2023年基于CDIO理念的嵌入式系统课程改革实践.docx

基于CDIO理念的嵌入式系统课程改革实践 摘 要 嵌入式系统是一门综合性、实践性较强的计算机、仪器仪表、自动化类专业课。市场对嵌入式技术人才的巨大需求，许多高校相继开设了嵌入式系统课程。本文分析了当前嵌入式系统教学的特点及问题，结合CDIO模式的工程驱动方式对嵌入式系统课程进行教学改革，提出了嵌入式系统的课程定位、目标、课程体系以及教师讲授与学生工程实践相结合的教学方式，将实践环节融入课堂教学，培养学生动手实践能力。 关键词 CDIO模式 嵌入式系统 课程改革 中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/jki.kjdks.2023.06.027 Abstract Embedded System is a comprehensive， strongly practical professional course of computer， instrument， automation major. Huge market demand for embedded technology talent， many universities have set up embedded system courses. This paper analyzed the characteristics and problems of current embedded system teaching mode， conducting teaching reform of embedded system combined CDIO project-driven approach. proposed curriculum position， target， curriculum system and combined teachers in the teaching and practice of student projects， integrating practice into classroom teaching and cultivating students" practical ability. Key words CDIO mode； Embedded System； course reform 嵌入式技术开展迅速，广泛应用于工业控制系统、汽车电子、医疗仪器、信息家电、通信设备等领域，近年新兴的物联网、车联网、智能家居等都是依托嵌入式技术开展起来的。市场对嵌入式人才的需求十分庞大，越来越多的高校在相关工科专业开设嵌入式系统课程，并取得了一些开创性成果。 但是，由于嵌入式系统开展速度快、课程内容覆盖面广、实践性强，导致学生入门较难，各高校讲授内容差异较大，各种教学问题凸显。为更好地改良嵌入式系统的教学，贵州民族大学测控技术与仪器专业在CDIO教学改革中对嵌入式系统教学进行一些尝试与探索。CDIO是构思〔Conceive〕、设计〔Design〕、实现〔Implement〕、运作〔Operate〕四个英文单词的缩写，它是“做中学〞和“基于工程教育和学习〞的集中概括和抽象表达。本次教改结合CDIO模式的工程驱动特点，对嵌入式系统的课程体系、师资力量、教学内容、实验平台、课堂模式等多方面进行调整，全面提升学生的工程实践能力，满足社会对应用型人才的需求。 1 当前嵌入式系统的教学现状及问题 嵌入式系统作为许多工科专业的专业选修课程，主要开设在大三下或大四上，课时一般是30～40学时；教学方式多为理论课程与实验课程；教学内容尚无统一标准，各高校的嵌入式系统课程，或注重概念性、根底性的入门教学；或侧重ARM体系结构、指令系统；或偏重嵌入式操作系统，以Linux 或uC/OS-II为主讲内容；同时学生根底差异大，有的是计算机专业，软件知识扎实，但硬件知识缺乏，有的是自动化或仪器仪表专业，硬件知识学习的多，而软件工程、操作系统方面的软件知识缺乏。这些现状使得在教学过程中产生了较多的问题，需要我们去改善： 〔1〕教师对嵌入式技术知识掌握不够。高校教师普遍重理论、轻实践，而嵌入式技术要求教师有较高的实践研发水平；同时，嵌入式技术开展迅速，老教师使用的嵌入式技术多还停留在8位单片机，没有重新备课讲授较新的嵌入式相关知识。而青年教师缺乏工程经验，嵌入式理论知识不够扎实、实践能力较弱。 〔2〕教学内容陈旧。嵌入式技术是一种开展很快的应用技术，而教材一般落后实用技术五年左右，这就导致嵌入式教学不能反映当前市场广泛使用的嵌入式技术，不满足社会对嵌入式人才需求的培养。 〔3〕教学内容多，而学时较少。嵌入式技术涉及多门学科，知识点繁杂，而且实验工程耗时长。目前，高校嵌入式课程的学时一般为30～40小时，实验学时一般为10小时。学时较少，教学无法覆盖嵌入式系统的主要知识内容。 〔4〕传统教学方式课堂枯燥，学生学习兴趣小。传统教学的教学手段单一，多以课堂讲解为主，知识概念抽象，学生缺乏实践动手锻炼。课余时间没有实验平台以供学习，学习兴趣不高，教学效果不佳。 〔5〕没有适宜的实验平台。实验平台是学生进行实验和工程开发的硬件平台，实验工程缺乏系统性，学生难以建立完整的嵌入式知识体系。并且由于嵌入式技术开展快，嵌入式实验平台使用时间一般只有5～10年。所以，应该选择当前较新的嵌入式实验平台，并且教学内容上以操作系统和软件开发为重点，这样既保证实验平台能长久使用，同时符合市场对嵌入式软件人才需求更大的现实情况。 〔6〕课堂缺少动会。虽然很多高校开设嵌入式实验课，但是嵌入式系统的实验或者工程步骤复杂，耗时长，仅开设十多小时的实验课，学生难以完成规定实验。嵌入式系统中的根底性实验模块化严重，学生难以理解该实验在嵌入式开发中的作用。所以，应当在实验中添加一些设计性、综合性的大工程，让学生能全局性的掌握嵌入式技术，在工程中学会解决问题的方法。同时，这些实验工程学生不可能在规定学时内完成，因此实验平台需要对学生开放，让学生课余时间能够在嵌入式实验平台上做实验、做工程。 2 嵌入式系统教学体系建设与CDIO模式教改 嵌入式系统课程是一门市场需求迫切，学生学习难度大的应用型、综合型课程。对其进行基于CDIO模式教学改革不仅能使学生在实践中学习、在工程中学习，而且符合了企业对嵌入式人才的技能需求。 2.1 师资队伍建设 师资力量是嵌入式系统的教学的根底，师资力量从三个方面进行加强：一是引进具有扎实的理论根底，又有较强的实际动手能力的从事嵌入式技术方向的硕士及博士；二是加强教师培训，挑选教师参加嵌入式教育培训机构的培训班，丰富教师的知识结构，提高实践能力；三是联合嵌入式产品研发公司，定期聘请具有深厚嵌入式研发经验的研发人员介绍该公司产品，以及具体研发过程中需要注意的问题和所涉及的关键技术等。形成校企合作关系，让优秀的学生到公司实习。 2.2 课程体系及教学内容调整 嵌入式系统覆盖知识面广，要求学生具备嵌入式根底知识，然后再学习嵌入式系统。因此，需要构建一个结构合理、层次清晰、课程间相互连接的课程体系。嵌入式的课程体系由专业根底课程、专业课程、创新实践课程三局部组成，专业根底课程包括电路分析、模拟电路、数字电路、微机原理、C/C++语言；专业课程包括单片机与接口技术、数据结构与算法、操作系统原理；创新实践课程就是以教师讲授与学生工程实践同时进行的嵌入式系统课程。 嵌入式系统教学内容需要结合目前市场的人才需求来进行选择。我系选择以基于ARM Cortex-A8内核的三星S5PV210为微处理器，以Linux为操作系统，讲授ARM架构及汇编指令、Linux编程根底、交叉编译环境搭建、Bootloader分析及移植、Linux内核分析及移植、根文件系统分析及移植、文件I/O及多线程编程、Linux设备驱动开发、Qt应用程序开发，其中重点讲解是Linux用户空间软件开发和应用程序开发。同时，市面上大多数嵌入式教材内容落后，因此，嵌入式系统课程不指定固定教材，而是以实训工程指导书为主，参考书为辅。 2.3 课堂模式改革 嵌入式系统将教师讲授与学生工程实践相结合，将工程驱动模式贯穿整个教学过程中。学生3～4人一组，开始阶段为根底类实训工程，后期阶段为综合性实训工程，最后由学生自主设计一个综合性工程作为期末考查工程。学生成绩以工程验收方式考核。教学过程中实时跟进每组实际情况，其中选择优秀的小组进行PPT演示讲解，期末进行综合性工程辩论，同时结合学生的课堂研讨表现、作品实物演示效果、作品设计报告、辩论表现为依据，通过综合评判给出课程成绩，使成绩能合理反映学生的工程实践能力、技术写作能力、口头表达及人际交流能力。 教学内容及教学方式的改革，激发学生学习兴趣，提供更多动手实践时机，让学生边做边学，经过多个工程的训练，养成较强的实践能力，对嵌入式系统有较深入的理解。 3 结束语 对嵌入式技术人才的培养需要结合市场需求、课程特点、本校教学资源、学生实际情况等，对教学培养方案进行科学规划，设立专业方向，配套对应的课程体系，不断提高师资水平，特别是改革教学内容及方式，让学生在实践中学习嵌入式技术。基于CDIO模式的嵌入式系统教学改革，使学生动手能力得到提高，形成较为完备的嵌入式系统知识体系，具备一定的嵌入式实践开发能力。 基金工程：贵州省高等学校教学质量和教学改革工程工程测控技术与仪器专业综合改革试点工程 参考文献 [1] 张雯雾，高守平，陆武魁.应用型本科嵌入式系统课程教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2023.204〔18〕：39-40. [2] 陈春林，朱张青.基于CDIO教育理念的工程学科教育改革与实践[J].教育与现代化，2023.94〔1〕：30-33. [3] 王硕旺，洪成文.美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2023.28〔4〕：116-119. [4] 查建中.论“做中学〞战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2023〔3〕：1-9.