO教育理念；做中学；工程师

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0153-02

嵌入式系统以应用为中心，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，涵盖嵌入式硬件和软件两大部分。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统应用将获得广阔的发展空间，其应用领域包括：工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、POS网络、环境工程、国防与航天等。尤其是物联网时代的到来，更加推动嵌入式技术的发展和应用。

嵌入式行业的快速稳步发展，对嵌入式系统工程师的人数要求和能力要求不断提高。华清远见2013-2014年度的行业调查数据的结果显示，目前从事嵌入式开发“不到1年”和“1-2年”的工程师所占的比例依然是最大的，分别是38%和20%，占总参与调研人数的58%，对比去年增加了4个百分点，而具备相对丰富开发经验的嵌入式工程师（2年以上工作经验）则占总调研人数的42%[1]。分析得出，嵌入式企业的发展速度和专业人才的成长速度依然有一定的差距，行业内嵌入式工程师供不应求的状态扔将持续。

我国通常情况下是在工作中培养工程师，在校园里主要教授理论知识。而世界上好多大学，其中著名的麻省理工学院，瑞典皇家工学院等大学培养模式对工程师非常重视。我国经济的发展对工程师的需求越来越多，本文研究引入我国的CIDO工程教育理念，探索在校园里以CDIO工程教育模式对嵌入式系统原理和应用课程的改革和实践。

1 CDIO教育理念

CDIO是麻省理工学院等四所大学共同创立的工程教育改革模式，表示构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate），包括三个核心文件：1个愿景、1个教学大纲、12条标准[3]。CDIO的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的CDIO过程的背景环境基础上的工程教育。CDIO的教学大纲对学生提出了4个层面的能力要求：基础知识、个人能力、团队协作和工作系统能力。CDIO 理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。

我国的高等教育缺少培育高级工程师的理念和实践，CDIO理念对我国工程教育课程改革具有重要的借鉴意义。2005 年起，汕头大学执行校长顾佩华教授在汕头大学工学院引入CDIO理念，开始研讨并实施，提出了 EIP-CDIO 培养模式，即职业道德（Ethics）、诚信（Integrity）和职业素质（Professionalism）与CDIO 有机结合以培养高级工程专业人才为目标的高等工程教育新模式[2]。2008年4月，教育部高等教育司发文成立“CDIO工程教育模式研究与实践课题组”。2010年4月，全国共有39所高校开展CDIO试点工作，这种规模还在继续扩大[3]。

2 CDIO理念在嵌入式系统原理和应用课程教学中的应用

2.1 嵌入式系统原理及应用课程特点、教学现状、培养目标

我院的《嵌入式系统原理及应用》基于ARM处理器，嵌入式Linux操作系统的嵌入式开发平台。课程具有综合性强，实践性强等特点。理解并掌握嵌入式系统的开发需要具备的知识有：嵌入式C语言，嵌入式Linux操作系统，嵌入式Linux应用开发，ARM处理器平台及其接口硬件开发，嵌入式Linux下常用接口的驱动开发和应用程序开发。每项知识点的掌握都需要通过在开发平台上实践、理解、消化、吸收。

以往，由于教学大纲规定了理论课和实验课各自的学时数，排课时理论课安排在教室上课，实验课学时较少。教学目的是让学生掌握抽象的理论知识，培养目标是追求知识的面面俱到，在课堂上“满堂灌”地“传授知识”，考核以期末试卷的分数决定成绩的高低，造成了学生不理解理论知识的内涵，不会把理论知识应用在实践中，考试前死记硬背知识点。许多理论知识在结合实验平台的动手编程中可以轻松理解，有些通过查资料了解的知识点也要背诵，给学生增加了额外负担，降低了学生的学习兴趣。实验教学由于学时少，学生对实验环境的调试不熟练，对开发平台理解不够透彻，即使做了几个验证性实验，对嵌入式系统的原理和应用在认识上不清楚，会打击学生学习嵌入式系统的热情，造成对嵌入式技术开发的兴趣不浓，以至于毕业后有人拒绝做嵌入式系统的开发工作。

2.2 CDIO理念的嵌入式系统原理及应用教学改革与实践

2.2.1 教学理念的改革

当今社会处于知识大爆炸的时代，想通过一学期的嵌入式原理及应用一门课程把嵌入式系统的理论知识和技术应用熟练掌握难度比较大，为使学生在有限的教学时数内灵活掌握和运用嵌入式系统的知识和技术，毕业后成为合格的嵌入式系统开发或应用工程师，需要改变传统的以“教”为主的教学理念，现在以“用”来组织教学逐渐成为高校教学的共识，向实行工程教学方向的改革。国际工程教育改革的新成果：麻省理工学院等经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育理念，目前国内外很多高校实施CDIO教育模式，如美国的麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学，英国的利物浦大学，贝尔法斯特女王大学，澳大利亚的悉尼大学，昆士兰理工大学等；国内的汕头大学、北京石油化工学院、燕山大学、合肥工业大学、北京科技大学、长春工业大学、昆明理工大学等高校。

结合计算机科学与技术专业的专业特色，嵌入式系统原理及应用课程的特点，在这门课上实施CDIO工程教育理念。每年安排学生到公司实习，教师到公司了解学生的实习情况，定期和公司探讨技术的发展和需求，合理调整每一轮的教学。现在课程设置上重实验环节，教学场地设在实验室，实验结合理论，以动手为主，遵照标准6、7。

2.2.2 教學内容的设计

教学内容应紧密围绕教学大纲展开，CDIO强调教学大纲的设计与培养目标的确定应与产业对学生素质和能力的要求逐项挂钩。这就要求教学内容的设计和培养目标上要紧紧围绕CDIO大纲的四个层面开展：基础知识、个体素质、团队合作能力、工作系统能力。

1）以项目为导向的教学内容

按照CDIO的培养目标，把嵌入式系统及原理的教学内容进行调整，以项目为导向的培养模式进行教学。总结理论知识，实验平台的构成，学生的学习能力，把嵌入式系统及原理的教学分成若干个项目模块，每个模块提出明确的要求，需要达到的目标，如表2所示。

表2 以项目为导向的教学内容及培养目标

[标号 项目题目 培养目标 知识 个体素质 团队合作能力 工作系统能力 1 Linux驱动程序的编写 相关的数据结构，驱动程序编写过程，加载、卸载方法 组织知识，动手实现。 互相交流，取长补短。 Linux系统的驱动程序，Linux系统的驱动工作方式。综合运用系统知识能力。 2 基于Linux的跑马灯驱动程序、应用程序的编写 GPIO口的驱动方式。 组织驱动程序的数据结构，动手实现。 互相交流，取长补短。 Linux系统驱动程序、应用程序系统调试能力。综合运用系统知识能力。 3 基于Linux的键盘驱动程序、应用程序的编写 Hd7279，数码管，GPIO口等相关知识。 组织知识，实现键盘驱动和简单的应用程序。阅读文档的能力。 互相交流，取长补短。 中断服务程序运用，代码调试，操作演示。综合运用系统知识能力。 4 简易计算器的设计 Hd7279，数码管 阅读文档，实现计算器功能 互相交流，取长补短。 中断服务程序运用，代码调试，操作演示。综合运用系统知识能力。 5 基于Linux的LCD驱动程序、应用程序的编写 S3C410控制器，OMAP3530 MCU 组织知识，实现LCD驱动和简单的应用程序。阅读文档的能力。 互相交流，取长补短。 代码调试，操作演示。综合运用系统知识能力。 6 LCD应用程序设计 Lcd画线，画弧，画圆，汉字，图片，

研究算法，阅读文档 互相交流，取长补短。 LCD屏的系统应用设计、代码调试、操作演示。综合运用系统知识能力。 7 综合设计 贪吃蛇，飞机，太空大战，五子棋，俄罗斯方块等小游戏 研究算法，阅读文档，综合能力提高 互相交流，取长补短。 系统设计、代码调试、完善设计系统、操作演示。综合运用系统知识能力。 ]

2）鼓励学生自主创新、以赛促学

经过课堂上按照CDIO的培养目标执行，学生的动手能力明显提高。掌握了项目开发的基本思路，结合实际应用鼓励学生自主创新、以赛促学。嵌入式系统课程依托各类大学生科技创新竞赛活动，建立了内容丰富的开放式第二课堂，拓展和延伸了教学空间。如通过组织、培训学生参加大学生机器人大赛、物联网设计竞赛、电子设计竞赛、嵌入式设计竞赛等科技创新活动，培养学生分析问题、解决问题的能力，以及勤于动手、团队协作和勇于创新的精神。学校还邀请企业技术骨干作为指导专家，从工程的角度向学生传授企业开发习惯、项目分析管理经验、企业开发规范等知识，并定期组织学生参加生产实训，使学生在真实的工程情境中开展学习和实践，为他们将来从事嵌入式相关领域的工作打下坚实基础。

2.2.3 “做中学”的教学方法

“做中学”是约翰·杜威提出的学习方法，认为“做中学”也就是“从活动中学”、“从经验中学”，指出：“从做中学是比从听中学更好的学习方法。” 它把学校里知识的获得与生活过程中的活动联系起来，充分体现了学与做的结合，知与行的统一。[4，5]温家宝总理曾强调“在做中学才是真学，在做中教才是真教。”嵌入式系统原理与应用的教学，改变传统的以课堂教授为主，以考试成绩评定学生成绩的考核模式。提前告知学生预习每个模块涉及的基础知识，文献资料，技术资料文档，课上提示这些基础知识在模块上的应用方法，概要讲述文献资料阅读方法。学生思考、设计模块功能，调试代码，在硬件系统上观察结果。通过调试，遇到问题反过来继续研究基础知识，精读研发用到的技术资料。这样几个模块调试下来，学生的进步很大，内心成就感满满，对系统的调试技巧熟悉得很快，接下来的模块学习主动性提高，提出问题、分析问题、解决问题的能力明显提高。嵌入式系统应用是一门综合性很强的学科，经过“做中学”的培训，学生很容易把几门相关课程联系起来，主动查找资料、主动实践，享受学习带来的乐趣。

2.2.4 考核方法的改革

CDIO的评价方法重在能力培养。[6，7]嵌入式系统原理及应用基于CDIO教育理念教学后，在考核方式上做了重要调整。考核贯穿整个教学过程，每个模块的设计思路、代码编写、调试技巧、调试能力、操作演示、设计改进、阅读技术资料能力，结合学生的实际动手能力给出全方位的评价。

3 结论

基于CDIO理念的嵌入式系统原理及应用教学，实践下来发现学生的反馈效果较好，充分调动了学生的学习主动性，动手实践能力明显提高，加强了同学间的团结合作能力，体现了以学生为主体的教学理念。

参考文献：

[1] 2013-2014（第六届）中国嵌入式开发从业人员调查报告.

[2] 顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J]. 高等工程教育研究，2008（1）.

[3] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）.

[4] 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3） .

[5] 查建中.工程教育改革战略“CDIO''与产学合作和国际化[J].中国大学教学，2008（5）.

[6] 查建中.面向经济全球化的工程教育改革战略一产学合作与国际化[J].高等工程教育研究， 2008（1）.

[7] 李坚强，王志强，薛丽萍.基于CDIO 模式的嵌入式系统教学研究与探讨[J].计算机教育， 2010（12）.