CDIO-OBE理念下的嵌入式系统课程改革探索与实践

摘要：嵌入式系统课程是计算机科学与技术、网络工程和电子信息工程专业学生的专业方向课，结合本校办学定位和学院最新的专业人才培养方案提出基于CDIO-OBE理念的嵌入式系统课程改革思路。首先从构建嵌入式系统课程目标与毕业要求对应关系开始，再建设多元化课程资源，以及设计CDIO式课程评价方式，最后介绍具体的教学实施环节进行改革，并持续改进以达到工程教育专业认证的标准，培养新工科背景下的应用型复合型人才。

关键词：嵌入式系统；CDIO-OBE；课程改革；工程教育；新工科

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）08-0161-04

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

0 引言

在新工科背景下，互联网+、人工智能等新技术快速发展，对计算机类和电子类专业人才培养提出了更高要求。培养具备创新实践能力和应用型职业素养的工程人才是必然趋势，也是我国工程教育专业认证体系与国际接轨的发展方向。成果导向教育（Outcome-based Education，OBE） 理念强调以学生为中心，预设学习成果，实现预期学习成果和评估学习成果，通过“反向设计”方式，针对培养目标整合优化课程体系和教学实施环节，而CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate） 模式持续改进每一个教学实施环节与新工科的要求不谋而合，体现了系统性、科学性和先进性的统一，是计算机类和电子类专业课程改革的趋势[1]。

嵌入式系统课程是计算机类学科和电子信息类的专业方向课程，为培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高，适应数字经济发展和信息社会、网络时代需要，具有良好的科学素养和创新精神，有较强的技术应用能力和一定的技术研发能力的高素质应用型复合型人才为导向[1]。

1 CDIO-OBE理念下的嵌入式系统混合教学模式建设

1.1 项目为载体，教师主导的课程教学目标优化

按照CDIO-OBE理念对嵌入式系统课程的教学目标进行了优化设计[2]。首先是培养具备公民意识和人文素养，能够适应新经济发展需要，有良好的思想品德和社会公德，较好的职业素养，敬业爱岗，精通基础知识，具有职业道德和社会责任感，富于人文情怀、工匠精神，培养社会主义建设的接班人。其次是具备独立学习能力，具有良好的数理基础，掌握嵌入式系统的基本理论和专业知识，如ARM体系结构、指令系统、存储器、Linux中基本应用程序和驱动程序的开发，毕业后能从事嵌入式系统软硬件相关的设计、开发等岗位工作。再其次是具备合作能力和沟通交流能力，具有较强的开拓创新精神和创造性思维能力，能够综合运用嵌入式系统的基础理论、专业知识、技术方法和现代工具分析和解决实际问题。最后是具备终身学习能力，能够具有基本的工程素养、团队精神、组织沟通能力和国际视野，能够继续学习新知识。

1.2 自主学习，学生为中心的获得工程应用能力

坚持CDIO-OBE理念中的以学生为中心，教师主动放权给学生，提供更多的实践、讨论、交流和线上线下相结合的学习机会[3]。充分利用超星的学习通网络教学平台，进行师生互动、线上线下讨论、团队协作等方式，改变传统的以教师为中心、重教轻学的教学模式，转变为“以学生自主学习为中心、师生互动、团队协作”的教学模式。教师可以利用学习通在课前、课中和课后布置任务，学生可自主或协作式完成任务。例如：1） 课前教师用学习通布置任务，让学生自主上网查阅华清远见FS4412开发板的相关资料，可在学习通留言；2） 课中组织学生讨论交流FS4412开发板可以支持哪些嵌入式开发；3） 课后对学生进行分组协作完成一个利用FS4412开发板实现的嵌入式应用程序开发并运行，形成完整的分组计划和程序开发文档。这种自主学习方式可让学生最大程度地获得嵌入式系统工程应用能力，进而实现工程认证的培养目标。

1.3 注重过程，多元化考核评价

嵌入式系统课程的评价不是简单的出勤、作业和期末纸质考试成绩，而是注重平时学习过程的记录，多种方式体现考核结果，比如线上参与讨论情况、课堂表现、课后任务完成情况、学习通课程资源学习情况，实践动手操作情况、利用虚拟仿真平台完成嵌入式实验等均可作为考核的内容。注重考核学生的学习过程，通过考核结果分析并反馈到学生，从而促使教师改进教学方法和教学内容等，形成一个良好的教与学相长的闭环链，最终实现嵌入式系统课程改革。

2 CDIO-OBE理念下的嵌入式系统改革措施

2.1 制定CDIO教学目标

根据CDIO-OBE理念修订教学大纲，制定嵌入式系统课程教学目标，旨在培养学生的系统设计、创新思维和工程实践能力[4]，具体为以下几方面。

1） 基础知识掌握

学生需要学习嵌入式系统的基本原理，包括嵌入式系统硬件结构、操作系统、编程语言等基本知识；理解嵌入式系统在各行各业中的应用，以及对现代社会的影响和价值所在。

2） 嵌入式系统设计与集成

通过实际项目让学生掌握如何设计、集成和测试嵌入式系统；强化学生对电子电路设计、故障排除和系统优化的理解和应用能力。

3） 创新思维培养

鼓励学生在项目中尝试新的设计理念和创新方法，培养创新思维和解决问题的能力；通过参加相关竞赛，提升学生的创新能力和团队协作精神。

4） 工程实践能力

强调“做中学”的教育理念，通过实验室操作和现场项目让学生将理论知识应用到实践中；增强学生对项目管理、工作流程和质量控制的认识，提高实际动手能力。

5） 社会责任感与伦理意识

在教学过程中融入工程伦理和社会责任的讨论，培养学生的职业道德；通过项目设计中的环保、节能等要求，提升学生对可持续发展的认识。

6） 团队合作与沟通能力

通过团队项目和小组讨论，强化学生的团队合作精神和沟通协调能力；通过与企业合作的实际项目，让学生体验团队合作在工程实践中的重要性。

7） 终身学习与适应能力

培养学生的自主学习能力，让他们能够适应快速变化的技术环境；通过持续的专业发展和学习，为学生未来的职业生涯奠定坚实的基础。

2.2 构建实训平台

嵌入式系统课程构建实训平台是一项综合性、多元化且具有高度实践性的任务。在信息技术迅猛发展的今天，嵌入式系统作为智能化时代的核心驱动力，正深刻影响着各行各业[5]。具体可以从以下多个方面来实施。

1） 构建虚实结合的实验环境

① 虚拟实验平台：通过引入虚拟现实技术，构建三维立体的实验场景，使学生能够身临其境地操控实验对象，增强实验的直观性和趣味性。

② 远程实时反馈：确保实验信息的即时传递，即使学生身处不同地点，也能获得如同亲临现场般的实验体验。

2） 开放共享的学习资源

① 平台架构：采用B/S架构，打破时间与空间的束缚，学生可以通过电脑或移动设备随时随地接入平台。

② 个性化学习：允许学生自主选择实验场景与项目，适应新生代学生的学习习惯，激发他们的自主学习和创新创造潜能。

3） 模块化的实训平台设计

① 功能模块单元：按照项目引领和任务驱动的教学模式，采取模块化、积木式的设计理念，根据不同的教学实训需求组合功能模块单元。

② 扩展功能：支持选配和定制各种传感器、执行器等来扩充功能，实现无线组网和智能互联。

4） 智能管理与资源配置优化

① 软件管理系统：内置统一的软件管理系统，实现对实验资源的集中化、智能化管理，通过“分时复用”策略优化资源配置。

② 量化评估教学质量：通过对学生实验操作细节与结果数据的记录与分析，为教师提供量化评估教学质量的依据。

5） 实训平台的灵活性与扩展性

① 前瞻性设计：充分考虑未来教学需求的变化与扩展性，支持根据实际需要增加场景化对象、优化功能模块、升级技术架构。

② 适应多种专业需求：满足电子信息、嵌入式、物联网、人工智能等多专业的核心课程日常教学、实践训练的需求。

2.3 优化教学内容

嵌入式系统课程是一门软硬件结合的课程，需要在以下方面进行优化。

1） 课程内容更新

① 整合最新处理器与平台，确保课程内容与当前技术发展同步。

② 增加物联网和智能设备开发的案例研究和实际应用。

2） 理论与实践结合

① 强化基础理论教学，同时通过实验加强理解。

② 设计项目驱动的课程任务，让学生通过实际项目应用所学知识。

3） 课程教学方法改革

① 采用混合式学习，结合线上资源和面对面教学。

② 实施小组合作学习和案例分析，增强学生的协作和问题解决能力。

4） 教材与资源更新

① 编写或更新教材，确保教材内容的现代性和实用性。

② 提供丰富的在线资料和开放源代码项目，以便学生自学和深入研究。

2.4 改进学生组织

1） 团队协作。鼓励学生以团队形式进行项目工作，培养团队合作精神和领导能力。

2） 跨学科交流。促进不同专业背景的学生合作，拓宽视野，促进知识交叉融合。

2.5 实施教学改革

基于CDIO理念的实践教学体系是提高嵌入式系统课程教学效果的关键[6]。通过设置层次化的嵌入式实践教学内容，并构建“三课堂”一体化实践育人模式，可以对实践教学体系进行柔性化改进[7]。同时，由于嵌入式系统课程内容丰富，理论和实践教学结合不够密切，不利于培养学生的学习兴趣，因此教学内容和教学方法的改革也至关重要。可以从以下方面进行改革：

1） 理论教学（第一课堂）

①  基础知识讲解：讲授嵌入式系统的基本原理，包括硬件架构、操作系统、编程语言等，可采用混合式教学方法，利用学习通平台让学生基础知识更扎实。

② 案例分析：分析典型的嵌入式系统应用案例，让学生了解理论在实际中的应用。

2） 实验教学（第二课堂）

① 实验室实践：设置与理论教学配套的实验项目，如开发环境和工具的使用、嵌入式编程练习等。

② 项目驱动学习：通过小型项目，如温度监控系统、智能家居控制等，让学生亲手设计并实现嵌入式系统。

3） 社会实践（第三课堂）

① 企业合作：与企业合作，让学生参与实际的嵌入式系统开发项目，体验真实的工作环境。

② 竞赛参与：鼓励学生参加嵌入式系统设计竞赛，如全国大学生电子设计竞赛等，提升实战能力。

2.6 加强师资队伍建设

定期对教师进行CDIO和嵌入式系统相关的专业培训，提升教学水平。聘请具有行业经验的专家和工程师担任兼职教师或讲座教授，为学生提供实战经验。

2.7 强化工程伦理和社会责任

在教学中加入工程伦理的讨论，培养学生的社会责任感和职业道德。引导学生关注嵌入式系统设计中的可持续发展问题，如环保和节能等。

2.8 课程评估方式改革

课程实施持续评估，包括项目进展、实验报告和课堂表现。引入同行评价和自我评价，培养学生的自我反思能力。

2.9 学生反馈与课程改进

定期收集学生的反馈意见，作为课程改进的依据。建立课程评估委员会，由教师和行业专家共同参与课程设计。