嵌入式系統課程實驗教學探索論文

　　摘要：針對目前嵌入式方向課程實驗教學存在的問題，引入CDIO教學理念，并根據“構思、設計、實現、運作”的教育方向，以培養工程型人才為目標，以項目化的實驗教學內容為主體，在實驗教學中采用合理的考核方案，強化學生的動手能力，提高學生的創新能力，提升學生的團隊協作意識，從而全面提高學生的綜合素質。

　　關鍵詞：CDIO；嵌入式系統；實驗教學

　　作為向社會輸送工程型人才的高等院校，人才培養方向應以具有創新工程意識與工程能力為主體，在教育教學過程中，應不斷加強實驗與工程實踐，使學生在學習專業知識的同時，實踐能力也得以鍛煉，從而培養出理論知識扎實、實踐能力過硬的全面素質人才[1]。計算機科學與技術專業嵌入式方向課程是軟硬件結合的專業課程，要求學生不僅要對硬件原理非常清楚，擅長定義各種硬件接口，而且對復雜軟件系統也要信手拈來。而目前嵌入式方向課程的開展存在著學生在學習大量理論課程后，由于各種原因，很難通過實驗與實踐環節達到理論與實踐相結合的問題。

　　1CDIO模式的特點

　　CDIO工程教育模式在近些年來被國際工程教育改革廣泛應用，代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，它們的有機結合構成了CDIO工程理念[2]。CDIO模式要求讓每一位學生能夠以主動、合作、實踐有機結合的方式學習，從而提升學生的工程理論能力，累積工程實踐經驗。目前國內外的大學都在嘗試將CDIO模式運用到實驗實踐教學中[3]。因為CDIO模式本身注重實驗實踐環節，并注重培養學生動腦、動手的能力，它和時下所倡導的“學以致用”培養目標高度吻合，從而受到各高等院校的高度關注，廣泛地應用于教育教學中[4]。

　　2嵌入式方向課程實驗教學現狀

　　嵌入式方向課程包括嵌入式系統概論、SOPC原理及應用、嵌入式實時操作系統、嵌入式軟件開發等一系列課程，課程最主要特點就是內容較抽象，其理論性、實踐性、綜合性和應用性都很強。實驗環節擔負著升華理念知識的重擔，它也將為學生未來從事嵌入研發工作奠定良好基礎。但目前嵌入式教學存在實驗教學陳舊、設備單一等一系列問題，使學生仍停留于“照葫蘆畫瓢”式實踐模式，缺少分析問題的過程，也沒有創新環節。

　　2.1重理論、輕實驗

　　隨著教學改革的不斷深入，教學大綱也在隨之調整修訂，在這個過程中實驗實踐課時在不斷地縮減。大家把側重點放在課堂教學上，注重理論課的教學，強調讓學生在足夠的學時中學到系統的理論知識，從而導致實驗實踐環節只能在有限的課時內完成。這樣學生很難在較短的課時內完成具有一定難度、設計性、綜合應用性較強的實驗項目，使得學生無法對理論知識進行綜合應用，直接影響到解決實際問題的能力[5]。

　　2.2實驗教學方式陳舊

　　目前的實驗實踐教學仍沿用以教師為主體、學生為輔的教授方式[6]。學生在實驗室中，聽從教師指導，然后遵照實驗指導書上的內容，按步驟完成指定內容，觀察實驗現象，根本無法發揮學生的主動性和創新性。嵌入式方向課程要求學生的軟件硬件知識的緊密結合、相互配合，特別在實驗實踐環節，對學生的動手能力與技巧、創新精神與能力要求較高。但是在這樣的教學模式下，難以發揮學生本身的潛能，也難以調動學生的學習興趣及學習熱情。

　　2.3實驗設備單一及維護問題

　　嵌入式方向實驗課屬于硬件課程，不僅對計算機配置要求高，還要有課程配套的實驗設備。嵌入式實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗箱劃分為多個功能模塊。實驗時，學生通過開發軟件下載或是將編寫好的程序燒錄到Flash芯片即可完成實驗。實驗實踐環節中受到如此實驗設備的限制，基礎驗證性內容比重較大，缺乏綜合性與創新性，與工程項目聯系不大，理論與實踐存在較大偏差；即使教師對實驗項目有新的開發，也很難加入到現有實驗課程中。在實驗中學生對于關鍵的器件接口引腳往往不清楚，有時出現錯誤操作導致芯片燒毀，由于經費原因，導致維護困難，從而實驗設備的損壞率在逐年增高。

　　2.4實驗課程考核

　　實驗課程的考核基本上以實驗結果為考核內容，而實驗過程被忽視。學生只要機械地按照指導書上的實驗步驟嚴格執行，就可以完成實驗內容，這樣的實驗教學很難考核到學生的能力。實驗課上會出現有些學生渾水摸魚，有些能力強的學生感覺內容太簡單不屑于完成；對于實驗結果達標的學生，教師也難以判斷其個人能力的好壞。另外由于大方向上的“重理論、輕實驗”，實驗課的成績目前僅占期末總成績的10%。學生不在意實驗分數，也導致了實驗考核往往達不到督促學生學習的目的。

　　3CDIO模式下嵌入式方向實驗課研究

　　在CDIO工程理念的指導下，結合計算機專業的專業特點及專業培養方向，將嵌入式方向實驗教學與工程項目相互結合起來，在相關競賽、項目化及任務驅動等教學模式下，將過程考核運用到實驗考核評價中，重新構造嵌入式方向實驗教學體系，更好地應用于實驗教學研究與改革中。

　　3.1項目化教學模式

　　根據CDIO教育理念，將畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、團隊能力以及工程系統能力4個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這4個層面達到預定目標。因此合理的實驗與實踐教學模式可以充分體現項目化的教學理念，從多層面培養，使學生在做中學，在做中提高。近幾年，在CDIO教育理念指導下，學生完成任務分別從CDIO所倡導的“構思—設計—實現—運行”四方面進行。構思—教師最初布置案例，學生根據項目要求做需求分析，提交研究設計方案；設計—教師在批準研究方案后，學生根據案例內容，再細化內容，詳細做出概念設計、邏輯設計及執行方案；實現—學生根據方案中每一步驟的內容分別實施，此時教師在學生遇到問題時可做指導；運行—學生在規定學時內完成設計，進行驗收答辯，撰寫項目報告。嵌入式方向實驗項目通常分為驗證型、設計型、綜合型、創新型，首先學生具備一定理論知識后進入實驗室，實驗教師根據教學內容及要求將一個完整的案例作為實驗項目分配給學生，學生將項目分解成多個模塊，每個模塊內容可能是以往的一個實驗項目，學生通過完成每個模塊所對應實驗項目從而熟悉實驗平臺。這些模塊之間是密切相關的，通常前一個實驗是后一個的基礎，也凸顯了項目開發的連續性。有時也需要多方向課程相互配合，相互支撐。例如：酒店點菜系統需要鍵盤實驗、LCD顯示實驗、GUI界面設計實驗、μC/OS-Ⅱ操作系統移植、Zigbee技術等，這些內容涉及多門課程。作為此類大案例，學生不僅要對嵌入式相關的知識熟諳，還需要一定的項目合作能力。通常實驗教師在第一次課布置項目內容，將學生分成若干項目組，各項目組學生根據內容合理地分成多個模塊，分配給組員，通過查閱國內外資料、大量閱讀相關書籍，在教師規定時間內容完成各自模塊的程序調試、接口驅動、編譯下載等，然后學生再一起進行彼此間的鏈接、整合等直至項目調試通過。學生在這段時間內，要求定期向教師匯報進度，教師對學生項目進行過程中的問題進行指導。項目在規定時間內完成，學生需要以組為單位上交一份詳盡的項目報告。實驗教學通過這種項目化的教學模式，使學生能夠更深刻地掌握理論知識，提升動手能力、實踐能力，從而提高學習的主動性，培養團隊合作能力。使實驗教學真正達到理論與實踐相結合、與工程實際貼近的目標。

　　3.2開展大賽模式

　　嵌入式方向課程需要良好的C語言基礎，同時C語言也是其他方向課程的基礎，所以我院對計算機專業學生在大一就開設了C語言、JAVA語言課程等，并開展院、校級ACM程序設計大賽，選拔成績優異者參加更高一級競賽，從而激發學生的學習熱情和挑戰欲望。這樣讓新生大一時就開始接觸計算機基礎語言設計，為后續課程奠定基礎。學生到大三以后，專業課程陸續開設，學校學院還會在每學期舉辦專業性大賽，也會組隊參加省、國家級比賽。例如學校會在開學初舉辦ACM程序設計大賽、嵌入式大賽等，學生通過這些比賽將所學多學科知識融會貫通，以項目的形式開展，最后以成果形式展現，不僅提高學生項目合作能力，也開拓學生的視野，使學生能夠正視自己的優點與差距，增長見識。

　　3.3合理的考核方式

　　CDIO提倡多樣化的考核方式，于是根據不同項目的內容，分為項目劃分、階段成果、任務完成情況、答辯時的表述能力、項目報告撰寫5個環節進行考核，每一個環節都有考核成績，從中考核學生的技術能力、應用能力、交流能力、創新能力、全局觀念及團隊協作能力。學生為使每一個環節都不出現問題，必須有嚴謹的學術態度。學生在CDIO模式下完成項目的過程中，既學會了項目劃分，也學會了硬件設計、接口驅動、移植等，同時學會了項目報告的撰寫規范，在答辯環節提高了對知識的表述能力，也為今后工作奠定了良好基礎。嚴格規范的考核機制，提升了學生的發現問題、分析問題、解決問題、團隊合作等能力，并逐漸領悟了工程設計理念。

　　4結語

　　在嵌入式系列課程實驗教學中引入CDIO教學模式，將實驗內容整合為項目形式，讓學生參與整個項目的“構思、設計、實現、運作”，從而對素質教育的正確發展起到促進作用，對創新型人才的培養具有積極作用，同時也使得教師的教學能力及綜合業務水平得以提升。通過將CDIO引入實驗教學，學生在獨立構思與設計過程中，實現了從被動學習到自主學習的轉變，培養了學生工程實踐能力。在項目進行過程中，學生與學生之間形成了良好的團隊協作，在相互配合中，完成項目的各部分。

　　參考文獻

　　[1]牛國鋒,常晉義,朱苗苗.基于CDIO模式的物聯網工程專業實驗教學研究[J].計算機教育,2016(11):149-153.

　　[2]潘曉蘋,但果,陳昕,汪天富.基于CDIO理念的數字電路實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2013(8):400-403.

　　[3]李珍香,李全福.基于CDIO模式的微機原理與接口技術課程實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學,2013(1):65-68.

　　[4]喬憲遐,楊樂.基于CDIO的C語言虛擬實驗室建設研究[J].實驗室技術與管理,2015(10):122-124.

　　[5]房俊杰,張桂鳳,趙承濱.基于CDIO模式下的模擬電子技術教學研究[J].高師理科學刊.2016(2):101-103.

　　[6]齊連眾,田剛.基于“模塊化實驗系統”的計算機控制技術實踐教學改革與探索[J].高校實驗室工作研究,2017(1):41-43.

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