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新工科背景下基于CDIO的嵌入式系统的工程教育改革与实践

范文

朱超平严胡勇杨永斌

摘要：为了适应新工科背景下嵌入式系统人才的培养需求，对嵌入式系统课程教学进行综合改革，针对嵌入式系统课程在传统教学中存在的问题，引入CDlO教学理念，并根据CDlO的教学理念，以培养工程型人才为目标，以项目化的教学内容为主体，在教学中采用混合教学模式，重新组织教学内容，改进实践教学内容，强化学生实习实训，提高学生的工程应用能力，培养学生的团队协作能力，并建立工程化的考核方式，从而全面提高学生的工程实践能力。经过近年来的教学实践表明，该教学模式不仅能够提高学生的学习能动性、积极性、创新型和应用能力，而且对其他课程的教学改革也具有一定的参考价值。

关键词：新工科;CDIO;嵌入式系统;混合教学模式;教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）22-0157-05

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着新一轮产业革命的兴起，新材料、新工艺、新技术的快速发展，催生了新经济的建设和发展。新经济的快速发展需要新型工科人才的支撑，加快发展和建设新工科，主动适应新经济的建设，就急需培养大批科学基础厚、工程能力强、综合素质高的多样化和个性化的工程技术人才;同时还要求人才培养密切结合产业发展需求，而且还要求学生具备良好专业技能、职业素养，还要具有一定的创新能力、团队协作能力和管理能力，以适应新时期新经济对人才的需要。嵌入式技术作为新工科建设背景下物联网工程专业的支撑课程，越来越受到重视，也成为新经济中重要增长指标，也是当前研究和应用的热点之一[1]。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁、适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统[2]。嵌入式系统具有计算机技术、专用性和嵌人性等三个基本特征，由MPU（嵌入式微处理器）、外部接口电路、EOS（嵌入式操作系统）和应用程序（App）四个部分组成。但是，目前的嵌入式系统教学多采用多媒体+讲授的传统授课方法，主要以教师中心，以传授和讲解知识为主、验证性实验为主，以能力培养为辅，学生处于被动学习的状态，更没有激发学生的创新能力，很难培养满足新产业、新经济的发展需要人才，因此，必须对嵌入式系统的教学进行改革，适应新工科的发展需要。

1 CDIO工程教育

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新研究成果，近些年来被工程教育改革广泛采用。在CDIO理论中，C代表构思、D代表设计、I代表实现、0代表运作，它们的有机结合构成了CDIO工程理念。CDIO模式要求让每一位学生能够以积极主动、团队合作、项目实践有机结合的方式进行学习，从而提升自身的工程理论能力、设计能力、开发能力和项目的运维的经验。CDIO理论中将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人学习能力、团队协作能力和工程实践能力四个层面，要求以多学科交叉培养、综合素质能力的培养等方式让学生达到四个层面的预定目标[3]。CDIO标准要求参照工业界对人才的要求，并以企业界对职业素养的基本需求为手段来设计教学大纲，把工程学的要求融人教学的各个环节，培养学生的工程应用能力，提高学生的综合应用能力，实现人才培养和产业需求的良性对接[4]。目前国内外的大学都在尝试将CDIO模式运用到各种课程教学和实践中，因为CDIO模式本身注重项目的学习、项目的管理、团队协作能力、实践能力和工程应用能力的锻炼，并注重培养学生动脑、动手的能力和创新能力，它和时下所倡导的“学以致用”“创新创业”的培养目标高度吻合，从而受到各国高等院校的高度关注，并被广泛地应用到教育教学中[5]。

2 嵌入式系统教学现状

从嵌入式系统的定义就决定了《嵌入式系统》是一门多学科交叉、知识面广、教学难度大的课程，该课程要求有电子电路、半导体技术、操作系统和程序设计等方面的知识，同时该课程知识更新特别快。硬件部分日新月异，每年都推出新的芯片。软件开发技术不断升级，并且要求软件实时性高、安全性高、實用性强等特点，老师要讲授好本门课程，学生又能够学以致用，是一件非常困难的事情。针对我校近五年的教学情况和其他兄弟高校的调研情况来看，发现嵌入式系统教学主要存在以下问题：

1）重理论、轻实验

在新工科建设的大环境下，各个高校为了适应新的教学形式，都不断地对教学内容和教学方式进行改革，随着改革的不断深入，教学内容也每年进行调整。在这个改革过程，理论教学时长不断地被压缩，实践教学内容也同比例的缩减。为了在有限的时间内最大化的传授知识，任课教师对教学内容进行修订，把主要精力放在课堂教学上，注重理论课的教学，让学生在有限的时间内系统性完成理论知识的学习，实验教学环节主要验证理论教学内容，没有自主性实验和创新性实验，学生很难完具有一定复杂度的工程应用性较强的实验项目。这样的教学方式只注重理论教学，没有注重学生动手能力的工程实践能力的锻炼，导致培养的学生难以满足企业工作岗位的需求。

2）教学方式比较陈旧

目前的嵌入式系统教学仍然以教师为中心、学生自学为辅的授课方式。课前老师一般要求学生进行预习，课堂老师借助多媒体手段，辅助教学视频，进行课程的讲解，课后要求学生完成课程复习，资料阅读和课后练习。在实验课教学中，老师讲解实验内容，分解实验知识点、说明实验容易出错的注意事项，学生按照实验指导书上的内容，按规定步骤完成规定内容，观察实验现象，严重实验内容和理论教学内容是否一致，根本无法发挥学生的设计、创新和应用能力。嵌入式系统课程要求学生掌握软件硬件知识，进行软硬件协同开发，结合项目应用，团队之间相互配合，并具备应用能力开发能力和创新精神。但是在传统的教学模式下，难以发挥学生自身的潜能，很难调动学生的学习兴趣和创新能力。

3）理论内容和实验设备不配套

嵌入式系统的硬件技术发展快速，实验室设备上的主控芯片逐年更新，实验设备也进行升级，实验内容按照最新应用不断改变，并不断淘汰老旧设备。为了跟上新技术的发展步伐，任课教师每年都对教学内容做调整或改变，很多学校由于实验室建设步伐的滞后，而实验设备还是老旧实验设备，导致授课的内容和实验设备不匹配，导致理论和实验的教学内容严重脱节，学生把理论知识运用到实验设备上要查阅手册和资料，才能把知识转变为实践能力。实践教学环节不仅受到实验设备的限制，而且基础验证性内容所占比重较大，综合性与创新性实现项目所占比例过小，有的甚至没有，导致理论与应用存在较大偏差。即使教师按照理论教学内容对实验项目有调整和创新，受到实验设备的限制也很难加融人现有的实验设备中。

4）课程考核评价体系单一

课程考核成绩基本上由平时成绩、期末成绩和实验成绩占不同的百分比构成，往往忽视了课堂教学过程、实验环节、团队协作能力、动手能力和创新能力的考核。没有科学和行之有效的考核机制，教师很难掌握教学各个环节的实施情况，也难以掌握学生的学习情况，更难判断学生动手能力的好坏，以及工程实践应用能力。另外由于大方向上的“重理论、轻实验”，注重理论课的考核，而轻过程教学环节考核，从而导致学生的工程实践能力较弱。

3 新工科背景下CDIO模式下课程教学改革

为了提高我校嵌入式系统教学水平和学生的工程应用能力，嵌入式系统课程采用基于CDIO工程教育模式的构思、设计、实现和运作四个部分进行教学模式改革[6]。首先对课程的教学内容重新进行重构，采用混合式的教学模式设计，以项目案例为导向进行项目式教学，采用协同育人模式构建实践教学平台，并积极构建学科创新中心和竞赛平台，建立基于过程数据的科学评价机制等方式来实现对工程教育的各个环节进行教学改革实践[7]。结合我校近三年嵌入式教学改革的成果，从这六个部分对嵌入式系统教学改革进行详细阐述。

1）教学内容重构

根据CDIO模式对工程能力的要求，课程组经过反复的调研、借鉴兄弟高校的经验和教研讨论活动，对嵌入式系统的教学内容进行重新组织，以项目式教学为总体设计框架，采用项目案例的教学方法，对教学内容按照项目开发过程制定教学内容和实践内容，对项目开发进行分解，把课程知识点融人项目的开发之中，并确定项目开发中的重点和难点内容，把主要精力集中在重难点的讲解之上，并根据实际开发中的注意事项，容易出错的环节进行重点讲解，制定每个项目的评价标准和记分原则。根据项目式教学的要求，学生要完成每个开发步骤，需要设计预期的开发结果，开发过程资料和提交过程文档[8]。学生根据项目的要求，结合老师对项目开发的整体要求，先用学院提供的SPOC平台上的仿真工具，对项目进行模拟开发，取得正确结果后再做实物的制作，减少项目的开发难度。学生可以根据老师的要求，结合自己的理解能力，发挥自己的特长，对项目加以创新应用，做出创新型作品。每个项目在老师的教学和指导下完成，根据项目制定的要求，学生完成一个作品，老师根据作品的实现功能和完善程度确定学生对理论知识的掌握情况，老师根据反馈情况对教学内容的进行迭代和改进。

2）SPOC+雨课堂的混合式教学模式改革

为了丰富课堂教学，有效的利用学生的第二课堂，学生充分利用智能设备随处学习，学院根据学校的数字化校园间和规划和要求，建设了SPOC在线教学平台，平台包括多数专业核心课程资源，每门课程包含教学大纲，教学计划，教学ppt，教学视频，在线作业，在线实验，在线考试，教学知识点配套阅读材料，以及老师和学生互动交流区、作业提交系统和数据分析统计功能。在上课之前，老师通过学堂在线提供多终端教学工具雨课堂，结合SPOC平台提供的学习材料，组织课前预习内容，主要包括知识点小视频、知识点介绍材料和课前小测试等内容，老师在雨课堂平台通过微信直接把学习材料推送给同学，并给每个同学进行定时提醒，同时雨课堂对学生课前预习情况的数据进行记录。老师根据学生课前预习的数据，对没有预习的学生，或者完成不好的学生，给出预警和提醒，并在此督促学生利用雨课堂和SPOC平台进行预习和相关材料进行阅读。

老师授课采用雨课堂的模式进行授课，老师按照项目化的要求重新制作多媒体课件。按照CDIO的工程教育的要求，对每个项目进行构思讲解，让学生掌握项目的创意、设计思路，设计的重难点，需要重点解决的问题，开发的步骤，测试的步骤，预期的结果和产品说明书的撰写等工作[9]。在课堂上，任课教师根据项目开发的需要，利用雨课堂对学生进行分组，按照分组的模式对项目进行学习、讨论和开发。老师根据项目讲解和开发的流程和进度，设计互动式的在线知识点考察，学生利用智能设备，借助雨课堂和微信工具，学生可以和老师进行互动式答题，雨课堂记录学生课堂学习和测试的所有数据，并根据学生的答题数据，给出优秀学生和预警学生的信息，老师可以根据这些数据，针对具体学生的情况进行辅导，及时发现授课存在的问题，进行教学内容修正，从而更好地促进教学。

课后，学生可以通过SPOC在线平台提供的模拟实验环境进行项目仿真，通过试题库进行练习，通过考试系统进行课堂小测试，检测学生对知识点的掌握情况。在创新的第二课堂中，项目组中的同学可以在SPOC平台上做观看教学视频，阅读相关材料，进行项目的设计，开发和仿真，为后续的实验操作、作品设计打下基础[10]。教师可以通过雨课堂在线平台，把每节课的知识点的复习资料、练习题目和相关材料，直接推送给学生.学生可以直接在智能设备上答题，在雨课堂进行数据统计，对没及时复习的学生给出预警报告，并督促学生完成作业。通过收集学生的课堂学习数据，分析学习数据，从而改进各个环节的教学，图1为学生一次上课的教学数据。

3）分组教学模式，培养团队协作精神

基于CDIO模式的嵌入式系统课程的教学以项目化模式划分，将理论教学内容的40学时分为8个子项目，分别为：理论课程中的每个子项目在完成内容授课后，学生可以在SPOC平台进行项目的再学习和交流分享，可以把重难点问题进行讨论，沟通和交流，老师根据交流区收集的数据，对项目的开发及时跟进。在实践教学过程中，采用分组形式完成每个实践子项目，每完成一步，可以通过雨课堂提交完成情况，最后把作品及相关资料提交到SPOC平台评价系统中。老师在实践教学过程中，组织项目的演示和答辩，并让同学讨论和评价，并查看提交的文档资料，通过组间，组内和老师的成绩，决定作品的总成绩。通过工程化的项目开发训练，不仅锻炼了学生实操能力外，还培养学生的团队合作、分析问题、解决问题和综合应变等能力，从而提高学生的综合素质。在课程的实训教学过程中，尤其是综合项目的开发，主要聘请企业导师授课为主，任课教师授课为辅，校企有機的结合，将企业中高效的项目化管理方式和先进的开发方法引入课堂，提高学生的工程实践能力和项目开发能力，为学生的职业生涯搭建一座桥梁，快速适应职场的能力要求。

4）构建协同育人模式，提升工程实践能力

目前，教育部广泛开展由企业参与的协同育人项目，项目涉及课程建设、实践基地建设、师资培训等方面，从国家层面上加强校企协同育人模式建设，保证协同育人项目的顺利进行。人才培养计划是否符合人力资源对工作岗位技能的需求，用人单位的意见最具有说服力，学校在制定培养方案的时候，组成“校、政、企”三方协同培养机构，在人才培养方案制定时广泛征集企业的意见，充分分析人社部就业调查报告数据，制定符合人才市场需求的培养方案。学校联合企业专家对具体的课程的教学计划、教学内容和重难点知识进行讨论，把企业对人才的需求写进具体的培养课程，形成特色专业课程，增加企业的参与度。为了进一步推动协同育人项目的进行，课程组与企业共同编写嵌入式系统开发技术特色教材，将企业的实际开发案例和工程项目写入教材中，让学生能够快速融人项目开发中，提升学生的工程实践能力。学院申请教育部协同育人项目数据统计图，如图2所示。

结合学校自身优势，积极构建协同育人的实践教学基地，发挥企业在实习实践条件上的优势，共建校企联合的嵌入式系统实验室、实践基地。学校根据培养方案，组织大三的学生进行集中实训实践活动，由企业和学校联合制定培养计划，培养方案，培养案例，由企业组织专业工程师进行培训，通过近三年的校企联合实训，学生在嵌入式系统开发的知识面得到拓宽，工程应用能力加强，工程实践能力提升。嵌入式集中实训的内容如图3所示。

5）以赛促学，以赛促改

通过申请教育部协同育人课程体系建设项目、协同育人创新实践基地建设项目，对嵌入式系统课程的教学内容进行了改革，并建设了嵌入式系统综合实训创新基地，设立了工程设计创新实验室。学生在嵌入式系统实训基地进行项目的实践教学，把科研项目带到教学中，利用项目化进行学习和开发，每个学习小组需要独立完成各个子项目的设计与开发，有效培养学生思考能力、动手能力和创新能力。师生团队通过协同创新中心的历练，专业能力得到很大提升，在各级大学生创新创业竞赛、挑战杯、电子设计竞赛、计算机作品大赛等相关赛事中，学生们崭露头角，竞赛成绩显著提升。图4为最近三年参加竞赛的数据：

6）建设以大数据为基准的考评体系

历年的课程考评主要由平时成绩、期中成绩、实验考试成绩、实验报告和期末考试成绩构成，这样的考评方式具有一定的局限性，因为没有注重学生的学习过程数据，学生的工程实践创新能力和团队协作能力，因此必须对学生的考评体系进行适当的改革，来适合工程教育的创新教学模式。

科学的考评方式应该更加关注学生的过程学习数据，通过雨课堂在线学习平台，收集学生的在线学习过程数据;利用SPOC平台收集学生在第二课堂的学习数据;根据项目的开发过程收集项目开发数据;通过期末考试，收集掌握学生的基础知识学习情况。通过四方面的数据，构建学生期末成绩计算模型，从而科学、系统的记录学生的学习成绩，便于后期的教学改进和迭代。

学生的总评成绩由课堂学习数据，第二课堂学习数据、团队协作、作品成绩和期末考试组成。通过雨课堂在线平台收集学生的课前预习、课堂互动、课后自测、作业提交数据，根据模型生成课堂学习成绩;通过SPOC平台收集学生第二课堂的自学数据，根据学生的点击流和平台的操作时间，利用成绩模型，形成自学能力成绩;在项目团队的开发过程中，各个团队根据开发的进度和协作度对各个团队进行打分，项目组内部根据成员的协作度和贡献度进行相互评分;作品的展示、答辩和文档的提交环节占总成绩的10%，作品的功能和创新能力占总评成绩的10%;期末考试占整个总评成绩的30%，用于检测学生对基本概念的掌握和使用情况。把学生的每个环节、每个步骤的数据都记录下来，通过平台提供的计分模型自动生成期末成绩，保证成绩的真实客观性，也能够客观反映学生学习的真实情况。通过收集学生的学习过程数据，建立科学的考评标准，通过分析数据，发现教学中存在的问题、学生学习过程中存在的问题、团队合作能力和工程应用中存在的问题，从而促进教学实施过程的改革，形成良性的教学循环。

4 结语

为了改变嵌入式系统课程教学中存在的问题，引入CDIO工程教育模式，从重构教学内容、教学方法、教学模式、教学创新、实践基地建设和课程评价体系等方面对课程进行改革。采用项目式驱动的混合教学模式，将课程知识点进行项目化，利用混合式教学方法进行教学;利用学校建设的SPOC网络教学平台，提供了学生自学和应用的第二课堂;通过建立校企协同育人平台，引入企业项目和企业导师，共同设计教学内容，提升学生的工程实践能力;通过与企业协同成立创新中心，培养学生的创新应用能力，通过竞赛促进教学，通过教学提升比赛;建立科学的评价体系，利用记录学生的过程学习数据，生成学生的总评成绩，科学、客观地反应了学生的综合工程应用能力。为了进一步探索CDIO工程教育模式，今后将重点研究嵌入式系统的工程教育方法的改革和实践。

参考文献：

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[10]姜万昌，郭树强，苏畅，霍光，王敬东.CDIO模式下软件专业工程类课程体系优化研究[J]，无线互联科技，2020，17（7）：90-91.

【通联编辑：王力】

基金项目：教育部科技发展中心产学研创新基金项目（2018A02049）;重庆工商大学重点开放项目（KFJJ2019106），重庆市教育科学规划项目（2018-GX-348）;重庆工商大学自然科学基金项目（1752006）;重庆市高等教育教学改革研究項目（项目编号：193142）;重庆工商大学教改项目（项目编号：2018222）

作者简介：朱超平（1977-）男，四川邻水人，讲师，硕士研究生，主要研究方向：物联网技术和智能计算。

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