基于CDIO-PBL 教學(xué)模式的微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革探討

彭 朋，劉偉峰，曹曉倩，鄭恩讓

（陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，西安 710021）

自動(dòng)化專業(yè)主要是培養(yǎng)具有良好的人文素養(yǎng)和扎實(shí)的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，具有從事自動(dòng)化系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用與維護(hù)等方面的工程實(shí)踐能力，具有將自動(dòng)化領(lǐng)域最新科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)際的創(chuàng)造潛能，具有良好的表達(dá)和溝通能力及團(tuán)隊(duì)合作和組織管理能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。微處理器與嵌入式系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。它是早期的單片機(jī)原理及接口技術(shù)、微機(jī)原理和嵌入式及接口技術(shù)三門課程的一個(gè)綜合。該課程圍繞微處理器和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用展開教學(xué)，使學(xué)生掌握微處理器和嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生采用嵌入式芯片通過搭建嵌入式軟硬件系統(tǒng)解決實(shí)際工程問題的能力。

微處理器與嵌入式系統(tǒng)的課程內(nèi)容十分龐大，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)很難讓學(xué)生掌握其主要知識(shí)點(diǎn)（以陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院為例，該課程僅有48 個(gè)學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)40 學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)8 學(xué)時(shí)）。目前該課程在教學(xué)過程中面臨的最大問題在于找到一種合適的教學(xué)方法，讓學(xué)生在加深對(duì)微處理和嵌入式系統(tǒng)理論的理解上，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和獨(dú)立分析問題的能力。因此，對(duì)微處理器與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)方法改革具有十分重要的意義。

鑒于此，本文將研究一種新的教學(xué)模式即CDIOPBL 的教學(xué)模式，并將該教學(xué)模式用于微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)。CDIO 工程教育理念是麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)開發(fā)的。新加坡理工學(xué)院采用CDIO 的教育理念，CDIO 即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。CDIO 大綱涵蓋了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用、個(gè)人專業(yè)能力與職業(yè)素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通技能和產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)必須經(jīng)過的四個(gè)階段，見表1。CDIO 教學(xué)理念側(cè)重過程實(shí)踐，學(xué)生可以一邊做、一邊學(xué)，注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神、核心知識(shí)和表達(dá)能力的培養(yǎng)，該教學(xué)理念比較適用于工科教育。本項(xiàng)目擬將該教學(xué)理念用于微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力及表達(dá)能力。

表1 以能力為培養(yǎng)目標(biāo)的CDIO 大綱

PBL（Project/Problem Based Learning）即基于問題的學(xué)習(xí)，起源于美國(guó)的麥克馬斯特大學(xué)的醫(yī)學(xué)專業(yè)。PBL 強(qiáng)調(diào)以項(xiàng)目/問題為引導(dǎo)，在這種教學(xué)模式下，老師幫學(xué)生分析、理解問題，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，不幫學(xué)生解決問題，通過學(xué)生的自主探究和合作解決問題，可提高學(xué)生解決問題、分析問題的能力。微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程主要講述微處理器的基本概念、基本原理，微處理器程序設(shè)計(jì)和接口應(yīng)用的基本方法，并能綜合運(yùn)用微處理器搭建嵌入式軟、硬系統(tǒng)，每個(gè)部分本身就是一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)部分也可作為一個(gè)項(xiàng)目或者問題。因此，將PBL 教學(xué)法用于微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)中，能使學(xué)生更快、更系統(tǒng)且全面地掌握嵌入式軟硬件系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意思維、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力及批判思維的能力。與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)相比，PBL教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 PBL 教學(xué)模式與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)比較

在很多教學(xué)模式中，理論課和實(shí)驗(yàn)課是分離開的，這將導(dǎo)致理論課程的學(xué)習(xí)不能及時(shí)與實(shí)際結(jié)合起來，學(xué)生對(duì)該課程相關(guān)知識(shí)掌握不到位。本文將PBL 和CDIO教學(xué)模式相結(jié)合、融會(huì)貫通，應(yīng)用于微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)，不但可以提高教學(xué)效果，還可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、解決問題和團(tuán)隊(duì)合作等能力。

一、微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程中的CDIO-PBL 教學(xué)改革

微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程進(jìn)行CDIO-PBL 教學(xué)改革分為課程內(nèi)容改革、課堂組織教學(xué)方案改革和專任教師專業(yè)素質(zhì)提升三個(gè)方面。對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革時(shí)，該專業(yè)課的教師按照教學(xué)任務(wù)和時(shí)間將該課程劃分成多個(gè)階段或者模塊。各階段在設(shè)計(jì)、實(shí)施和操作中貫穿CDIO 的構(gòu)思，再使用PBL 模式進(jìn)行教學(xué)。課堂組織教學(xué)方案改革又分為教學(xué)方式改革和考核方式改革兩個(gè)方面。微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程中的CDIO-PBL 教學(xué)改革的詳細(xì)內(nèi)容如下。

（一）基于CDIO 的微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容改革

本文以《2019 年陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目立項(xiàng)指南（2019—2021）》和《陜西科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目立項(xiàng)指南》文件為指導(dǎo)，按照高等教育課程改革的基本要求，以就業(yè)為導(dǎo)向，根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)的任職要求，結(jié)合CDIO 的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和操作思想對(duì)微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。對(duì)該課程的內(nèi)容劃分見表2。課程內(nèi)容改革之后，可以將該課程分為微處理器的整體框架構(gòu)思、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及操作三個(gè)階段，在每個(gè)階段中使用實(shí)際案例，結(jié)合PBL 教學(xué)模式，以問題為導(dǎo)向，在實(shí)際問題中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和動(dòng)手能力，從而高效地完成教學(xué)目標(biāo)。微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)見表3。

表2 微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程改革后的內(nèi)容安排

表3 微處理器與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)

（二）以問題為導(dǎo)向制定課堂組織教學(xué)方案

1.教學(xué)方式改革

將微處理器與嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容與CDIO 和PBL 教學(xué)模式結(jié)合之后，還需要對(duì)該課程的教學(xué)組織方案進(jìn)行改革。即在微處理器與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中，對(duì)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)生的課外實(shí)踐等教學(xué)方式進(jìn)行改革。

（1）創(chuàng)新教學(xué)模式。對(duì)傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新，改用“以學(xué)生為中心主導(dǎo)開發(fā)，老師輔導(dǎo)”的方法，培養(yǎng)學(xué)生的PBL 思維模式，通過小組討論、案例模仿等方式讓學(xué)生吃透知識(shí)點(diǎn)；教師根據(jù)學(xué)生在開發(fā)過程中遇到的疑難問題，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的講解，通過解決實(shí)際問題調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，形成活躍互動(dòng)教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生合作完成項(xiàng)目開發(fā)。“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式能夠使學(xué)生具備以問題為導(dǎo)向的工程思維模式，能夠增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作模式，繼而提高學(xué)生解決開發(fā)中遇到的技術(shù)難題的能力。

（2）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。把學(xué)生按5～8 個(gè)人進(jìn)行自由分組，根據(jù)興趣從微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程案例庫(kù)中選擇題目，讓學(xué)生自己討論，再對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，任務(wù)分工。老師在整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)中，以學(xué)生為中心，起監(jiān)督和任務(wù)進(jìn)度把控的作用，同時(shí)幫助個(gè)別小組學(xué)生解決開發(fā)中的疑難問題。

（3）積極構(gòu)建競(jìng)賽平臺(tái)。鼓勵(lì)學(xué)生積極參加“數(shù)學(xué)建?！薄盎ヂ?lián)網(wǎng)+”和“大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等校內(nèi)外各項(xiàng)科技競(jìng)賽活動(dòng)，以賽促學(xué)。積極參加科技競(jìng)賽活動(dòng)不僅能鍛煉學(xué)生整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)的能力，還能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析問題、解決問題和實(shí)踐應(yīng)用能力。

2.考核方式改革

傳統(tǒng)的考核方式通常以閉卷形式為主，且卷面成績(jī)占比通常大于60%，試卷內(nèi)容偏重于理論知識(shí)，無法檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)整個(gè)微處理器與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的掌握情況。因此，將過程評(píng)價(jià)、變現(xiàn)評(píng)價(jià)、總結(jié)評(píng)價(jià)和信息綜合相結(jié)合，從學(xué)生討論/過程、作品展示、團(tuán)隊(duì)角色和總結(jié)報(bào)告等多角度進(jìn)行課程考核和能力評(píng)價(jià)十分必要，其考核點(diǎn)分值占比和考核目標(biāo)見表4。

表4 微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的考核體系

（三）加強(qiáng)專任教師工程教育能力培訓(xùn)，提升教師專業(yè)素質(zhì)

PBL 和CDIO 教學(xué)模式，對(duì)教師自身的素質(zhì)和教學(xué)技巧都有很高的要求。尤其是微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程在講授時(shí)教師除對(duì)單片機(jī)、嵌入式、操作系統(tǒng)原理和程序編譯原理等專業(yè)知識(shí)的內(nèi)容熟練掌握以外，還需要具有一定的工程教育能力，能夠提出問題、解決問題和有良好的組織管理能力，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、寓教于樂、控制課堂節(jié)奏等技巧。為了加強(qiáng)教師工程教育能力培訓(xùn)，提升教師素質(zhì)，陜西科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）鼓勵(lì)教師到企業(yè)參與工程實(shí)踐和暑期社會(huì)實(shí)踐。

二、CDIO-PBL 教學(xué)改革進(jìn)程中的問題

（一）師資不能完全滿足CDIO-PBL 教學(xué)需求

一是專任教師缺少企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，特別是青年教師，大多數(shù)從事理論研究，沒有在企業(yè)的工作經(jīng)歷，導(dǎo)致動(dòng)手能力較差，不能給學(xué)生提供很好的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)；二是缺少管理經(jīng)驗(yàn)，微處理器與嵌入式系統(tǒng)是單片機(jī)及接口技術(shù)、微機(jī)原理和嵌入式及其接口技術(shù)三門課程的一個(gè)綜合，在我校開課時(shí)間不長(zhǎng)，造成教學(xué)時(shí)長(zhǎng)、人員分配不當(dāng)，CDIO-PBL 教學(xué)模式下的教學(xué)效果打了折扣；三是教師的教學(xué)理念還有待進(jìn)一步提高，不少教師的教學(xué)理念還停留在“我教你學(xué)”的階段，忽略了“授人以魚不如授人以漁”的重要性。

（二）許多學(xué)生對(duì)CDIO-PBL 教學(xué)模式不適應(yīng)

當(dāng)下大學(xué)生在九年義務(wù)教育和高中階段長(zhǎng)期接受“填鴨式”教育，對(duì)“老師講、學(xué)生聽”傳統(tǒng)教育模式形成了一定的依賴性，學(xué)生主體意識(shí)缺乏、解決問題的積極性不夠，部分學(xué)生只滿足于獲取好的“分?jǐn)?shù)”，認(rèn)為CDIO-PBL 教學(xué)模式是在減輕教師的負(fù)擔(dān)，給學(xué)生留的時(shí)間太多，太浪費(fèi)時(shí)間。因此，學(xué)生也應(yīng)從自身出發(fā)，完成角色轉(zhuǎn)換，從被動(dòng)的學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主人。因此，部分學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)意識(shí)還有待進(jìn)一步提高。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合CDIO 的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和操作思想對(duì)微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，并以問題為導(dǎo)向，將PBL 融入到該課程教學(xué)的每個(gè)階段，提出了CDIO 和PBL 相結(jié)合的項(xiàng)目式教學(xué)模式。在該模式下對(duì)微處理器與嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、課堂組織教學(xué)方案和專任教師工程教育能力培訓(xùn)三個(gè)方面的改革進(jìn)行了探討。此外還對(duì)CDIO-PBL 教學(xué)模式改革進(jìn)程中的師資問題和部分學(xué)生存在的問題進(jìn)行了討論。實(shí)踐證明，CDIO-PBL 教學(xué)模式能使學(xué)生更快、更系統(tǒng)并且全面地掌握嵌入式軟硬件系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意思維、創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和獨(dú)立分析問題的能力。目前，該模式的研究目前主要集中在微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程，下一步的研究工作為將CDIO-PBL 教學(xué)模式應(yīng)用于人工智能等一些新的課程中，希望對(duì)其他課程改革提供一種新的思路。