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摘 要 嵌入式系统是一门综合性较强的计算机、电气类专业课。以CDIO工程教育理念为指导，优化课程教学过程，以课程知识体系分层延展和启发式教学的形式引导学生更好地掌握嵌入式系统开发的方法和技巧，提高教学质量。
关键词 嵌入式系统；CDIO工程教育；知识体系
中图分类号：G642.1 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）36-0100-02
嵌入式系统课程主要讲授嵌入式系统的原理及应用开发技术，是一门综合性、实践性很强的课程，其教学内容包括硬件和软件等多方面的知识，涉及多门相关课程。在传统的专业课程教学中，强调理论知识的完整性和系统性，重点放在讲授嵌入式系统相关知识的科学原理和抽象编程，知识的综合程度和实践力度均不够，很难培养学生主动学习的兴趣。同时，由于嵌入式技术领域的快速发展性，这就要求很多新的教学内容和思想需及时地充实到课程中，要求学生学习掌握的相关知识和技术的广度和难度都较高。采用传统的教学方法教学，学生难以快速掌握嵌入式系统的开发技术。因此，在嵌入式课程教学中引入CDIO模式，以新型教学理念为指导，以师资建设为依靠，以优化教学方法为手段，以教学内容改革为切入点，通过工程项目驱动、计算思维主导、知识体系层次化和综合实训培养，引导学生掌握嵌入式系统开发的方法和技巧，提高教学质量，培养学生自主学习的能力和创新实践能力。
1 CDIO与嵌入式教学目标
CDIO工程教育模式是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学在Wallenberg基金会资助下于2004年创立的一种基于工程教育改革的新型教育模式。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是近年来国际工科教育改革的最新成果。国内于2008年左右推行CDIO教育模式，通过校企合作、致用教学和加强对学生实际训练的途径，创新本科工程教育，以培养能满足社会实际需求的工程技术人才，是“卓越工程师培养计划”的重要保障手段之一。CDIO教育理念是以从产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程内容和相关知识体系之间有机联系的方式学习工程。
通过对CDIO标准体系的分析，结合嵌入式课程实践性、综合性强的特点，将CDIO模式贯穿到嵌入式课程教学中，明确课程教学目标：围绕工程项目组织学生团队，教育工程系统的概念，将设计与操作结合，将学习与执行结合，将创新与协作结合，建构一个新的整合性的教育过程；在技术基础上给学生提供更多的工程与系统的知识，灌输对自身工作重要性和策略价值的认知，培养具备一定新产品、新系统的创造与研发能力的工程师和研究者。
2 施教与受教
CDIO培养大纲将工程学生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求通过综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定的目标。因此，在教学中将技术理论与工程理论相集成，将科研项目尤其是产学研项目与教学实践相结合，将工程经验与教学过程相融合，以经过教师一定调整后的工程项目为切入，将设计制作经验融入教学过程。通过课内的理论与实践集成、课后的实践与项目集成，以学生独立和分组实践简单问题求解和设计练习为主要作业，引发学生对专业的兴趣并加强学习工程的动机，实现施教的经验型教学和受教的主动性学习。
在教学场景的组织上，根据条件就现有教学场地加以改造，自课程开设以来，学院购置嵌入式实验平台和周边设备70套以及相关软件平台，组建了专门的嵌入式实验室，并实现开放式管理，让学生方便地接触各种现代工程工具。通过课内实验与课后实践相结合的方法，实现学生经验型模仿到主动性研究的提高。
3 课程内容组织与项目选择
CDIO工程培养理论要求教学内容符合工程职场实践的框架结构，教学过程论及产品和系统构建，培养产业需要的个人和人际的基本能力。因此，要通过课程教学培养工科学生明确嵌入式工程师的任务和责任，使之能用专业知识完成“设计—制作”任务。对课程教学内容进行改革：将理论教学与实际工程应用项目相结合。以工程概论为指导，根据嵌入式系统的知识体系结构，将工程应用分解成与各知识结构层面相应的应用子项目案例。围绕各子项目，课堂教学将工程理论贯穿于概念设计、产品设计与实现过程；将嵌入式系统的技术基础与系统构建相结合，与电子电路、C语言编程及操作系统等关联课程知识相结合。结合开发性实验室环境，依托各个子项目，通过课后实践训练，让学生在一定的难度和强度范围内，完成包括“需求分析、系统设计、系统实现、系统测试和系统发布”等一般嵌入式开发和研究的各个环节，并且提交最终产品报告。
工程项目驱动教学的关键在于选择适于教学的项目。首先，工程项目与学生专业方向相关或者在项目细分时加强相应专业方向的比重，从而有效提高学生的学习兴趣。比如将小型智能家居系统用于网络工程专业学生的培养时，课程教学中增加通信与数据传输的子项目内容，而针对软件工程专业的学生则加强操作系统分析与实时性优化的子项目案例。其次，应用项目的结构清晰而不过于复杂。项目结构清晰一方面符合系统工程理论，便于学生验证工程实践的框架结构，了解系统构建过程；同时便于将项目梳理分割成与嵌入式系统知识体系相对应的各层次子项目，便于嵌入式系统技术基础教学。
4 知识体系分层与教学法
CDIO能力培养涵盖4个方面：培养学生的工程理论与技术知识、个人职业能力和职业道德、人际交流与协作能力，以及项目构思设计、实施与运作系统的能力。在此目标下，构建嵌入式系统课程教学的知识结构，如表1所示。
由于采用CDIO工程项目驱动教学过程，嵌入式课程教学中增加了工程设计与过程管理的比重，而将传统课堂教学中比重较大的嵌入式软硬件技术进行调整：针对抽象理论部分，内容上与工程设计案例相结合；对于具体而微的应用开发方法，内容上与应用项目实例相融合。课堂教学充分利用学生前期相关课程知识基础，采用新型的启发式、发散型思维教学，组织学生边讨论边学习，结合边模拟边实验的项目教学，使学生从单纯的从众型群体学习意识逐步转变成主动型个体探索型学习意识。 教学过程中，通过以工程项目为依托，将知识点融入项目中，将项目分解成一个个任务案例，并在教师指导下对案例进行分析。结合启发性教学，促进学生将其他相关课程中所学习到的知识进行转换、映射到嵌入式系统平台下，从而更深刻地体会和理解嵌入式系统中的重点理论和特点。如介绍硬件平台时，将系统结构课程的内容引入，以嵌入式实例内核验证已有理论；在讲解系统启动的汇编代码时，将之与学生二年级学过的80x86汇编作对比，引导学生把ARM指令和汇编语言的特点组织出来；在讲解嵌入式Linux开发时，通过启发和对比，让学生把已有的知识自行建构、转换到嵌入式平台上来。当然，这种启发式、发散型的教学在课堂上基本以思维点的形式传达给学生，更多的是通过课后的作业与实训，让学生自行延展与扩充，从而逐渐形成自主学习习惯和分析问题、解决问题的能力以及创造性思维能力。
5 评价体系
CDIO的评估方法是以有效的评价过程来衡量能力高低。由于嵌入式系统课程涵盖了专业理论和项目实践，因此在课程考核和能力评价时，采用阶段性考察的过程评价方式。在课程教学过程中各知识节点以及子项目展开的同时，加入不定形式的讨论与互评，以阶段性报告代替传统教学中的习题作业，以分组报告、组长日志的方式记录并考察团队，以笔试加口试的方式综合考核学生“设计—制作”能力。同时，项目实践上，结合工程应用案例，通过教师的指导，以个人或小组的方式，围绕教师分配的任务要求，通过模仿并自主设计与创新，设立与案例相近的自选项目及任务模块。在教师的引导下，各组各人完成相关任务模块，或进一步将任务模块组合成一个完整的团队项目。实践考核以项目目标为标准，基于文档证据做评判，以考核学生分析实际工程问题、组织改进并解决问题的思维能力和行动能力为主要目标，通过考核促进学生专业能力和工程实践能力的提高。
6 结语
在两年的教学实践中，通过引入CDIO理念，大大地激发学生的学习兴趣，提高了学习的主动性与积极性，为学生的社会工程素养与团队协同能力的培养种下了良好的种子。嵌入式系统课程教学也得到了学生的认同，在毕业设计环节选择嵌入式开发的学生也逐年增加，以嵌入式应用项目参加各级学生科技作品比赛也取得了较好的成绩。实践证明，综合性强的课程可以更好地结合CDIO培养模式，可以更大地激发学生的求知欲望，从而培养出勇于创新、独立进取，既有专业技能又富具社会意识的计算机类本科工程人才。
参考文献
[1]Crawley E F.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版，2009.
[2]朱华生.改进型项目教学法在嵌入式系统教学中的应用[J].南昌工程学院学报，2011，30（2）：102-103，107.
[3]许童羽，曹英丽，郑伟.分层教学法在嵌入式系统课程中的应用[J].农业科技与装备，2012（10）：89-90.
关键词 嵌入式系统；CDIO工程教育；知识体系
中图分类号：G642.1 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）36-0100-02
嵌入式系统课程主要讲授嵌入式系统的原理及应用开发技术，是一门综合性、实践性很强的课程，其教学内容包括硬件和软件等多方面的知识，涉及多门相关课程。在传统的专业课程教学中，强调理论知识的完整性和系统性，重点放在讲授嵌入式系统相关知识的科学原理和抽象编程，知识的综合程度和实践力度均不够，很难培养学生主动学习的兴趣。同时，由于嵌入式技术领域的快速发展性，这就要求很多新的教学内容和思想需及时地充实到课程中，要求学生学习掌握的相关知识和技术的广度和难度都较高。采用传统的教学方法教学，学生难以快速掌握嵌入式系统的开发技术。因此，在嵌入式课程教学中引入CDIO模式，以新型教学理念为指导，以师资建设为依靠，以优化教学方法为手段，以教学内容改革为切入点，通过工程项目驱动、计算思维主导、知识体系层次化和综合实训培养，引导学生掌握嵌入式系统开发的方法和技巧，提高教学质量，培养学生自主学习的能力和创新实践能力。
1 CDIO与嵌入式教学目标
CDIO工程教育模式是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学在Wallenberg基金会资助下于2004年创立的一种基于工程教育改革的新型教育模式。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是近年来国际工科教育改革的最新成果。国内于2008年左右推行CDIO教育模式，通过校企合作、致用教学和加强对学生实际训练的途径，创新本科工程教育，以培养能满足社会实际需求的工程技术人才，是“卓越工程师培养计划”的重要保障手段之一。CDIO教育理念是以从产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程内容和相关知识体系之间有机联系的方式学习工程。
通过对CDIO标准体系的分析，结合嵌入式课程实践性、综合性强的特点，将CDIO模式贯穿到嵌入式课程教学中，明确课程教学目标：围绕工程项目组织学生团队，教育工程系统的概念，将设计与操作结合，将学习与执行结合，将创新与协作结合，建构一个新的整合性的教育过程；在技术基础上给学生提供更多的工程与系统的知识，灌输对自身工作重要性和策略价值的认知，培养具备一定新产品、新系统的创造与研发能力的工程师和研究者。
2 施教与受教
CDIO培养大纲将工程学生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求通过综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定的目标。因此，在教学中将技术理论与工程理论相集成，将科研项目尤其是产学研项目与教学实践相结合，将工程经验与教学过程相融合，以经过教师一定调整后的工程项目为切入，将设计制作经验融入教学过程。通过课内的理论与实践集成、课后的实践与项目集成，以学生独立和分组实践简单问题求解和设计练习为主要作业，引发学生对专业的兴趣并加强学习工程的动机，实现施教的经验型教学和受教的主动性学习。
在教学场景的组织上，根据条件就现有教学场地加以改造，自课程开设以来，学院购置嵌入式实验平台和周边设备70套以及相关软件平台，组建了专门的嵌入式实验室，并实现开放式管理，让学生方便地接触各种现代工程工具。通过课内实验与课后实践相结合的方法，实现学生经验型模仿到主动性研究的提高。
3 课程内容组织与项目选择
CDIO工程培养理论要求教学内容符合工程职场实践的框架结构，教学过程论及产品和系统构建，培养产业需要的个人和人际的基本能力。因此，要通过课程教学培养工科学生明确嵌入式工程师的任务和责任，使之能用专业知识完成“设计—制作”任务。对课程教学内容进行改革：将理论教学与实际工程应用项目相结合。以工程概论为指导，根据嵌入式系统的知识体系结构，将工程应用分解成与各知识结构层面相应的应用子项目案例。围绕各子项目，课堂教学将工程理论贯穿于概念设计、产品设计与实现过程；将嵌入式系统的技术基础与系统构建相结合，与电子电路、C语言编程及操作系统等关联课程知识相结合。结合开发性实验室环境，依托各个子项目，通过课后实践训练，让学生在一定的难度和强度范围内，完成包括“需求分析、系统设计、系统实现、系统测试和系统发布”等一般嵌入式开发和研究的各个环节，并且提交最终产品报告。
工程项目驱动教学的关键在于选择适于教学的项目。首先，工程项目与学生专业方向相关或者在项目细分时加强相应专业方向的比重，从而有效提高学生的学习兴趣。比如将小型智能家居系统用于网络工程专业学生的培养时，课程教学中增加通信与数据传输的子项目内容，而针对软件工程专业的学生则加强操作系统分析与实时性优化的子项目案例。其次，应用项目的结构清晰而不过于复杂。项目结构清晰一方面符合系统工程理论，便于学生验证工程实践的框架结构，了解系统构建过程；同时便于将项目梳理分割成与嵌入式系统知识体系相对应的各层次子项目，便于嵌入式系统技术基础教学。
4 知识体系分层与教学法
CDIO能力培养涵盖4个方面：培养学生的工程理论与技术知识、个人职业能力和职业道德、人际交流与协作能力，以及项目构思设计、实施与运作系统的能力。在此目标下，构建嵌入式系统课程教学的知识结构，如表1所示。
由于采用CDIO工程项目驱动教学过程，嵌入式课程教学中增加了工程设计与过程管理的比重，而将传统课堂教学中比重较大的嵌入式软硬件技术进行调整：针对抽象理论部分，内容上与工程设计案例相结合；对于具体而微的应用开发方法，内容上与应用项目实例相融合。课堂教学充分利用学生前期相关课程知识基础，采用新型的启发式、发散型思维教学，组织学生边讨论边学习，结合边模拟边实验的项目教学，使学生从单纯的从众型群体学习意识逐步转变成主动型个体探索型学习意识。 教学过程中，通过以工程项目为依托，将知识点融入项目中，将项目分解成一个个任务案例，并在教师指导下对案例进行分析。结合启发性教学，促进学生将其他相关课程中所学习到的知识进行转换、映射到嵌入式系统平台下，从而更深刻地体会和理解嵌入式系统中的重点理论和特点。如介绍硬件平台时，将系统结构课程的内容引入，以嵌入式实例内核验证已有理论；在讲解系统启动的汇编代码时，将之与学生二年级学过的80x86汇编作对比，引导学生把ARM指令和汇编语言的特点组织出来；在讲解嵌入式Linux开发时，通过启发和对比，让学生把已有的知识自行建构、转换到嵌入式平台上来。当然，这种启发式、发散型的教学在课堂上基本以思维点的形式传达给学生，更多的是通过课后的作业与实训，让学生自行延展与扩充，从而逐渐形成自主学习习惯和分析问题、解决问题的能力以及创造性思维能力。
5 评价体系
CDIO的评估方法是以有效的评价过程来衡量能力高低。由于嵌入式系统课程涵盖了专业理论和项目实践，因此在课程考核和能力评价时，采用阶段性考察的过程评价方式。在课程教学过程中各知识节点以及子项目展开的同时，加入不定形式的讨论与互评，以阶段性报告代替传统教学中的习题作业，以分组报告、组长日志的方式记录并考察团队，以笔试加口试的方式综合考核学生“设计—制作”能力。同时，项目实践上，结合工程应用案例，通过教师的指导，以个人或小组的方式，围绕教师分配的任务要求，通过模仿并自主设计与创新，设立与案例相近的自选项目及任务模块。在教师的引导下，各组各人完成相关任务模块，或进一步将任务模块组合成一个完整的团队项目。实践考核以项目目标为标准，基于文档证据做评判，以考核学生分析实际工程问题、组织改进并解决问题的思维能力和行动能力为主要目标，通过考核促进学生专业能力和工程实践能力的提高。
6 结语
在两年的教学实践中，通过引入CDIO理念，大大地激发学生的学习兴趣，提高了学习的主动性与积极性，为学生的社会工程素养与团队协同能力的培养种下了良好的种子。嵌入式系统课程教学也得到了学生的认同，在毕业设计环节选择嵌入式开发的学生也逐年增加，以嵌入式应用项目参加各级学生科技作品比赛也取得了较好的成绩。实践证明，综合性强的课程可以更好地结合CDIO培养模式，可以更大地激发学生的求知欲望，从而培养出勇于创新、独立进取，既有专业技能又富具社会意识的计算机类本科工程人才。
参考文献
[1]Crawley E F.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版，2009.
[2]朱华生.改进型项目教学法在嵌入式系统教学中的应用[J].南昌工程学院学报，2011，30（2）：102-103，107.
[3]许童羽，曹英丽，郑伟.分层教学法在嵌入式系统课程中的应用[J].农业科技与装备，2012（10）：89-90.