基于CDIO模式的ARM原理与应用课程教学改革研究
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作者:张银行 杨辉媛
摘要：“百年大计，教育为本”。工程教育的盛与衰，关乎引领未来技术和产业发展人才的诞生，为此将CDIO工程教育的理念应用到ARM原理与应用课程的教学过程，不仅是对现有课程教学体制的创新突破，更是培养高层次信息类工程型、应用型人才的重要举措。文章首先针对ARM原理与应用课程教学存在的问题进行了深入的剖析，然后探究并提出了CDIO模式下提高ARM原理与应用课程教学质量的措施，对实践CDIO教育模式的其他课程具有重要的参考价值。
关键词：工程教育;工程型;应用型;CDIO
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）40-0074-02
一、引言
ARM技术已广泛应用于工业控制领域、通信产品领域、消费电子产品领域。随着智能化电子产品的迅猛发展，以ARM技术为核心的嵌入式行业已凭借“应用领域广、就业薪水高”等优势成为当前最热门、最有发展前景的行业之一。与此同时，社会迫切需要能够对ARM体系结构的微控制器芯片进行产品开发的高级工程师。而高校作为人才培养的重要基地，其人才培养方式对人才的质量有着重要的影响。另外，CDIO（Conceive—Design—Implement—Operate）工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，它让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式来学习工程[1]，因此我们完全有必要将CDIO教育模式应用到ARM原理与应用课程的教学中。
二、ARM原理与应用课程的教学现状
ARM原理与应用涉及的先修课程主要包括模拟电路、数字电路、C语言程序设计、数据结构、汇编语言、电子电路CAD等，导致该课程的学习门槛较高，基础差的学生很难学好。另外，该门课程具有较强的实践性，学生要想学好它，必须多动手操作。虽然我校已对该课程进行了多年的教学改革，但在许多方面仍然存在诸多不足。
1.实验的经费投入不足。ARM原理与应用课程的实验全部属于高损耗的实验，在实验的过程中，学生需要经常拔插设备，导致实验器材很容易损坏。而损坏的实验设备又因经费问题不能得到及时维修、更换，致使许多学生做实验时需要共用一套设备。长此以往，这些因素严重地抑制了学生学习的积极性。
2.实验的教学工作量较少。理论教学工作量与课时数、是否新开课、教师的职称等多种因素相关，而实验教学工作量仅与实验的次数相关，且理论课时普遍是实验课时的2倍以上，这导致许多老师，特别是高职称教师不愿意上实验课。
3.实验的内容过于单一。传统的实验项目大多是验证型实验，通过简单的连线、编写代码、下载程序就可完成，且各实验项目之间彼此独立。相反，综合性、设计性实验相对较少，学生独立或以小组形式开展创新型项目的机会过少，以上因素都严重地阻碍了学生创造能力、实践能力的提高。
4.教师的绩效考核方式不合理。在ARM原理与应用课程实施CDIO教育模式后，教师需要比传统理论教学投入更多的时间和精力，但是目前大多数高校仍然以纯粹的课时数为依据来发放教师的绩效工资，而非以CDIO项目实施的质量为依据，因此现有的绩效评价体系严重地限制了教师在ARM原理与应用课程中实施CDIO教育模式的主动性和积极性。
5.学生的评价体系不合理。学生期末总成绩中各部分所占比例如下：期末考试占70%、实验成绩占20%、平时成绩占10%。期末考试所占比例较高，而实验成绩所占比例较低，这导致学生在期末时只重点复习教材，而不去熟悉做过的实验。
三、CDIO模式下提高ARM原理与应用课程教学质量的措施
1.提升教师的CDIO能力。教师以ARM处理器进行实际项目开发的能力对ARM原理与应用课程的教学效果有着重要影响[2]，一般情况是教师的教学经验丰富，但是缺乏项目开发的能力。针对不同年龄阶段、不同职称的教师，要求采取不同的举措，具体情况如下：（1）新进教师的学历较高、SCI论文的写作能力较强，但是教学经验不足、以ARM处理器为核心进行项目开发的能力也不强，因此必须要对新进教师进行岗前培训，提高他们的授课能力，还要安排专业教师对新进教师进行项目培训，以提升他们的工程实践能力。（2）打破学历的限制，直接聘请有5年以上项目经验的企业工程师到学校任教。针对企业工程师授课缺乏系统性、层次性和逻辑性的问题，要求指派校级教学名师、校级教学督导对这些转行过来的工程师进行指导，以提高他们的教学技巧、课堂组织能力。（3）就一般情况来说，45岁以上教师的理论基础扎实、课堂授课思路清晰、授课时能够突出重点、难点，但是缺乏实际项目的经验。针对此情况，要求利用暑假时间，选派他们到以ARM处理器为核心进行应用开发的企业培训，逐步提高他们的工程实践能力。
2.实现理论教学与实践教学的统一。ARM原理与应用课程的实践性很强，目前安排32个理论课时、16個实验课时。实验课时明显偏少，16个实验课时中需要专门安排4—5个课时练习ARM处理器的体系结构、硬件资源，仅剩的11—12课时仅能开展2—3个设计性实验、综合性实验，根本无法开展大型的CDIO项目实训。因此，理论教学和实践教学工作均应安排在实验室完成，教师在讲授理论知识之后，通过实验设备演示刚才所讲的理论，这种理论结合实践的教学方式的效果更好[3，4]。如ARM技术理论教材中有直流电机转动的例子，在传统理论课堂上，老师讲怎样可以控制电机的转动，但是却无法描述清楚怎么精准地控制电机实际的转速。现在理论教学与实验教学全部在实验室完成，学生在理解电机转动的原理之后，就开始做实验。
3.与企业深入合作。在课程设计阶段，直接聘请企业的工程师到学校任教，并以企业实际项目展开实训，如粤嵌公司的工程师全程指导学生制作智能温室大棚系统，该项目以ARM处理器S3C2410为核心，利用DS18B20温度传感器、DS/PH-TS土壤湿度传感器、NDIRCO2浓度传感器、On9668光照强度传感器等多种传感器实现对土壤、大棚环境的实时监控。通过项目的培训，学生全程参与了需求—计划—决策—实施—测试—总结等整个项目的开发流程，显著地提升了学生综合运用专业知识的能力和解决实际工程项目的能力，看到自己的知识转化为实际的产品，学生学习专业知识的动力也就更加充足了。 在实习阶段，直接安排学生到以ARM处理器为核心进行开发的企业实习，并以企业实际的项目作为学生的毕业设计题目。为保证实习的质量，学校对实习企业给予一定的补贴，并要求企业制定详细的培训计划，对学生进行相关技能培训。在培训后期，让学生能够全程参与到企业产品的研发中。在此过程中，企业会发现具有發展潜质的学生，并有意向将其聘用为自己的正式员工，而学生也可以提前感受到职场文化，完成学生到员工的转变。
4.组建兴趣小组。鉴于ARM原理与应用的课时较少，对那些学习能力强、对电子设计感兴趣的学生，成立兴趣小组。教师提供ARM开发板，指导学生在开发板上进行二次开发。目前兴趣小组开发的项目有无线远程测温系统、色盲检测系统、GPS定位系统、四旋翼飞行器等。指导教师负责制定方案，学生负责购买元器件、电路仿真、PCB制板、焊接、测试等。定期在课堂上演示学生制作的实物，以吸引更多的学生加入兴趣小组。另外，积极组织兴趣小组申报校级、省级大学生创新性计划项目，这些项目可有效地丰富学生的课外生活，让学生在反复的“做中学”过程中提高团队协作能力、创新能力。
5.学生考核方式的多元化。现有ARM原理与应用课程的考核方式中平时成绩基本由作业和出勤率决定，而期末考试成绩完全由卷面成绩决定。平时成绩和期末成绩都是对获取知识的多少进行考察的，并无对学生做产品的能力、综合运用知识能力的考察。
四、总结
CDIO工程教育有机地实现了人才培养与社会需求之间的紧密结合，在ARM原理与应用课程教学中深入贯彻CDIO工程教育模式，不仅打破了传统教育原有的落后理念，更提高了学生在“做中学”的过程中以ARM处理器为核心进行产品开发的能力。
参考文献：
[1]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（1）：1-7.
[2]杨学存，杜京义.CDIO理念下“由虚入实”的嵌入式系统教学方法探索[J].教育教学论坛，2018，（35）：198-199.
[3]王源源.基于TOPCARES-CDIO的ARM微处理器基础课程实验教学改革应用研究[J].山东工业技术，2016，（15）：274.
[4]陆继庆，陈子为.基于CDIO的大学科技创新能力培养平台的构建[J].教育教学论坛，2017，（4）：167-168.
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