基于EIP-CDIO理念的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)探索

劉喬壽，雷 芳

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

1 EIP-CDIO培養(yǎng)模式概述

CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育廣泛采用的教育方法，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，使學(xué)生能夠主動(dòng)在基于項(xiàng)目的實(shí)踐中學(xué)習(xí)工程技術(shù)[1]。CDIO教育模式作為工程教育領(lǐng)域的一項(xiàng)重要改革，其目的是解決工程教育的兩個(gè)根本問(wèn)題，即培養(yǎng)什么樣的人？如何培養(yǎng)？對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題它用CDIO 教學(xué)大綱給出了工程師應(yīng)掌握的知識(shí)，應(yīng)具備的能力和素質(zhì)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題則給出了CDIO的12條標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工程教育改革的實(shí)施方法[2]。

EIP-CDIO培養(yǎng)模式則是在CDIO基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)工程教育缺乏對(duì)歷史、社會(huì)和環(huán)境的認(rèn)知與責(zé)任教育，部分學(xué)生職業(yè)道德缺失、個(gè)人利益至上、團(tuán)隊(duì)意識(shí)匱乏[1],由汕頭大學(xué)顧佩華教授研究組提出的培養(yǎng)模式。該創(chuàng)新教育模式強(qiáng)調(diào)做人與做事相結(jié)合，做人通過(guò)做事來(lái)體現(xiàn)，做事依靠做人來(lái)保證，培養(yǎng)具備良好職業(yè)道德、有責(zé)任感的工程師。該培養(yǎng)模式符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，有利于工程類課程的建設(shè)改革，值得深入研究應(yīng)用[3]。

2 基于EIP-CDIO模式改革電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程

2.1 教學(xué)目標(biāo)

電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程針對(duì)大三學(xué)生在下學(xué)期開(kāi)展，學(xué)生已完成“電路分析基礎(chǔ)”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“單片機(jī)應(yīng)用”等專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，已具備基本專業(yè)知識(shí)和技能，所以本課程提出了知識(shí)、能力、素質(zhì)、素養(yǎng)四位一體的課程目標(biāo)。

（1）知識(shí)目標(biāo)：在已有專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，與企業(yè)要求接軌，掌握急需流行技術(shù)和算法，將所學(xué)電類相關(guān)課程知識(shí)融會(huì)貫通，綜合應(yīng)用，完成工程類綜合型實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，要求掌握深度學(xué)習(xí)的基本概念、原理及數(shù)學(xué)方法；能夠熟練使用C++、Python完成基本程序的編寫；掌握Linux操作系統(tǒng)的基本原理及軟件安裝、配置方法；掌握FPGA基本結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程，能夠熟練使用Verilog HDL語(yǔ)言完成FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

C++作為經(jīng)典開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，長(zhǎng)期以來(lái)一直深受行業(yè)廣大開(kāi)發(fā)人員的喜愛(ài)并廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。Python作為后起之秀，由于更加接近自然語(yǔ)言的特點(diǎn)，逐漸成為主流開(kāi)發(fā)語(yǔ)言之一。特別是近年人工智能的發(fā)展，進(jìn)一步提升了Python語(yǔ)言的應(yīng)用前景。因此，考慮行業(yè)實(shí)際及學(xué)生興趣，課程中C++和Python為二選一語(yǔ)言，由學(xué)生自主選擇其中一門語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在Linux系統(tǒng)下結(jié)合OpenCV完成基本的圖像處理程序、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積、池化等基礎(chǔ)模塊的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，從而為完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供保障。

（2）能力目標(biāo)：從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行全周期，使學(xué)生具備“構(gòu)思”“設(shè)計(jì)”“實(shí)施”“運(yùn)行”能力?！皹?gòu)思”指全面調(diào)研進(jìn)行需求分析、功能分析；“設(shè)計(jì)”是能夠進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)，能夠思考設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、解決具體問(wèn)題；“實(shí)施”指將系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程，需要考慮性價(jià)比、產(chǎn)品形態(tài)、可靠性等，包括元器件購(gòu)買、電路板制作、焊接及調(diào)試，特別強(qiáng)調(diào)故障排查能力；“運(yùn)行”則指系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、功能測(cè)試及進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)等。

根據(jù)上文對(duì)知識(shí)目標(biāo)的分析可知，該課程涉及多門課程知識(shí)，如Linux操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言（C++或Python）編程、圖像處理OpenCV庫(kù)、FPGA開(kāi)發(fā)調(diào)試等。在有限的課程課時(shí)限制下，通過(guò)分組完成項(xiàng)目的形式，充分發(fā)揮不同同學(xué)的特長(zhǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的CDIO能力。

構(gòu)思（C）：為了在有限的課時(shí)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行，首先要思考如何選擇合適的同學(xué)組隊(duì)，組隊(duì)后需要合理分配每個(gè)同學(xué)的任務(wù)，發(fā)揮不同同學(xué)的特長(zhǎng)；進(jìn)一步，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理分解，分析不同模塊實(shí)現(xiàn)的難易點(diǎn)及后期整合方法；討論系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)及測(cè)試方案。由此可見(jiàn)，構(gòu)思主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)初期，并貫徹整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施的全部階段。在構(gòu)思過(guò)程中，學(xué)生隨時(shí)和老師進(jìn)行溝通和討論，并需要講解自己的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，在和老師確認(rèn)無(wú)誤后再開(kāi)展后續(xù)工作。

設(shè)計(jì)（D）：課程按團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的形式執(zhí)行，設(shè)計(jì)過(guò)程需要充分發(fā)揮小組不同成員特長(zhǎng)。比如：擅長(zhǎng)理論分析的同學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)分解和人員分工，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；擅長(zhǎng)操作系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)編程的同學(xué)完成開(kāi)發(fā)環(huán)境配置和基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)；擅長(zhǎng)硬件設(shè)計(jì)的同學(xué)完成FPGA設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要同學(xué)充分討論和相互協(xié)作完成，解決設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

實(shí)施（I）：課程最終的目標(biāo)是基于FPGA完成一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理模型的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)攝像頭對(duì)獲取的視頻目標(biāo)進(jìn)行分類，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練通過(guò)PC完成。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)既涉及軟件開(kāi)發(fā)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、也涉及FPGA開(kāi)發(fā)。為了提高系統(tǒng)的性能，很多基礎(chǔ)模塊需要同學(xué)先進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試，然后整合成一個(gè)完整系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)試排查故障后，完成最終作品。

運(yùn)行（O）：作品完成后，需按照實(shí)際產(chǎn)品形式針對(duì)不同實(shí)際環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，確保作品的穩(wěn)定運(yùn)行。查找功能缺陷，要求提出優(yōu)化方案。

（3）素質(zhì)目標(biāo)：注重個(gè)人能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力共同發(fā)展。加強(qiáng)自學(xué)能力的引導(dǎo)及訓(xùn)練，提升實(shí)踐動(dòng)手能力、故障排查能力、創(chuàng)新能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、報(bào)告撰寫能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等全方位綜合性能力。

（4）素養(yǎng)目標(biāo)：樹(shù)立正確的科學(xué)觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、創(chuàng)新精神，樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工程設(shè)計(jì)理念；激發(fā)學(xué)生對(duì)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展信心，培養(yǎng)學(xué)生吃苦耐勞、精益求精、追求卓越的優(yōu)秀品質(zhì)。在教學(xué)過(guò)程中潤(rùn)物無(wú)聲、潛移默化地滲透愛(ài)國(guó)主義教育，培養(yǎng)有目標(biāo)、有理想、有擔(dān)當(dāng)、自立自強(qiáng)的青年一代。

2.2 教學(xué)形式

課程教學(xué)融入翻轉(zhuǎn)課堂形式，按課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)組織。學(xué)生采用團(tuán)隊(duì)形式完成項(xiàng)目，形成了課前自學(xué)討論、課堂講解答疑實(shí)作，課后按階段逐步實(shí)施的項(xiàng)目式管理教學(xué)模式。

課前教師通過(guò)各類網(wǎng)絡(luò)課堂軟件，如雨課堂、騰訊課堂等發(fā)布課程要求、安排預(yù)習(xí)，分發(fā)電子教案和相關(guān)文檔，提供視頻教學(xué)資源或下載鏈接。要求學(xué)生在上課前了解本次課程內(nèi)容并思考重點(diǎn)、難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)討論后提出疑問(wèn)，完成預(yù)習(xí)作業(yè)并提交教師批改。在課堂教學(xué)中，教師針對(duì)學(xué)生提出的疑問(wèn)及預(yù)習(xí)作業(yè)情況進(jìn)行重點(diǎn)、難點(diǎn)分析和講解，幫助學(xué)生答疑解惑；學(xué)生則在教師的指導(dǎo)下再次和組員討論實(shí)施方案，并完成部分模塊的設(shè)計(jì)調(diào)試。課后教師根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度及總體設(shè)計(jì)方案分解任務(wù)目標(biāo)，安排階段性任務(wù)要求學(xué)生完成，保證項(xiàng)目進(jìn)度按時(shí)順利推進(jìn)。

課程教學(xué)的三個(gè)環(huán)節(jié)均以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，轉(zhuǎn)變“授人以魚(yú)”為“授人以漁”。學(xué)生的知識(shí)體系與教師的知識(shí)體系存在較大差異，只有鼓勵(lì)學(xué)生利用自己的知識(shí)體系理解新知識(shí)，與教師的知識(shí)體系進(jìn)行碰撞，才可以使學(xué)生構(gòu)建自身的知識(shí)體系，靈活運(yùn)用知識(shí)，真正轉(zhuǎn)化為己用。該方法既能保證項(xiàng)目的順利實(shí)施，又能提升自學(xué)能力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，促進(jìn)師生之間的交流。若學(xué)生提出的疑問(wèn)是老師未重視或該問(wèn)題會(huì)引起一些新的發(fā)現(xiàn)，老師將給予學(xué)生總成績(jī)加分，鼓勵(lì)同學(xué)們多思考、勇于質(zhì)疑的科學(xué)精神，這將有利于學(xué)生自身知識(shí)體系的構(gòu)建。

2.3 教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容在已學(xué)專業(yè)課程基礎(chǔ)上，向廣度、深度拓展，綜合運(yùn)用知識(shí)，完成工程類綜合型實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。考慮目前電子信息行業(yè)對(duì)人工智能人才需求量的迅速增加，項(xiàng)目組教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容引入深度學(xué)習(xí)，要求學(xué)生通過(guò)PC實(shí)現(xiàn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，并將訓(xùn)練好的推理模型部署在FPGA上實(shí)現(xiàn)。教學(xué)內(nèi)容主要由三大部分組成：Linux操作系統(tǒng)、人工智能深度學(xué)習(xí)、FPGA開(kāi)發(fā)，涉及C++、Python、OpenCV、Verilog HDL編程。Linux操作系統(tǒng)部分主要涉及軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的安裝和配置，如TensorFlow、Kera、Vivado在Linux操作系統(tǒng)下的安裝和配置；人工智能深度學(xué)習(xí)部分，主要教授學(xué)生如何使用C++或Python語(yǔ)言結(jié)合OpenCV完成基本的圖像處理程序開(kāi)發(fā)，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)的深度模型訓(xùn)練和推理，如可以基于MINST數(shù)據(jù)集完成一個(gè)數(shù)字手寫體識(shí)別的DL網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和推理；FPGA開(kāi)發(fā)部分，要求學(xué)生完成攝像頭的驅(qū)動(dòng)從而獲取實(shí)際的手寫數(shù)字輸入，并把訓(xùn)練好的模型通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言移植到FPGA開(kāi)發(fā)板，完成攝像頭輸入視頻的手寫數(shù)字體識(shí)別，最后通過(guò)LCD顯示視頻流和識(shí)別結(jié)果。

在教學(xué)內(nèi)容中，課程組教師潛移默化滲透愛(ài)國(guó)主義教育，激發(fā)學(xué)生對(duì)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展信心；從實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)上培養(yǎng)學(xué)生吃苦耐勞、精益求精、追求卓越的優(yōu)秀品質(zhì)。如讓學(xué)生知道，由于美國(guó)限制對(duì)中國(guó)出口芯片，導(dǎo)致我國(guó)芯片價(jià)格大幅上漲，而掌握FPGA的結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程是芯片設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的前提和基礎(chǔ)。因?yàn)镕PGA也稱為半定制的ASIC開(kāi)發(fā)，很多專用芯片的開(kāi)發(fā)其原型機(jī)設(shè)計(jì)都是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的。深度學(xué)習(xí)作為目前主流技術(shù)之一，其發(fā)展已經(jīng)相對(duì)完善，開(kāi)發(fā)手段及開(kāi)發(fā)工具日漸成熟且不存在任何技術(shù)壁壘。結(jié)合FPGA完成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的實(shí)現(xiàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生掌握具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能芯片的開(kāi)發(fā)能力和開(kāi)發(fā)意識(shí)都有非常重要的幫助，同時(shí)能凝聚學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情，提升學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3 評(píng)價(jià)體系

電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程改革體現(xiàn)過(guò)程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)并重，制定了科學(xué)合理的課程評(píng)價(jià)體系。過(guò)程性評(píng)價(jià)包含學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)及階段性測(cè)試?？偨Y(jié)性評(píng)價(jià)包含項(xiàng)目的演示答辯、項(xiàng)目實(shí)施能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力及報(bào)告撰寫能力的綜合評(píng)定。具體評(píng)價(jià)分配如下：

課前預(yù)習(xí)（10%）+課堂表現(xiàn)（10%）+階段性測(cè)試1（10%）+階段性測(cè)試2（10%）+項(xiàng)目演示答辯（25%）+報(bào)告（20%）+團(tuán)隊(duì)協(xié)作貢獻(xiàn)（15%）+有建設(shè)性提問(wèn)（總成績(jī)格外加分）

其中課堂考勤不計(jì)入成績(jī)，僅做扣分項(xiàng)處理。缺勤1次總成績(jī)扣5分，缺勤3次及以上者取消課程成績(jī)。課程評(píng)定采取教師評(píng)定為主，學(xué)生為輔的形式。團(tuán)隊(duì)學(xué)生經(jīng)過(guò)商議討論，自行評(píng)定各自在團(tuán)隊(duì)協(xié)作貢獻(xiàn)的分?jǐn)?shù)。評(píng)價(jià)體系全面完整、多方位、多主體開(kāi)展，有利于科學(xué)合理評(píng)價(jià)學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

課程以新工科建設(shè)為背景，基于EIP-CDIO工程教育理念，輔以多種教學(xué)手段和評(píng)價(jià)方式，受到學(xué)生及相關(guān)行業(yè)公司的一致好評(píng)。自2018年課程改革以來(lái)，項(xiàng)目組已經(jīng)完成通信學(xué)院電子信息工程2016級(jí)、2017級(jí)、2018級(jí)三個(gè)年級(jí)共計(jì)約300余人的授課。從學(xué)生反饋的信息來(lái)看，課程緊密結(jié)合了目前行業(yè)主流的人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)和電子信息工程專業(yè)的專業(yè)特色，既達(dá)到工程認(rèn)證畢業(yè)要求，也培養(yǎng)了符合行業(yè)需求的新型電子信息人才。同時(shí)，課程還結(jié)合了最新的AI+FPGA技術(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了極大的鼓舞和提升，課堂內(nèi)外學(xué)習(xí)氛圍良好，學(xué)習(xí)效果優(yōu)異?！?/p>