嵌入式系統課程實(shí)驗教學(xué)探索論文
摘要：針對目前嵌入式方向課程實(shí)驗教學(xué)存在的問(wèn)題，引入CDIO教學(xué)理念，并根據“構思、設計、實(shí)現、運作”的教育方向，以培養工程型人才為目標，以項目化的實(shí)驗教學(xué)內容為主體，在實(shí)驗教學(xué)中采用合理的考核方案，強化學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力，提升學(xué)生的團隊協(xié)作意識，從而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。
關(guān)鍵詞：CDIO；嵌入式系統；實(shí)驗教學(xué)
作為向社會(huì )輸送工程型人才的高等院校，人才培養方向應以具有創(chuàng )新工程意識與工程能力為主體，在教育教學(xué)過(guò)程中，應不斷加強實(shí)驗與工程實(shí)踐，使學(xué)生在學(xué)習專(zhuān)業(yè)知識的同時(shí)，實(shí)踐能力也得以鍛煉，從而培養出理論知識扎實(shí)、實(shí)踐能力過(guò)硬的全面素質(zhì)人才[1]。計算機科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向課程是軟硬件結合的專(zhuān)業(yè)課程，要求學(xué)生不僅要對硬件原理非常清楚，擅長(cháng)定義各種硬件接口，而且對復雜軟件系統也要信手拈來(lái)。而目前嵌入式方向課程的開(kāi)展存在著(zhù)學(xué)生在學(xué)習大量理論課程后，由于各種原因，很難通過(guò)實(shí)驗與實(shí)踐環(huán)節達到理論與實(shí)踐相結合的問(wèn)題。
1CDIO模式的特點(diǎn)
CDIO工程教育模式在近些年來(lái)被國際工程教育改革廣泛應用，代表構思(Conceive)、設計(Design)、實(shí)現(Implement)和運作(Operate)，它們的有機結合構成了CDIO工程理念[2]。CDIO模式要求讓每一位學(xué)生能夠以主動(dòng)、合作、實(shí)踐有機結合的方式學(xué)習，從而提升學(xué)生的工程理論能力，累積工程實(shí)踐經(jīng)驗。目前國內外的大學(xué)都在嘗試將CDIO模式運用到實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)中[3]。因為CDIO模式本身注重實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節，并注重培養學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手的能力，它和時(shí)下所倡導的“學(xué)以致用”培養目標高度吻合，從而受到各高等院校的高度關(guān)注，廣泛地應用于教育教學(xué)中[4]。
2嵌入式方向課程實(shí)驗教學(xué)現狀
嵌入式方向課程包括嵌入式系統概論、SOPC原理及應用、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)等一系列課程，課程最主要特點(diǎn)就是內容較抽象，其理論性、實(shí)踐性、綜合性和應用性都很強。實(shí)驗環(huán)節擔負著(zhù)升華理念知識的重擔，它也將為學(xué)生未來(lái)從事嵌入研發(fā)工作奠定良好基礎。但目前嵌入式教學(xué)存在實(shí)驗教學(xué)陳舊、設備單一等一系列問(wèn)題，使學(xué)生仍停留于“照葫蘆畫(huà)瓢”式實(shí)踐模式，缺少分析問(wèn)題的過(guò)程，也沒(méi)有創(chuàng )新環(huán)節。
2.1重理論、輕實(shí)驗
隨著(zhù)教學(xué)改革的不斷深入，教學(xué)大綱也在隨之調整修訂，在這個(gè)過(guò)程中實(shí)驗實(shí)踐課時(shí)在不斷地縮減。大家把側重點(diǎn)放在課堂教學(xué)上，注重理論課的教學(xué)，強調讓學(xué)生在足夠的學(xué)時(shí)中學(xué)到系統的理論知識，從而導致實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節只能在有限的課時(shí)內完成。這樣學(xué)生很難在較短的課時(shí)內完成具有一定難度、設計性、綜合應用性較強的實(shí)驗項目，使得學(xué)生無(wú)法對理論知識進(jìn)行綜合應用，直接影響到解決實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。
2.2實(shí)驗教學(xué)方式陳舊
目前的實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)仍沿用以教師為主體、學(xué)生為輔的教授方式[6]。學(xué)生在實(shí)驗室中，聽(tīng)從教師指導，然后遵照實(shí)驗指導書(shū)上的內容，按步驟完成指定內容，觀(guān)察實(shí)驗現象，根本無(wú)法發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng )新性。嵌入式方向課程要求學(xué)生的軟件硬件知識的緊密結合、相互配合，特別在實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節，對學(xué)生的動(dòng)手能力與技巧、創(chuàng )新精神與能力要求較高。但是在這樣的教學(xué)模式下，難以發(fā)揮學(xué)生本身的潛能，也難以調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣及學(xué)習熱情。
2.3實(shí)驗設備單一及維護問(wèn)題
嵌入式方向實(shí)驗課屬于硬件課程，不僅對計算機配置要求高，還要有課程配套的實(shí)驗設備。嵌入式實(shí)驗箱一般主核心元器件均已固定，實(shí)驗箱劃分為多個(gè)功能模塊。實(shí)驗時(shí)，學(xué)生通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件下載或是將編寫(xiě)好的程序燒錄到Flash芯片即可完成實(shí)驗。實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節中受到如此實(shí)驗設備的限制，基礎驗證性?xún)热荼戎剌^大，缺乏綜合性與創(chuàng )新性，與工程項目聯(lián)系不大，理論與實(shí)踐存在較大偏差；即使教師對實(shí)驗項目有新的開(kāi)發(fā)，也很難加入到現有實(shí)驗課程中。在實(shí)驗中學(xué)生對于關(guān)鍵的器件接口引腳往往不清楚，有時(shí)出現錯誤操作導致芯片燒毀，由于經(jīng)費原因，導致維護困難，從而實(shí)驗設備的損壞率在逐年增高。
2.4實(shí)驗課程考核
實(shí)驗課程的考核基本上以實(shí)驗結果為考核內容，而實(shí)驗過(guò)程被忽視。學(xué)生只要機械地按照指導書(shū)上的實(shí)驗步驟嚴格執行，就可以完成實(shí)驗內容，這樣的實(shí)驗教學(xué)很難考核到學(xué)生的能力。實(shí)驗課上會(huì )出現有些學(xué)生渾水摸魚(yú)，有些能力強的學(xué)生感覺(jué)內容太簡(jiǎn)單不屑于完成；對于實(shí)驗結果達標的學(xué)生，教師也難以判斷其個(gè)人能力的好壞。另外由于大方向上的“重理論、輕實(shí)驗”，實(shí)驗課的成績(jì)目前僅占期末總成績(jì)的10%。學(xué)生不在意實(shí)驗分數，也導致了實(shí)驗考核往往達不到督促學(xué)生學(xué)習的目的。
3CDIO模式下嵌入式方向實(shí)驗課研究
在CDIO工程理念的指導下，結合計算機專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)及專(zhuān)業(yè)培養方向，將嵌入式方向實(shí)驗教學(xué)與工程項目相互結合起來(lái)，在相關(guān)競賽、項目化及任務(wù)驅動(dòng)等教學(xué)模式下，將過(guò)程考核運用到實(shí)驗考核評價(jià)中，重新構造嵌入式方向實(shí)驗教學(xué)體系，更好地應用于實(shí)驗教學(xué)研究與改革中。
3.1項目化教學(xué)模式
根據CDIO教育理念，將畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個(gè)人能力、團隊能力以及工程系統能力4個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達到預定目標。因此合理的實(shí)驗與實(shí)踐教學(xué)模式可以充分體現項目化的教學(xué)理念，從多層面培養，使學(xué)生在做中學(xué)，在做中提高。近幾年，在CDIO教育理念指導下，學(xué)生完成任務(wù)分別從CDIO所倡導的“構思—設計—實(shí)現—運行”四方面進(jìn)行。構思—教師最初布置案例，學(xué)生根據項目要求做需求分析，提交研究設計方案；設計—教師在批準研究方案后，學(xué)生根據案例內容，再細化內容，詳細做出概念設計、邏輯設計及執行方案；實(shí)現—學(xué)生根據方案中每一步驟的內容分別實(shí)施，此時(shí)教師在學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)可做指導；運行—學(xué)生在規定學(xué)時(shí)內完成設計，進(jìn)行驗收答辯，撰寫(xiě)項目報告。嵌入式方向實(shí)驗項目通常分為驗證型、設計型、綜合型、創(chuàng )新型，首先學(xué)生具備一定理論知識后進(jìn)入實(shí)驗室，實(shí)驗教師根據教學(xué)內容及要求將一個(gè)完整的案例作為實(shí)驗項目分配給學(xué)生，學(xué)生將項目分解成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊內容可能是以往的一個(gè)實(shí)驗項目，學(xué)生通過(guò)完成每個(gè)模塊所對應實(shí)驗項目從而熟悉實(shí)驗平臺。這些模塊之間是密切相關(guān)的，通常前一個(gè)實(shí)驗是后一個(gè)的基礎，也凸顯了項目開(kāi)發(fā)的連續性。有時(shí)也需要多方向課程相互配合，相互支撐。例如：酒店點(diǎn)菜系統需要鍵盤(pán)實(shí)驗、LCD顯示實(shí)驗、GUI界面設計實(shí)驗、μC/OS-Ⅱ操作系統移植、Zigbee技術(shù)等，這些內容涉及多門(mén)課程。作為此類(lèi)大案例，學(xué)生不僅要對嵌入式相關(guān)的知識熟諳，還需要一定的項目合作能力。通常實(shí)驗教師在第一次課布置項目?jì)热�，將學(xué)生分成若干項目組，各項目組學(xué)生根據內容合理地分成多個(gè)模塊，分配給組員，通過(guò)查閱國內外資料、大量閱讀相關(guān)書(shū)籍，在教師規定時(shí)間內容完成各自模塊的程序調試、接口驅動(dòng)、編譯下載等，然后學(xué)生再一起進(jìn)行彼此間的鏈接、整合等直至項目調試通過(guò)。學(xué)生在這段時(shí)間內，要求定期向教師匯報進(jìn)度，教師對學(xué)生項目進(jìn)行過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行指導。項目在規定時(shí)間內完成，學(xué)生需要以組為單位上交一份詳盡的項目報告。實(shí)驗教學(xué)通過(guò)這種項目化的教學(xué)模式，使學(xué)生能夠更深刻地掌握理論知識，提升動(dòng)手能力、實(shí)踐能力，從而提高學(xué)習的主動(dòng)性，培養團隊合作能力。使實(shí)驗教學(xué)真正達到理論與實(shí)踐相結合、與工程實(shí)際貼近的目標。
3.2開(kāi)展大賽模式
嵌入式方向課程需要良好的C語(yǔ)言基礎，同時(shí)C語(yǔ)言也是其他方向課程的基礎，所以我院對計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生在大一就開(kāi)設了C語(yǔ)言、JAVA語(yǔ)言課程等，并開(kāi)展院、校級ACM程序設計大賽，選拔成績(jì)優(yōu)異者參加更高一級競賽，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情和挑戰欲望。這樣讓新生大一時(shí)就開(kāi)始接觸計算機基礎語(yǔ)言設計，為后續課程奠定基礎。學(xué)生到大三以后，專(zhuān)業(yè)課程陸續開(kāi)設，學(xué)校學(xué)院還會(huì )在每學(xué)期舉辦專(zhuān)業(yè)性大賽，也會(huì )組隊參加省、國家級比賽。例如學(xué)校會(huì )在開(kāi)學(xué)初舉辦ACM程序設計大賽、嵌入式大賽等，學(xué)生通過(guò)這些比賽將所學(xué)多學(xué)科知識融會(huì )貫通，以項目的形式開(kāi)展，最后以成果形式展現，不僅提高學(xué)生項目合作能力，也開(kāi)拓學(xué)生的視野，使學(xué)生能夠正視自己的優(yōu)點(diǎn)與差距，增長(cháng)見(jiàn)識。
3.3合理的考核方式
CDIO提倡多樣化的考核方式，于是根據不同項目的內容，分為項目劃分、階段成果、任務(wù)完成情況、答辯時(shí)的表述能力、項目報告撰寫(xiě)5個(gè)環(huán)節進(jìn)行考核，每一個(gè)環(huán)節都有考核成績(jì)，從中考核學(xué)生的技術(shù)能力、應用能力、交流能力、創(chuàng )新能力、全局觀(guān)念及團隊協(xié)作能力。學(xué)生為使每一個(gè)環(huán)節都不出現問(wèn)題，必須有嚴謹的學(xué)術(shù)態(tài)度。學(xué)生在CDIO模式下完成項目的過(guò)程中，既學(xué)會(huì )了項目劃分，也學(xué)會(huì )了硬件設計、接口驅動(dòng)、移植等，同時(shí)學(xué)會(huì )了項目報告的撰寫(xiě)規范，在答辯環(huán)節提高了對知識的表述能力，也為今后工作奠定了良好基礎。嚴格規范的考核機制，提升了學(xué)生的發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、團隊合作等能力，并逐漸領(lǐng)悟了工程設計理念。
4結語(yǔ)
在嵌入式系列課程實(shí)驗教學(xué)中引入CDIO教學(xué)模式，將實(shí)驗內容整合為項目形式，讓學(xué)生參與整個(gè)項目的“構思、設計、實(shí)現、運作”，從而對素質(zhì)教育的正確發(fā)展起到促進(jìn)作用，對創(chuàng )新型人才的培養具有積極作用，同時(shí)也使得教師的教學(xué)能力及綜合業(yè)務(wù)水平得以提升。通過(guò)將CDIO引入實(shí)驗教學(xué)，學(xué)生在獨立構思與設計過(guò)程中，實(shí)現了從被動(dòng)學(xué)習到自主學(xué)習的轉變，培養了學(xué)生工程實(shí)踐能力。在項目進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生與學(xué)生之間形成了良好的團隊協(xié)作，在相互配合中，完成項目的各部分。
參考文獻
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