有关于教学模式“嵌入式体系”课程与CDIO教学方式革新研究

摘要：为了适应业界对嵌入式系统工程人才的迫切需要，针对目前“嵌入式系统”课程存在的问题，讨论了该课程的特点，并就卓越计划中该课程在CDIO教育模式下的师资建设和课程群建设及教学方法改革进行了深入的探讨和实践，结果表明该改革与实践能为“嵌入式系统”课程的CDIO教学改革提供一种新思路。
关键词：卓越计划；嵌入式系统；CDIO；教学改革
作者简介：但永平（1976-），男，江西都昌人，中原工学院电子信息学院，讲师；张五源于：本科论文www.618jyw.com
一（1955-），男，河南洛阳人，中原工学院电子信息学院，教授。（河南 郑州 450007）
基金项目：本文系河南省重点教改项目“基于CDIO工程教学模式的大纺织类卓越工程师人才培养的研究与实践”（项目编号：2012SJGLX02）、2012年度河南省高等学校（中原工学院自动化专业）“专业综合改革试点”项目的研究成果。
1007-0079（2013）26-0060-03
为了促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，我国提出了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）。为了响应这一计划很多学校提出了许多教改方法，CDIO[1，2]教学模式和我国的卓越计划具有很多相同的思想。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“基于项目教育和学习”[3] （Project Based Education and Learning）的集中概括和抽象表达。
嵌入式被广泛地应用到工业控制系统、汽车电子、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中，是典型的工程应用课程。业界对嵌入式系统的人才需求日益增加，因此，为了适应业界对人才培养的要求，越来越多的高校相关专业开始在本科、硕士培养计划中开设嵌入式系统[4-6]方面的课程，并进行了有益的探索。但是由于嵌入式系统这个概念的提出及发展也是最近几年的事，大家对嵌入式系统的认识还不统一，因此在具体的教学和实践中各个学校的做法相差很大，没有一个统一的标准。作为一个新兴的课程，关于“嵌入式系统”课程体系、教材建设、教学方法、教学内容（包括硬件平台与软件平台） 的选择、实验教学与实践环节组织等问题依然处于争论和探索阶段。本文将在“嵌入式系统”课程的建设和基于该课程的CDIO教学模式的改革进行有益的探索与讨论。

一、“嵌入式系统”的概念与课程特点

IEEE对嵌入式系统的定义：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。从该定义上来理解，上世纪70年代，英特尔研制出了4004微处理器开始，就应该有嵌入式系统应用了，后来又出现了单片机系统，DSP系统、ARM系统都是嵌入式系统。相比最近单片机系统，ARM系统可以被称之为新一代的嵌入式系统。新嵌入式系统硬件上主要是性能上更先进，CPU从8位变成了32位系统，体系结构更优化，集成度更高，软件商的区别在于有无操作系统支持。这两个方面的发展，使新一代嵌入式系统的应用大大拓展了。
最近的智能手机、智能家电快速发展和ARM公司的宣传和战略使得ARM就使嵌入式系统深入人心，使得嵌入式系统好像就是ARM。由于单片机、DSP等嵌入式系统都有相对应的课程，因此本文的嵌入式系统主要是以ARM系统来讨论。“嵌入式系统”课程是一门综合性课程，教学既涉及计算机结构、微机原理等硬件知识，又涉及操作系统、应用程序开发等软件知识。该课程的教学覆盖面大，从学科上涉及到电子科学与技术、计算机科学与技术、微电子学等众多领域；在系统上涉及数字电路、模拟电路、嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、底层驱动等技术。“嵌入式系统”课程是一门理论与实践相结合的课程，特别注重学生工程实践能力的培养。

二、目前的“嵌入式系统”课程教学现状与存在的问题

目前很多高校的“嵌入式系统”课程设置和教学中存在很多问题，使得“嵌入式系统”课程的教学很难适应工程师的培养要求，主要表现：对该课程认识不够，很多学校为了招生的需要只是在原来的课程中增加一门嵌入式课程，有的都没有相应的试验设备和实验室支撑；没有相应的教师队伍，老教师不愿再教新的课程，新进教师研究理论的多，做实际工程的少，也很难进行有效的教学组织；学时设置不够，大部分学校设置的是30学时，有限的课内学时，无法满足实践教学，尤其是综合性、设计性实践的需要；由于管理体制的原因，很多院校的实验室并未完全开放，教师指导学生课外实践的积极性没有完全调动起来，课内安排的实验更多的是为了配合课内理论教学的内容，一个实验一个模块，缺乏系统性，学生无法建立完整的系统概念；没有合适的教材，虽然相关的书不少，但很难作为适用的教材；传统的教学方法难以适应嵌入式课程教学的需要，嵌入式课程要求动手较多，综合知识较多，传统的教学使得学生根本无法掌握嵌入式系统的开发；课程群设置不合理，没有很好的支撑课程体系；课程名字虽然是嵌入式系统，但上课内容各不相同，有的是单片机系统，有的是ARM7系统，有的是AM9系统，有的是ARM11系统，有的是MSP430系统，有的是CortexM3系统，没有统一的标准。

三、“嵌入式系统”课程与CDIO教学改革探讨

由于“嵌入式系统”课程是一门新的综合性课程，业界对相关人才的需求又很迫切，因此“嵌入式系统”课程的建设和基于CDIO教学模式对卓越工程师计划中的该课程教学改革就十分必要，下面从该课程相关的多个方面展开讨论。

1.CDIO教学模式的师资队伍建设

嵌入式是最近几年才逐渐发展起来的新课程，教师的教学经验普遍不足，师资队伍的建设是CDIO教学模式的改革关键，是重中之重，有了符合CDIO模式的师资，就能顺利展开基于该模式的教学改革和实际。没有适应该模式的师资，一切改革都是空中楼阁，最后都会失败。因此卓越计划中“嵌入式系统”课程的CDIO教学模式的改革首先就是师资队伍的建设，工科的许多教师没有做过工程师没有工程经验，而在培养卓越工程师计划中要求其培养出卓越工程师显得十分可笑，由此可见毕业生满足不了产业界要求的原因。师资队伍的建设又包括三个部分：
（1）思想改革。首先教师要认识到CDIO教学模式的迫切性，抛弃多年传统的教学模式与资料，对教师是严峻的挑战。这将使教师重新学习，重新认识新的教学模式。没有改革思想和对教育的新认识，也很难保证教学改革的进行，学校要认识工程教育的重要性，并进行支持。
（源于：论文摘要怎么写www.618jyw.com
2）管理体制的改革。这需要相关的管理体制来保证从事教学改革教师的利益，包括考核体系、职称评定体系。因为目前高校存在的普遍问题是过度考核科研，不重视教学，而科研又重视理论的科研，工程实践的科研定位太低。如果没有相应的管理体制来保证从事工程研究和工程教学相关的改革，进行改革的教师积极性得不到保证和肯定，最后一切的改革都会是流于形式，达不到目的，人才培养和卓越工程师计划就是一纸空文。
（3）CDIO技能建设。“嵌入式系统”课程的CDIO教学过程中，教师工程能力达标是实施CDIO教学改革成败的关键。既然教师应当担任起帮助学生全面掌握知识、提升通用工程能力的责任，教师自身就要在这些能力方面率先垂范。目前大部分的教师技能难以适应CDIO教学模式的要求，而这只有通过学校与产业界的合作才能实现。不仅要派教师到产业界接受工程训练和取得实际经验，同时也要邀请产业界有经验和熟悉理论的工程师到校任教，使学生真正接触到当代工程师的榜样，也从他们那里学习真刀的工程经验和能力。

2.“嵌入式系统”课程群体系建设

“嵌入式系统”教学首先应从整体上认识与其他相关课程的密切关系，让学生知道“嵌入式系统”课程是本专业课程群的一部分，是相关专业课的延续。孤立地讲“嵌入式系统”课程，很容易给人造成嵌入式系统是新技术的错觉，实际上它只是以前技术的延伸。“嵌入式系统”其实是一个课程群体系，仅孤立地讨论“嵌入式系统”课程没有意义，嵌入式系统技术是一个典型的多学科交叉产物，是电类专业技术的载体和核心基础技术，其核心课程不但包括电路分析、模拟电路、数字电路、数字信号处理、微机原理、汇编语言、C语言等理论基础课程，还包括单片机原理与应用、嵌入式系统原理与应用设计、数字信号处理器应用、新型微处理器（Cortex M3原理及应用）、操作系统与Linux原理等大嵌入式概念下课程群体系。这些“嵌入式系统”课程群体系内的课程既相互关联，又有区别。有了这些课程群的建设，将复杂的“嵌入式系统”基础知识分解，即将“嵌入式系统”基础课程内容分成几个教学部分，循序渐进地讲授，最后到讲“嵌入式系统”课程的时候就水到渠成了。这样经过课程群的建设，“嵌入式系统”课程就具体为以ARM应用为中心的课程。

3.“嵌入式系统”课程教学内容与CDIO教学模式

（1）“嵌入式系统”课程教学内容的选择。目前很多高校的“嵌入式系统”课程的教学内容各不相同，根据上面“嵌入式系统”课程群体系的建设，“嵌入式系统”课程其实就是以ARM应用为中心的课程。那么嵌入式课程到底该教什么内容呢？根据ARM公司产品最新的三大系列产品：Cortex-A高级应用系统、Cortex-R实时应用系列、Cortex-M微控制器系列，在工业界ARM公司使用最多的就是Cortex-A高级应用系统和Cortex-M微控制器系列。其实Cortex-M微控制器系列可以作为单片机系统的补充，设置新型微处理器比较合适，这样高级应用系统就成了嵌入式课程的主要内容。那么是否就把Cortex-A的应用作为教学内容呢？通过教学实践发现ARM9系列作为嵌入式课程的内容最为合适，因为从体系结构和开发模式来看和Cortex-A开发模式完全一致。因此大部分学校都选择三星的ARM9芯片2410或2440作为嵌入式系统的学习实验平台。
这样“嵌入式系统”课程教学内容可以概括为：硬件系统；体系结构；硬件系统的设计；开发环境的建立；BOOTloader的移植；linux操作系统的基本操作；linux操作系统的移植；linux驱动程序设计；linux应用程序设计；QT图像界面的设计。从这些教学内容来看，30个学时完全不够。根据教学实践来看，最少60学时较为合适，并且分为两个学期：第一学期，在学完单片机系统的基础上学习ARM9系统的硬件系统，着重比较32位的ARM和8位CPU的不同、体系结构的区别和构成应用系统的区别。先不上操作系统，把它当做32位的单片机来学，理解硬件系统的组成，培养该体系结构下系统的启动模式，理解硬件开发的环境，掌握内部硬件资源的基本原理和开发过程。第二学期，在硬件系统的基础上着重基于linux操作系统的开发，包括linux开发和交叉编译器环境的搭建、Bootloader的移植、linux操作系统的移植、linux驱动程序的开发、linux应用程序的开发、基于QT图形界面的开发等。掌握了这些知识后，就会很容易地掌握新的芯片与操作系统。知道本质的东西后，无论以后再出现什么新的芯片与操作系统，都不难驾驭。
（2）“嵌入式系统”课程CDIO教学模式。教学内容确定后，那么这些内容该怎么教呢？该课程的特点是以工程应用为主，因此为了达到卓越工程师的培养目标，必须改变传统的教学模式，改变教与学、教与做、做与学的脱节，把课堂搬进实验室，不分别设置理论教学与实践教学，边讲边练，边练边学。对于“嵌入式系统”课程的教学采用CDIO的教学模式，以项目进行教学，将试卷考核的方式改为对项目的功能进行考核和对自己的项目进行答辩的方式。下面以中原工学院（以下简称“我校”）的CDIO教学模式为例说明。 对于第一学期的教学来说，首先以一个小项目为案例讲明白项目的流程和设计方法，教会学生学习的方法，包括怎样看数据手册，怎样搜索相关资源和理解这些系统，怎样去开发这些资源，知道项目知识和其他课程知识的关联。讲完该案例后，设置不同的项目，该项目设计本课程的大部分知识点。如：采用S3C2410完成采集交流电的电压和电流，通过LCD显示，同时通过无线传输给另一个模块。教师要讲明白设计思路，采用ARM和单片机设计方案的不同和有什么优点。信号采集与传输是通用的知识，教师应对相关的知识进行梳理和讲解。后阶段教师主要是和大家讨论并给予具体的指导，对中间出现的问题进行讲解和分析，分析知识点之间的关联以及这些知识点和其他相关学科知识的联系。这样学生就可以在做中学，学中做，最后完成并理解做项目的思想与方法，达到触类旁通的学习效果。这一学期其实是一个承上启下的过程，在经过CDIO模式的单片机教学后，主要是理解S3C2410的开发过程和内部资源的使用。
对于第二学期的教学来说，在硬件基础上再设计几个具体的项目，分组进行。例如：能够具有QT图形界面的温度显示，超过设定的温度会启动报警。理论讲授时讲明白该项目设计知识之间的联系以及项目的知识点和其他知识的内在联系：如完成该课题需要QT的图形界面设计、linux下温度传感器的驱动程序的设计、linux的移植、bootloader的移植、linux开发环境的搭建、硬件系统的理解、温度传感器的选择、温度传感器接口电路的设计、报警电路的设计、报警驱动程序的设计、操作系统的调度。然后就在老师指导下，讨论—设计—实现，最后答辩，教师参与讨论与指导，学生是主角，学中做，做中学，通过项目的完成不仅学习了这些知识点，还学会了这些知识之间的联系及其设计方法。
实践证明，经过两个学期的学习与实践，学生完全可以明白一个项目设计与实现的流程，并理解项目的设计与思路。为了加强实践，曾经有人讨论该课程要不要课程设计，其实从CDIO教学模式来看整个学习过程都是课程设计，根本没必要设置专门的课程设计。
四、结论
“嵌入式系统”课程是近年来的一门热门课程，在卓越计划的教学中，应以CDIO 工程教育模式为指导，针对目前存在的问题，对师资建设和课程群建设教学模式进行了讨论，最后以我校的嵌入式CDIO教学模式为例进行说明，实践证明该课程的CDIO教学模式改革比传统的教学更能锻炼学生的工程实践能力。
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（责任编辑：王意琴）