孫靜

摘要：CDIO是國(guó)際工程教育改革的成果。該文引入CDIO教育理念，介紹了該理念的三個(gè)核心文件：1個(gè)愿景、1個(gè)教學(xué)大綱、12條標(biāo)準(zhǔn)。并把CDIO教育理念引入嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用課堂，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、“做中學(xué)”教學(xué)方法，到考核方式結(jié)合CDIO教育理念進(jìn)行改革。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；CDIO教育理念；做中學(xué)；工程師

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）36-0153-02

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涵蓋嵌入式硬件和軟件兩大部分。隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用將獲得廣闊的發(fā)展空間，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、POS網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境工程、國(guó)防與航天等。尤其是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，更加推動(dòng)嵌入式技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

嵌入式行業(yè)的快速穩(wěn)步發(fā)展，對(duì)嵌入式系統(tǒng)工程師的人數(shù)要求和能力要求不斷提高。華清遠(yuǎn)見(jiàn)2013-2014年度的行業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，目前從事嵌入式開(kāi)發(fā)“不到1年”和“1-2年”的工程師所占的比例依然是最大的，分別是38%和20%，占總參與調(diào)研人數(shù)的58%，對(duì)比去年增加了4個(gè)百分點(diǎn)，而具備相對(duì)豐富開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的嵌入式工程師（2年以上工作經(jīng)驗(yàn)）則占總調(diào)研人數(shù)的42%[1]。分析得出，嵌入式企業(yè)的發(fā)展速度和專(zhuān)業(yè)人才的成長(zhǎng)速度依然有一定的差距，行業(yè)內(nèi)嵌入式工程師供不應(yīng)求的狀態(tài)扔將持續(xù)。

我國(guó)通常情況下是在工作中培養(yǎng)工程師，在校園里主要教授理論知識(shí)。而世界上好多大學(xué)，其中著名的麻省理工學(xué)院，瑞典皇家工學(xué)院等大學(xué)培養(yǎng)模式對(duì)工程師非常重視。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)工程師的需求越來(lái)越多，本文研究引入我國(guó)的CIDO工程教育理念，探索在校園里以CDIO工程教育模式對(duì)嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用課程的改革和實(shí)踐。

1 CDIO教育理念

CDIO是麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)共同創(chuàng)立的工程教育改革模式，表示構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)行（Operate），包括三個(gè)核心文件：1個(gè)愿景、1個(gè)教學(xué)大綱、12條標(biāo)準(zhǔn)[3]。CDIO的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的CDIO過(guò)程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育。CDIO的教學(xué)大綱對(duì)學(xué)生提出了4個(gè)層面的能力要求：基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工作系統(tǒng)能力。CDIO 理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來(lái)工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)的高等教育缺少培育高級(jí)工程師的理念和實(shí)踐，CDIO理念對(duì)我國(guó)工程教育課程改革具有重要的借鑒意義。2005 年起，汕頭大學(xué)執(zhí)行校長(zhǎng)顧佩華教授在汕頭大學(xué)工學(xué)院引入CDIO理念，開(kāi)始研討并實(shí)施，提出了 EIP-CDIO 培養(yǎng)模式，即職業(yè)道德（Ethics）、誠(chéng)信（Integrity）和職業(yè)素質(zhì)（Professionalism）與CDIO 有機(jī)結(jié)合以培養(yǎng)高級(jí)工程專(zhuān)業(yè)人才為目標(biāo)的高等工程教育新模式[2]。2008年4月，教育部高等教育司發(fā)文成立“CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組”。2010年4月，全國(guó)共有39所高校開(kāi)展CDIO試點(diǎn)工作，這種規(guī)模還在繼續(xù)擴(kuò)大[3]。

2 CDIO理念在嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀、培養(yǎng)目標(biāo)

我院的《嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用》基于ARM處理器，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。課程具有綜合性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。理解并掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要具備的知識(shí)有：嵌入式C語(yǔ)言，嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)，ARM處理器平臺(tái)及其接口硬件開(kāi)發(fā)，嵌入式Linux下常用接口的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。每項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的掌握都需要通過(guò)在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)踐、理解、消化、吸收。

以往，由于教學(xué)大綱規(guī)定了理論課和實(shí)驗(yàn)課各自的學(xué)時(shí)數(shù)，排課時(shí)理論課安排在教室上課，實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)較少。教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握抽象的理論知識(shí)，培養(yǎng)目標(biāo)是追求知識(shí)的面面俱到，在課堂上“滿(mǎn)堂灌”地“傳授知識(shí)”，考核以期末試卷的分?jǐn)?shù)決定成績(jī)的高低，造成了學(xué)生不理解理論知識(shí)的內(nèi)涵，不會(huì)把理論知識(shí)應(yīng)用在實(shí)踐中，考試前死記硬背知識(shí)點(diǎn)。許多理論知識(shí)在結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)手編程中可以輕松理解，有些通過(guò)查資料了解的知識(shí)點(diǎn)也要背誦，給學(xué)生增加了額外負(fù)擔(dān)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于學(xué)時(shí)少，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的調(diào)試不熟練，對(duì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)理解不夠透徹，即使做了幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的原理和應(yīng)用在認(rèn)識(shí)上不清楚，會(huì)打擊學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的熱情，造成對(duì)嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的興趣不濃，以至于畢業(yè)后有人拒絕做嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。

2.2 CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教學(xué)改革與實(shí)踐

2.2.1 教學(xué)理念的改革

當(dāng)今社會(huì)處于知識(shí)大爆炸的時(shí)代，想通過(guò)一學(xué)期的嵌入式原理及應(yīng)用一門(mén)課程把嵌入式系統(tǒng)的理論知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用熟練掌握難度比較大，為使學(xué)生在有限的教學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)靈活掌握和運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)和技術(shù)，畢業(yè)后成為合格的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或應(yīng)用工程師，需要改變傳統(tǒng)的以“教”為主的教學(xué)理念，現(xiàn)在以“用”來(lái)組織教學(xué)逐漸成為高校教學(xué)的共識(shí)，向?qū)嵭泄こ探虒W(xué)方向的改革。國(guó)際工程教育改革的新成果：麻省理工學(xué)院等經(jīng)過(guò)四年的探索研究，創(chuàng)立了 CDIO 工程教育理念，目前國(guó)內(nèi)外很多高校實(shí)施CDIO教育模式，如美國(guó)的麻省理工學(xué)院、賓夕法尼亞州立大學(xué)，英國(guó)的利物浦大學(xué)，貝爾法斯特女王大學(xué)，澳大利亞的悉尼大學(xué)，昆士蘭理工大學(xué)等；國(guó)內(nèi)的汕頭大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、燕山大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)、昆明理工大學(xué)等高校。

結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)特色，嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用課程的特點(diǎn)，在這門(mén)課上實(shí)施CDIO工程教育理念。每年安排學(xué)生到公司實(shí)習(xí)，教師到公司了解學(xué)生的實(shí)習(xí)情況，定期和公司探討技術(shù)的發(fā)展和需求，合理調(diào)整每一輪的教學(xué)。現(xiàn)在課程設(shè)置上重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教學(xué)場(chǎng)地設(shè)在實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論，以動(dòng)手為主，遵照標(biāo)準(zhǔn)6、7。

2.2.2 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊密?chē)@教學(xué)大綱展開(kāi)，CDIO強(qiáng)調(diào)教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)與培養(yǎng)目標(biāo)的確定應(yīng)與產(chǎn)業(yè)對(duì)學(xué)生素質(zhì)和能力的要求逐項(xiàng)掛鉤。這就要求教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和培養(yǎng)目標(biāo)上要緊緊圍繞CDIO大綱的四個(gè)層面開(kāi)展：基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)體素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)合作能力、工作系統(tǒng)能力。

1）以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容

按照CDIO的培養(yǎng)目標(biāo)，把嵌入式系統(tǒng)及原理的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以項(xiàng)目為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式進(jìn)行教學(xué)?？偨Y(jié)理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，把嵌入式系統(tǒng)及原理的教學(xué)分成若干個(gè)項(xiàng)目模塊，每個(gè)模塊提出明確的要求，需要達(dá)到的目標(biāo)，如表2所示。

表2 以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)

[標(biāo)號(hào) 項(xiàng)目題目 培養(yǎng)目標(biāo) 知識(shí) 個(gè)體素質(zhì) 團(tuán)隊(duì)合作能力 工作系統(tǒng)能力 1 Linux驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě) 相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)過(guò)程，加載、卸載方法 組織知識(shí)，動(dòng)手實(shí)現(xiàn)。 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)工作方式。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 2 基于Linux的跑馬燈驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的編寫(xiě) GPIO口的驅(qū)動(dòng)方式。 組織驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，動(dòng)手實(shí)現(xiàn)。 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)試能力。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 3 基于Linux的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的編寫(xiě) Hd7279，數(shù)碼管，GPIO口等相關(guān)知識(shí)。 組織知識(shí)，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)和簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序。閱讀文檔的能力。 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 中斷服務(wù)程序運(yùn)用，代碼調(diào)試，操作演示。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 4 簡(jiǎn)易計(jì)算器的設(shè)計(jì) Hd7279，數(shù)碼管 閱讀文檔，實(shí)現(xiàn)計(jì)算器功能 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 中斷服務(wù)程序運(yùn)用，代碼調(diào)試，操作演示。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 5 基于Linux的LCD驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的編寫(xiě) S3C410控制器，OMAP3530 MCU 組織知識(shí)，實(shí)現(xiàn)LCD驅(qū)動(dòng)和簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序。閱讀文檔的能力。 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 代碼調(diào)試，操作演示。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 6 LCD應(yīng)用程序設(shè)計(jì) Lcd畫(huà)線(xiàn)，畫(huà)弧，畫(huà)圓，漢字，圖片，

研究算法，閱讀文檔 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 LCD屏的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試、操作演示。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 7 綜合設(shè)計(jì) 貪吃蛇，飛機(jī)，太空大戰(zhàn)，五子棋，俄羅斯方塊等小游戲 研究算法，閱讀文檔，綜合能力提高 互相交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試、完善設(shè)計(jì)系統(tǒng)、操作演示。綜合運(yùn)用系統(tǒng)知識(shí)能力。 ]

2）鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新、以賽促學(xué)

經(jīng)過(guò)課堂上按照CDIO的培養(yǎng)目標(biāo)執(zhí)行，學(xué)生的動(dòng)手能力明顯提高。掌握了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基本思路，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新、以賽促學(xué)。嵌入式系統(tǒng)課程依托各類(lèi)大學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)，建立了內(nèi)容豐富的開(kāi)放式第二課堂，拓展和延伸了教學(xué)空間。如通過(guò)組織、培訓(xùn)學(xué)生參加大學(xué)生機(jī)器人大賽、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、嵌入式設(shè)計(jì)競(jìng)賽等科技創(chuàng)新活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，以及勤于動(dòng)手、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和勇于創(chuàng)新的精神。學(xué)校還邀請(qǐng)企業(yè)技術(shù)骨干作為指導(dǎo)專(zhuān)家，從工程的角度向?qū)W生傳授企業(yè)開(kāi)發(fā)習(xí)慣、項(xiàng)目分析管理經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)開(kāi)發(fā)規(guī)范等知識(shí)，并定期組織學(xué)生參加生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生在真實(shí)的工程情境中開(kāi)展學(xué)習(xí)和實(shí)踐，為他們將來(lái)從事嵌入式相關(guān)領(lǐng)域的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2.3 “做中學(xué)”的教學(xué)方法

“做中學(xué)”是約翰·杜威提出的學(xué)習(xí)方法，認(rèn)為“做中學(xué)”也就是“從活動(dòng)中學(xué)”、“從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)”，指出：“從做中學(xué)是比從聽(tīng)中學(xué)更好的學(xué)習(xí)方法?！?它把學(xué)校里知識(shí)的獲得與生活過(guò)程中的活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，充分體現(xiàn)了學(xué)與做的結(jié)合，知與行的統(tǒng)一。[4，5]溫家寶總理曾強(qiáng)調(diào)“在做中學(xué)才是真學(xué)，在做中教才是真教?！鼻度胧较到y(tǒng)原理與應(yīng)用的教學(xué)，改變傳統(tǒng)的以課堂教授為主，以考試成績(jī)?cè)u(píng)定學(xué)生成績(jī)的考核模式。提前告知學(xué)生預(yù)習(xí)每個(gè)模塊涉及的基礎(chǔ)知識(shí)，文獻(xiàn)資料，技術(shù)資料文檔，課上提示這些基礎(chǔ)知識(shí)在模塊上的應(yīng)用方法，概要講述文獻(xiàn)資料閱讀方法。學(xué)生思考、設(shè)計(jì)模塊功能，調(diào)試代碼，在硬件系統(tǒng)上觀察結(jié)果。通過(guò)調(diào)試，遇到問(wèn)題反過(guò)來(lái)繼續(xù)研究基礎(chǔ)知識(shí)，精讀研發(fā)用到的技術(shù)資料。這樣幾個(gè)模塊調(diào)試下來(lái)，學(xué)生的進(jìn)步很大，內(nèi)心成就感滿(mǎn)滿(mǎn)，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試技巧熟悉得很快，接下來(lái)的模塊學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力明顯提高。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，經(jīng)過(guò)“做中學(xué)”的培訓(xùn)，學(xué)生很容易把幾門(mén)相關(guān)課程聯(lián)系起來(lái)，主動(dòng)查找資料、主動(dòng)實(shí)踐，享受學(xué)習(xí)帶來(lái)的樂(lè)趣。

2.2.4 考核方法的改革

CDIO的評(píng)價(jià)方法重在能力培養(yǎng)。[6，7]嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用基于CDIO教育理念教學(xué)后，在考核方式上做了重要調(diào)整。考核貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路、代碼編寫(xiě)、調(diào)試技巧、調(diào)試能力、操作演示、設(shè)計(jì)改進(jìn)、閱讀技術(shù)資料能力，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力給出全方位的評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

基于CDIO理念的嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教學(xué)，實(shí)踐下來(lái)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的反饋效果較好，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，動(dòng)手實(shí)踐能力明顯提高，加強(qiáng)了同學(xué)間的團(tuán)結(jié)合作能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)理念。

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