基于CDIO模式的“嵌入式系统应用技术”课程探究

高宇鹏，任 福

（山西农业大学 信息学院，山西 晋中 030800）

CDIO的教育理念是2000年10月由瑞典皇家工学院、麻省理工学院等4所大学组建的一种工程教育改革模式[1]。C（Conceive）构思，是CDIO的第一个阶段，主要作用是确定客户的需求、技术支撑、企业规章制度和企业战略等部分。D（Design）设计，是CDIO的第二个阶段，主要作用是设计产品的工程计划、草案、图纸的设计和具体实施方案等。I（Implement）实现，是CDIO的第三个阶段，主要作用是实现第二阶段的设计内容并转化为产品的过程。O（Operate）运作，是CDIO的第四个阶段，主要作用是使用第三阶段的产品达到预期的效果。

将CDIO工程教育模式引入课程教学中，把课程中的理论知识与实践环节有机结合，从而使学生具备较强理论基础和实操能力，满足社会对应用型和创新性人才的需求。

1 嵌入式系统应用技术课程的教学现状

“嵌入式系统应用技术”课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课程，是物联网技术发展的重要理论基础。该课程具有很强的专业实践特性与综合性，知识覆盖面广，涉及数字逻辑电路、模拟电子技术、组成原理、微机原理、C语言和Linux操作系统等软件和硬件知识，是体现学生就业能力的一门非常重要的课程。目前的工业控制系统、智能家居系统、终端设备的应用都离不开嵌入式系统的理论与实践知识。

但是目前以应用型人才培养为目标的高校，该课程的教学大纲中学时分配多数为理论课程48学时实践课程24学时，或理论课程48学时实践课程16学时。这种传统的教学模式导致教学大纲中规定的教学内容多而学时少，学习的面广而深度不够，理论知识讲解的多而实践知识操作的少等问题，学生只学到了皮毛知识，对知识的理解似懂非懂，进而失去对该门课程的学习兴趣，不能激发学生的学习潜能，与培养应用型人才的目标背道而驰。

采用CDIO工程教育模式，对传统教学的教学大纲、教学内容、教材等方面进行改革，从传统的以教师为主体的思想转变为以学生为主体，教师为主导的理念，以项目驱动教学模式为主[2]，使学生不仅能掌握基本理论知识，还能培养学生的设计开发能力，达到应用型人才培养的目标。

2 CDIO模式下课程教学改革

CDIO工程教育模式是构思、设计、实现和运作4个部分，本文在“嵌入式系统应用技术”课程中实施CDIO模式的改革，以理论课48学时实践课24学时为例，主要思路为对教学大纲和进行重新构思，对理论内容和实践内容的知识体系和学时进行设计，采用授课教师与企业导师相结合实现课程的授课，通过企业实习和学科竞赛等方式对学生所学知识进行检验。主要从5个部分详细阐述。

2.1 理论内容结构重组

“嵌入式系统应用技术”课程在理论内容的重组中，以项目化管理教学为总体框架，学生学习完本门课程后，最终需要完成“基于嵌入式系统的视频监控系统”的项目。教材选取王剑编写的《嵌入式系统设计与应用》[3]，课程教学中将该教材的内容以项目驱动模式重组为8个子项目，分别为定时控制、中断控制、bootloader开发、内核移植、根文件系统制作、声卡和摄像头驱动开发、QT界面开发和SQLite数据库开发。教学大纲的撰写中，8个子项目的学时分配为定时控制6学时、中断控制4学时、bootloader开发4学时、内核移植6学时、根文件系统制作6学时、驱动开发10学时、QT界面开发6学时和SQLite数据库6学时开发。每个子项目在完成内容授课后，都需要以相应的项目考核管理验证理论知识的掌握情况。

2.2 实践教学项目化

实践教学模式依托理论课程的教学，基于CDIO模式的“嵌入式系统应用技术”课程的实践教学也以项目化模式划分，将实践教学的24学时分为9个子项目，分别为定时控制子项目（2学时）、中断控制子项目（2学时）、bootloader开发子项目（2学时）、内核移植子项目（2学时）、根文件系统制作子项目（2学时）、驱动开发子项目（2学时）、QT界面开发子项目（3学时）、SQLite数据库开发子项目（3学时）和综合项目集成开发（6学时）。理论课程每个子项目在完成内容授课后，需要完成一个对应实践教学的子项目。实践教学过程中，采用分组形式完成每个实践子项目，并采用答辩的方式进行子项目的考核，除了注重学生实操能力外，还培养学生的团队合作、分析问题、解决问题和综合应变等能力，从而提升学生的综合素质[4]。实践教学中最后的子项目为综合项目集成开发，这部分的教学采用高效教师授课与企业导师授课有机结合，将企业中高效的项目化管理方式引入课堂，为学生在步入社会前搭建一座桥梁，避免在毕业后学生所学知识与就业单位需求严重脱轨。

2.3 有效利用第二课堂

高校在人才培养方案的制定中，要有效的利用学生的第二课堂（课外时间），多数高校中，学生的课外时间往往是课堂时间的3倍甚至更多，让学生在有限的学时内掌握教学大纲中规定的内容，仅仅靠课堂的时间远远不够的。以“嵌入式系统应用技术”课程为例，在48学时内完成上述理论内容的8个子项目和在24学时内完成上述实践内容的9个子项目是无比艰难的。为了保证CDIO模式在该课程中有效的实施，每个理论内容或者实践内容子项目的完成，都需要课内的学时和至少2倍的课外学时相结合（举例：理论内容中的定时控制子项目需要6学时，则第二课堂需要12学时，共需要18学时）。“嵌入式系统应用技术”课程一般安排在大三年级的下学期或者是大四年级的上学期，学生的第二课堂时间较多，因此在该课程中采用课内学时和至少2倍的课外学时相结合较为合理。学生在第二课堂中的学习方式主要以团队合作讨论为主，选取一名同学为组长，由组长完成任务的安排与部署，提高团队合作能力。

2.4 企业导师引入课堂

目前，高校学生的专业技能往往比企业中需求的能力落后一个层次，要缩小高校人才培养与企业人才需求的差距，就需要寻求校企合作，使企业走进高校或者高校步入企业[5]。“嵌入式系统应用技术”课程采用企业导师走进高校课堂方式，在实践教学中综合项目集成开发的18学时（课内6学时，第二课堂12学时）采取企业导师的项目化管理为主，高校教师辅助教学，完成实践教学环节的最后一部分。“嵌入式系统应用技术”课程最终需要学生完成“基于嵌入式系统的视频监控系统”的开发，并以毕业设计答辩的模式实施考核，检验学生在CDIO工程教育模式下对该课程的掌握情况。答辩过程中需要高校教师与企业导师共同参与。

2.5 培养创新能力

基于CDIO理念的“嵌入式系统应用技术”课程教学，由传统的以教师为主体方式变成了以学生为主体，教师为主导的模式。要求学生用更多的时间进行课程知识的理解、问题的提出、问题的探索、问题的分析和解决，而这正是培养学生创新能力的过程。尤其在实践教学的环节，采用项目化教学管理，每个学习小组需要独立完成各个子项目的设计与开发，是有效培养学生思考能力和创新能力的重要阶段。学生所学知识最终需要在实践中进行检验。而让学生参加全国大学生电子设计竞赛和各类国家级竞赛或进企业实习也是培养学生创新能力和检验学生综合素质能力的最好平台之一。

3 结语

针对“嵌入式系统应用技术”课程传统教学模式的弊端，引入CDIO工程教育模式，从教学大纲、理论教学内容、实践教学内容和教材等方面进行改革，采用项目化驱动教学方式，将理论与实践教学内容项目化；采用课内学时与第二课堂相结合，有效的加大了课程的学时量；建立校企合作，引入企业导师，缩小学生具备的专业技能与企业需求能力的差距；参加各类国家级竞赛，检验学生在CDIO的教育模式下对知识的掌握情况；从而培养学生的综合工程应用能力，最终达到应用型人才培养的目标。进一步探索CDIO工程教育模式，进行“嵌入式系统应用技术”的教学方法改革和考试改革是今后研究的重心。

[参考文献]

[1]韩磊，曹欲晓，吴晓彬，等.基于CDIO的嵌入式系统课程体系构建[J].计算机教育，2014（18）：39-42.

[2]徐存东，余丽红.基于CDIO理念的嵌入式系统课程教学改革的研究[J].长春理工大学学报，2011（7）：178-180.

[3]王剑，刘鹏，胡杰，等.嵌入式系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2017.

[4]李纯.基于CDIO工程人才本科阶段创业意识和能力培养模式的研究[D].浙江：浙江大学图书馆，2015.

[5]屈贤.基于校企合作的CDIO工程教育模式改革实践[J].时代农机，2017（1）：178-179.