嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學(xué)探索論文
摘要：針對目前嵌入式方向課程實驗教學(xué)存在的問題，引入CDIO教學(xué)理念，并根據(jù)“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作”的教育方向，以培養(yǎng)工程型人才為目標，以項目化的實驗教學(xué)內(nèi)容為主體，在實驗教學(xué)中采用合理的考核方案，強化學(xué)生的動手能力，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(tǒng)；實驗教學(xué)
作為向社會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)新工程意識與工程能力為主體，在教育教學(xué)過程中，應(yīng)不斷加強實驗與工程實踐，使學(xué)生在學(xué)習專業(yè)知識的同時，實踐能力也得以鍛煉，從而培養(yǎng)出理論知識扎實、實踐能力過硬的全面素質(zhì)人才[1]。計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向課程是軟硬件結(jié)合的專業(yè)課程，要求學(xué)生不僅要對硬件原理非常清楚，擅長定義各種硬件接口，而且對復(fù)雜軟件系統(tǒng)也要信手拈來。而目前嵌入式方向課程的開展存在著學(xué)生在學(xué)習大量理論課程后，由于各種原因，很難通過實驗與實踐環(huán)節(jié)達到理論與實踐相結(jié)合的問題。
1CDIO模式的特點
CDIO工程教育模式在近些年來被國際工程教育改革廣泛應(yīng)用，代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)，它們的有機結(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、合作、實踐有機結(jié)合的方式學(xué)習，從而提升學(xué)生的工程理論能力，累積工程實踐經(jīng)驗。目前國內(nèi)外的大學(xué)都在嘗試將CDIO模式運用到實驗實踐教學(xué)中[3]。因為CDIO模式本身注重實驗實踐環(huán)節(jié)，并注重培養(yǎng)學(xué)生動腦、動手的能力，它和時下所倡導(dǎo)的“學(xué)以致用”培養(yǎng)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(yīng)用于教育教學(xué)中[4]。
2嵌入式方向課程實驗教學(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、嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等一系列課程，課程最主要特點就是內(nèi)容較抽象，其理論性、實踐性、綜合性和應(yīng)用性都很強。實驗環(huán)節(jié)擔負著升華理念知識的重擔，它也將為學(xué)生未來從事嵌入研發(fā)工作奠定良好基礎(chǔ)。但目前嵌入式教學(xué)存在實驗教學(xué)陳舊、設(shè)備單一等一系列問題，使學(xué)生仍停留于“照葫蘆畫瓢”式實踐模式，缺少分析問題的過程，也沒有創(chuàng)新環(huán)節(jié)。
2.1重理論、輕實驗
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，在這個過程中實驗實踐課時在不斷地縮減。大家把側(cè)重點放在課堂教學(xué)上，注重理論課的教學(xué)，強調(diào)讓學(xué)生在足夠的學(xué)時中學(xué)到系統(tǒng)的理論知識，從而導(dǎo)致實驗實踐環(huán)節(jié)只能在有限的課時內(nèi)完成。這樣學(xué)生很難在較短的課時內(nèi)完成具有一定難度、設(shè)計性、綜合應(yīng)用性較強的實驗項目，使得學(xué)生無法對理論知識進行綜合應(yīng)用，直接影響到解決實際問題的能力[5]。
2.2實驗教學(xué)方式陳舊
目前的實驗實踐教學(xué)仍沿用以教師為主體、學(xué)生為輔的教授方式[6]。學(xué)生在實驗室中，聽從教師指導(dǎo)，然后遵照實驗指導(dǎo)書上的內(nèi)容，按步驟完成指定內(nèi)容，觀察實驗現(xiàn)象，根本無法發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(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(jié)合、相互配合，特別在實驗實踐環(huán)節(jié)，對學(xué)生的動手能力與技巧、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)動學(xué)生的學(xué)習興趣及學(xué)習熱情。
2.3實驗設(shè)備單一及維護問題
嵌入式方向?qū)嶒炚n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驗設(shè)備。嵌入式實驗箱一般主核心元器件均已固定，實驗箱劃分為多個功能模塊。實驗時，學(xué)生通過開發(fā)軟件下載或是將編寫好的程序燒錄到Flash芯片即可完成實驗。實驗實踐環(huán)節(jié)中受到如此實驗設(shè)備的限制，基礎(chǔ)驗證性內(nèi)容比重較大，缺乏綜合性與創(chuàng)新性，與工程項目聯(lián)系不大，理論與實踐存在較大偏差；即使教師對實驗項目有新的開發(fā)，也很難加入到現(xiàn)有實驗課程中。在實驗中學(xué)生對于關(guān)鍵的器件接口引腳往往不清楚，有時出現(xiàn)錯誤操作導(dǎo)致芯片燒毀，由于經(jīng)費原因，導(dǎo)致維護困難，從而實驗設(shè)備的損壞率在逐年增高。
2.4實驗課程考核
實驗課程的考核基本上以實驗結(jié)果為考核內(nèi)容，而實驗過程被忽視。學(xué)生只要機械地按照指導(dǎo)書上的實驗步驟嚴格執(zhí)行，就可以完成實驗內(nèi)容，這樣的實驗教學(xué)很難考核到學(xué)生的能力。實驗課上會出現(xiàn)有些學(xué)生渾水摸魚，有些能力強的學(xué)生感覺內(nèi)容太簡單不屑于完成；對于實驗結(jié)果達標的學(xué)生，教師也難以判斷其個人能力的好壞。另外由于大方向上的“重理論、輕實驗”，實驗課的成績目前僅占期末總成績的10%。學(xué)生不在意實驗分數(shù)，也導(dǎo)致了實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?qū)嶒炚n研究
在CDIO工程理念的指導(dǎo)下，結(jié)合計算機專業(yè)的專業(yè)特點及專業(yè)培養(yǎng)方向，將嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)與工程項目相互結(jié)合起來，在相關(guān)競賽、項目化及任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)模式下，將過程考核運用到實驗考核評價中，重新構(gòu)造嵌入式方向?qū)嶒灲虒W(xué)體系，更好地應(yīng)用于實驗教學(xué)研究與改革中。
3.1項目化教學(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、個人能力、團隊能力以及工程系統(tǒng)能力4個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個層面達到預(yù)定目標。因此合理的實驗與實踐教學(xué)模式可以充分體現(xiàn)項目化的教學(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—實現(xiàn)—運行”四方面進行。構(gòu)思—教師最初布置案例，學(xué)生根據(jù)項目要求做需求分析，提交研究設(shè)計方案；設(shè)計—教師在批準研究方案后，學(xué)生根據(jù)案例內(nèi)容，再細化內(nèi)容，詳細做出概念設(shè)計、邏輯設(shè)計及執(zhí)行方案；實現(xiàn)—學(xué)生根據(jù)方案中每一步驟的內(nèi)容分別實施，此時教師在學(xué)生遇到問題時可做指導(dǎo)；運行—學(xué)生在規(guī)定學(xué)時內(nèi)完成設(shè)計，進行驗收答辯，撰寫項目報告。嵌入式方向?qū)嶒烅椖客ǔ７譃轵炞C型、設(shè)計型、綜合型、創(chuàng)新型，首先學(xué)生具備一定理論知識后進入實驗室，實驗教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及要求將一個完整的案例作為實驗項目分配給學(xué)生，學(xué)生將項目分解成多個模塊，每個模塊內(nèi)容可能是以往的一個實驗項目，學(xué)生通過完成每個模塊所對應(yīng)實驗項目從而熟悉實驗平臺。這些模塊之間是密切相關(guān)的，通常前一個實驗是后一個的基礎(chǔ)，也凸顯了項目開發(fā)的連續(xù)性。有時也需要多方向課程相互配合，相互支撐。例如：酒店點菜系統(tǒng)需要鍵盤實驗、LCD顯示實驗、GUI界面設(shè)計實驗、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植、Zigbee技術(shù)等，這些內(nèi)容涉及多門課程。作為此類大案例，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。通常實驗教師在第一次課布置項目內(nèi)容，將學(xué)生分成若干項目組，各項目組學(xué)生根據(jù)內(nèi)容合理地分成多個模塊，分配給組員，通過查閱國內(nèi)外資料、大量閱讀相關(guān)書籍，在教師規(guī)定時間內(nèi)容完成各自模塊的程序調(diào)試、接口驅(qū)動、編譯下載等，然后學(xué)生再一起進行彼此間的鏈接、整合等直至項目調(diào)試通過。學(xué)生在這段時間內(nèi)，要求定期向教師匯報進度，教師對學(xué)生項目進行過程中的問題進行指導(dǎo)。項目在規(guī)定時間內(nèi)完成，學(xué)生需要以組為單位上交一份詳盡的項目報告。實驗教學(xué)通過這種項目化的教學(xué)模式，使學(xué)生能夠更深刻地掌握理論知識，提升動手能力、實踐能力，從而提高學(xué)習的主動性，培養(yǎng)團隊合作能力。使實驗教學(xué)真正達到理論與實踐相結(jié)合、與工程實際貼近的目標。
3.2開展大賽模式
嵌入式方向課程需要良好的C語言基礎(chǔ)，同時C語言也是其他方向課程的基礎(chǔ)，所以我院對計算機專業(yè)學(xué)生在大一就開設(shè)了C語言、JAVA語言課程等，并開展院、校級ACM程序設(shè)計大賽，選拔成績優(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(zhàn)欲望。這樣讓新生大一時就開始接觸計算機基礎(chǔ)語言設(shè)計，為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。學(xué)生到大三以后，專業(yè)課程陸續(xù)開設(shè)，學(xué)校學(xué)院還會在每學(xué)期舉辦專業(yè)性大賽，也會組隊參加省、國家級比賽。例如學(xué)校會在開學(xué)初舉辦ACM程序設(shè)計大賽、嵌入式大賽等，學(xué)生通過這些比賽將所學(xué)多學(xué)科知識融會貫通，以項目的形式開展，最后以成果形式展現(xiàn)，不僅提高學(xué)生項目合作能力，也開拓學(xué)生的視野，使學(xué)生能夠正視自己的優(yōu)點與差距，增長見識。
3.3合理的考核方式
CDIO提倡多樣化的考核方式，于是根據(jù)不同項目的內(nèi)容，分為項目劃分、階段成果、任務(wù)完成情況、答辯時的表述能力、項目報告撰寫5個環(huán)節(jié)進行考核，每一個環(huán)節(jié)都有考核成績，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、全局觀念及團隊協(xié)作能力。學(xué)生為使每一個環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問題，必須有嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度。學(xué)生在CDIO模式下完成項目的過程中，既學(xué)會了項目劃分，也學(xué)會了硬件設(shè)計、接口驅(qū)動、移植等，同時學(xué)會了項目報告的撰寫規(guī)范，在答辯環(huán)節(jié)提高了對知識的表述能力，也為今后工作奠定了良好基礎(chǔ)。嚴格規(guī)范的考核機制，提升了學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、團隊合作等能力，并逐漸領(lǐng)悟了工程設(shè)計理念。
4結(jié)語
在嵌入式系列課程實驗教學(xué)中引入CDIO教學(xué)模式，將實驗內(nèi)容整合為項目形式，讓學(xué)生參與整個項目的“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作”，從而對素質(zhì)教育的正確發(fā)展起到促進作用，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極作用，同時也使得教師的教學(xué)能力及綜合業(yè)務(wù)水平得以提升。通過將CDIO引入實驗教學(xué)，學(xué)生在獨立構(gòu)思與設(shè)計過程中，實現(xiàn)了從被動學(xué)習到自主學(xué)習的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力。在項目進行過程中，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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