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嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索論文
摘要：針對(duì)目前嵌入式方向課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，引入CDIO教學(xué)理念，并根據(jù)“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作”的教育方向，以培養(yǎng)工程型人才為目標(biāo)，以項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為主體，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用合理的考核方案，強(qiáng)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(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，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(tǒng)；實(shí)驗(yàn)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(yǎng)方向應(yīng)以具有創(chuàng)新工程意識(shí)與工程能力為主體，在教育教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，實(shí)踐能力也得以鍛煉，從而培養(yǎng)出理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐能力過(guò)硬的全面素質(zhì)人才[1]。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)嵌入式方向課程是軟硬件結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課程，要求學(xué)生不僅要對(duì)硬件原理非常清楚，擅長(zhǎng)定義各種硬件接口，而且對(duì)復(fù)雜軟件系統(tǒng)也要信手拈來(lái)。而目前嵌入式方向課程的開(kāi)展存在著學(xué)生在學(xué)習(xí)大量理論課程后，由于各種原因，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)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(guó)際工程教育改革廣泛應(yīng)用，代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，它們的有機(jī)結(jié)合構(gòu)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(jī)結(jié)合的方式學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)生的工程理論能力，累積工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外的大學(xué)都在嘗試將CDIO模式運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中[3]。因?yàn)镃DIO模式本身注重實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并注重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手的能力，它和時(shí)下所倡導(dǎo)的“學(xué)以致用”培養(yǎng)目標(biāo)高度吻合，從而受到各高等院校的高度關(guān)注，廣泛地應(yīng)用于教育教學(xué)中[4]。
2嵌入式方向課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀
嵌入式方向課程包括嵌入式系統(tǒng)概論、SOPC原理及應(yīng)用、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、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(nèi)容較抽象，其理論性、實(shí)踐性、綜合性和應(yīng)用性都很強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)擔(dān)負(fù)著升華理念知識(shí)的重?fù)?dān)，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(chǔ)。但目前嵌入式教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)陳舊、設(shè)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(jié)。
2.1重理論、輕實(shí)驗(yàn)
隨著教學(xué)改革的不斷深入，教學(xué)大綱也在隨之調(diào)整修訂，在這個(gè)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課時(shí)在不斷地縮減。大家把側(cè)重點(diǎn)放在課堂教學(xué)上，注重理論課的教學(xué)，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在足夠的學(xué)時(shí)中學(xué)到系統(tǒng)的理論知識(shí)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)只能在有限的課時(shí)內(nèi)完成。這樣學(xué)生很難在較短的課時(shí)內(nèi)完成具有一定難度、設(shè)計(jì)性、綜合應(yīng)用性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得學(xué)生無(wú)法對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，直接影響到解決實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。
2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式陳舊
目前的實(shí)驗(yàn)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(yàn)室中，聽(tīng)從教師指導(dǎo)，然后遵照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的內(nèi)容，按步驟完成指定內(nèi)容，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(shí)的緊密結(jié)合、相互配合，特別在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)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(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)熱情。
2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備單一及維護(hù)問(wèn)題
嵌入式方向?qū)嶒?yàn)課屬于硬件課程，不僅對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高，還要有課程配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。嵌入式實(shí)驗(yàn)箱一般主核心元器件均已固定，實(shí)驗(yàn)箱劃分為多個(gè)功能模塊。實(shí)驗(yàn)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(yàn)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中受到如此實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，基礎(chǔ)驗(yàn)證性?xún)?nèi)容比重較大，缺乏綜合性與創(chuàng)新性，與工程項(xiàng)目聯(lián)系不大，理論與實(shí)踐存在較大偏差；即使教師對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有新的開(kāi)發(fā)，也很難加入到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程中。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對(duì)于關(guān)鍵的器件接口引腳往往不清楚，有時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作導(dǎo)致芯片燒毀，由于經(jīng)費(fèi)原因，導(dǎo)致維護(hù)困難，從而實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞率在逐年增高。
2.4實(shí)驗(yàn)課程考核
實(shí)驗(yàn)課程的考核基本上以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為考核內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程被忽視。學(xué)生只要機(jī)械地按照指導(dǎo)書(shū)上的實(shí)驗(yàn)步驟嚴(yán)格執(zhí)行，就可以完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難考核到學(xué)生的能力。實(shí)驗(yàn)課上會(huì)出現(xiàn)有些學(xué)生渾水摸魚(yú)，有些能力強(qiáng)的學(xué)生感覺(jué)內(nèi)容太簡(jiǎn)單不屑于完成；對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)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(yàn)”，實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)目前僅占期末總成績(jī)的10%。學(xué)生不在意實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，也導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)考核往往達(dá)不到督促學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。
3CDIO模式下嵌入式方向?qū)嶒?yàn)課研究
在CDIO工程理念的指導(dǎo)下，結(jié)合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)及專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方向，將嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)與工程項(xiàng)目相互結(jié)合起來(lái)，在相關(guān)競(jìng)賽、項(xiàng)目化及任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)模式下，將過(guò)程考核運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)中，重新構(gòu)造嵌入式方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)體系，更好地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革中。
3.1項(xiàng)目化教學(xué)模式
根據(jù)CDIO教育理念，將畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力以及工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。因此合理的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)模式可以充分體現(xiàn)項(xiàng)目化的教學(xué)理念，從多層面培養(yǎng)，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(dǎo)下，學(xué)生完成任務(wù)分別從CDIO所倡導(dǎo)的“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行”四方面進(jìn)行。構(gòu)思—教師最初布置案例，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求做需求分析，提交研究設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)—教師在批準(zhǔn)研究方案后，學(xué)生根據(jù)案例內(nèi)容，再細(xì)化內(nèi)容，詳細(xì)做出概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)及執(zhí)行方案；實(shí)現(xiàn)—學(xué)生根據(jù)方案中每一步驟的內(nèi)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(dǎo)；運(yùn)行—學(xué)生在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)完成設(shè)計(jì)，進(jìn)行驗(yàn)收答辯，撰寫(xiě)項(xiàng)目報(bào)告。嵌入式方向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目通常分為驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型、創(chuàng)新型，首先學(xué)生具備一定理論知識(shí)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及要求將一個(gè)完整的案例作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分配給學(xué)生，學(xué)生將項(xiàng)目分解成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)容可能是以往的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過(guò)完成每個(gè)模塊所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從而熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些模塊之間是密切相關(guān)的，通常前一個(gè)實(shí)驗(yàn)是后一個(gè)的基礎(chǔ)，也凸顯了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的連續(xù)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(tǒng)需要鍵盤(pán)實(shí)驗(yàn)、LCD顯示實(shí)驗(yàn)、GUI界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植、Zigbee技術(shù)等，這些內(nèi)容涉及多門(mén)課程。作為此類(lèi)大案例，學(xué)生不僅要對(duì)嵌入式相關(guān)的知識(shí)熟諳，還需要一定的項(xiàng)目合作能力。通常實(shí)驗(yàn)教師在第一次課布置項(xiàng)目?jī)?nèi)容，將學(xué)生分成若干項(xiàng)目組，各項(xiàng)目組學(xué)生根據(jù)內(nèi)容合理地分成多個(gè)模塊，分配給組員，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外資料、大量閱讀相關(guān)書(shū)籍，在教師規(guī)定時(shí)間內(nèi)容完成各自模塊的程序調(diào)試、接口驅(qū)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(xiàng)目調(diào)試通過(guò)。學(xué)生在這段時(shí)間內(nèi)，要求定期向教師匯報(bào)進(jìn)度，教師對(duì)學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)。項(xiàng)目在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，學(xué)生需要以組為單位上交一份詳盡的項(xiàng)目報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)這種項(xiàng)目化的教學(xué)模式，使學(xué)生能夠更深刻地掌握理論知識(shí)，提升動(dòng)手能力、實(shí)踐能力，從而提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合、與工程實(shí)際貼近的目標(biāo)。
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(chǔ)，同時(shí)C語(yǔ)言也是其他方向課程的基礎(chǔ)，所以我院對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在大一就開(kāi)設(shè)了C語(yǔ)言、JAVA語(yǔ)言課程等，并開(kāi)展院、校級(jí)ACM程序設(shè)計(jì)大賽，選拔成績(jī)優(yōu)異者參加更高一級(jí)競(jìng)賽，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和挑戰(zhàn)欲望。這樣讓新生大一時(shí)就開(kāi)始接觸計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。學(xué)生到大三以后，專(zhuān)業(yè)課程陸續(xù)開(kāi)設(shè)，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(duì)參加省、國(guó)家級(jí)比賽。例如學(xué)校會(huì)在開(kāi)學(xué)初舉辦ACM程序設(shè)計(jì)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(shí)融會(huì)貫通，以項(xiàng)目的形式開(kāi)展，最后以成果形式展現(xiàn)，不僅提高學(xué)生項(xiàng)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(zhǎng)見(jiàn)識(shí)。
3.3合理的考核方式
CDIO提倡多樣化的考核方式，于是根據(jù)不同項(xiàng)目的內(nèi)容，分為項(xiàng)目劃分、階段成果、任務(wù)完成情況、答辯時(shí)的表述能力、項(xiàng)目報(bào)告撰寫(xiě)5個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行考核，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有考核成績(jī)，從中考核學(xué)生的技術(shù)能力、應(yīng)用能力、交流能力、創(chuàng)新能力、全局觀念及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生為使每一個(gè)環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問(wèn)題，必須有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度。學(xué)生在CDIO模式下完成項(xiàng)目的過(guò)程中，既學(xué)會(huì)了項(xiàng)目劃分，也學(xué)會(huì)了硬件設(shè)計(jì)、接口驅(qū)動(dòng)、移植等，同時(shí)學(xué)會(huì)了項(xiàng)目報(bào)告的撰寫(xiě)規(guī)范，在答辯環(huán)節(jié)提高了對(duì)知識(shí)的表述能力，也為今后工作奠定了良好基礎(chǔ)。嚴(yán)格規(guī)范的考核機(jī)制，提升了學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)合作等能力，并逐漸領(lǐng)悟了工程設(shè)計(jì)理念。
4結(jié)語(yǔ)
在嵌入式系列課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入CDIO教學(xué)模式，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合為項(xiàng)目形式，讓學(xué)生參與整個(gè)項(xiàng)目的“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作”，從而對(duì)素質(zhì)教育的正確發(fā)展起到促進(jìn)作用，對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)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(yàn)教學(xué)，學(xué)生在獨(dú)立構(gòu)思與設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)學(xué)習(xí)到自主學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生與學(xué)生之間形成了良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，在相互配合中，完成項(xiàng)目的各部分。
參考文獻(xiàn)
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