自主开放的高校EIP-CDIO培养模式建设研究

刘晓燕

关键词：自主开放；EIP-CDIO；嵌入式系统实验

对于高校实验课程建设而言，自主、开放、创新是永恒的主题。“嵌入式系统实验”课程涉及的学科宽泛，受众面广，要求学生掌握基本知识和基本操作技能外能自主创新。然而，随着实验进程的不断推进，学生在基础实验中已经掌握了对理论知识点的验证，也进行了简单的自主设计实验。对于部分善于思考的学生，会在实验过程中发现自己过去不知道的现象、事实，对学科知识产生更加浓厚的兴趣，主动实验的意识越来越强，自主实验的需求不断提高，激发了学生的创新欲望。因此我们有必要在实验教学中引入EIP-CDIO高等工程教育新模式，将思想政治体系的“职业化”“道德观”“诚实守信”与专业技术体系的“构思一设计一实现一运作（CDIO）”方面的综合能力进行有机结合，形成高等工程教育新模式，以培养应用型高级工程技术专业人才，使学生在基础实验、综合设计、应用研究中体验到创新的快乐和自信，创造条件使这种可贵的品质保持下去，鼓励学生持续性地把发现的“新”深究下去[1]。

1EIP-CDIO模式架构

由MIT等四所高校创立的工程教育模式“构思一设计一实现一运作（CDIO）”，对基础理论、个人综合、团队协作和系统运作等各方面能力作了全面要求，使学生在学习时，能够将工程实践课程与理论知识有机联系在一起，系统地自我学习与实战操作，而不是被动地接受。要求能达到“一个愿景、一个大纲和十二条标准”的目标。因此，在设计与实现中引入以道德为导向的全新EIP-CDIO培养模式，植入思政元素中的道德（Ethics），诚信（Integrity）与职业素养（Professionalism），为传统CDIO注入了新鲜血液、赋予了全新的内涵。

EIP-CDIO这一教育理念的本质是强调知行合一，将思想道德与设计创造相结合，在设计创造中体现学生对思想道德的认识，通过职业素养保证项目的设计与实现，在培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的工程师具备优秀的职业道德、正直、富有责任感[2]。除了CDIO核心文件要求达到的基础理论、个人综合、团队协作和系统运作等各方面能力以外，还突出了工程创新能力、人文素质与职业道德标准结合的新型工程技术人才，与中国特色社会主义背景下的核心价值观相呼应，为中国的复兴之梦助力[3]。

2EIP-CDIO模式下的“嵌入式系统实验”课程自主开放体系建设

在EIP-CDIO模式理念下，“嵌入式系统实验”课程自主开放体系可以分解为5个模块，其体系结构、模块内容及实施路径如图1所示。

要在开放式实验教学中充分融入EIP-CDIO培养理念，就需要在每个环节植入EIP-CDIO元素，各模块的具体培养目标如图2所示。

2.1EIP-CDIO模式下的自主开放引导

自主开放为相对开放，对于大学生实验而言具有很大的灵活性。高校实验教学相比理论教学而言，由于具有参与性及实践性，具备一定优势。

要应用EIP-CDIO培养模式，关键在于如何结合实验教学进行引导，让学生了解和意识EIP-CDIO培养思路。EIP-CDIO培养体系首先要求具备正确的思想认识与扎实的工程理论基础，因此，自主开放引导必须与基础综合训练项目相结合[4]。在掌握基本原理、基本技能的基础上，除了对常规理论知识进行分析和验证外，通过对实验教学内容及形式的灵活有效设计，在实验进程的不断推进中，引导学生用理论联系实践，加深对理论工作原理的理解，对一些较为抽象、学生难以理解的知识点进行现象观察、数据分析，使学生能够加深对理论知识的掌握，培养其浓厚的学习兴趣。同时能不断提高学生强烈的好奇心、促进求知欲、激发学生的创新意识，解决理论教育的不足[5]。引导学生的自主开放意识，该环节融人EIP-CDIO理念及培养目标，由兴趣人手，以学生为本，植入道德（Ethics）、诚信（Integrity）及职业化（Professionalism）精神。介绍科技引领世界发展与改革的先进理念，分析当今国际形势，可教育、引导学生深刻理解、适当设计修改电路图及程序，观察不同的实验结果。引导学生在实际工程应用中自觉践行各行业的职业操守和职业规范，传承工匠精神，增强职业责任感。促进学生基础知识的掌握、基本能力的培养、EIP-CDIO理念与素质协调发展，提升学生理论水平、全面提高动手实践能力及创新思维，开启学生健全心智、自主学习、自主创新的“金钥匙”。

2.2自主开放的EIP-CDIO模式下项目专题研究

EIP-CDIO培养模式下的项目专题研究是由教师和学生通过团队协作实施完成的一个完整项目。通常由相关部门及指导教师作为这一活动的引导者，结合自己的专业和能力，并制定相关政策，设定项目任务、指导项目实施、组织项目验收。要鼓励学生注重学思结合、知行合一[6]，有利于培养学生自主学习、敢于坚持、勇于探索、不屈不挠的科学家精神。鼓励学生自主提出实验课题并进行研究活动，推进研究性学习。

学生团队设计的基于STM32LA76RG，STM32CUBE、机智云（Android）的多功能鸽笼，利用免费开源云平台搭建的互联鸽笼能够实现对鸽舍内温度和湿度的实时监控，鸽子的归巢时间采用STM32内部的RTC时鐘，使用光电对射管检测鸽子是否到达，将此时的RTC时间传送到云端，并能在手机APP端显示。对于鸽子的温湿度的监控可以采用DHT11温湿度传感器进行监控并且上传APP端，用户可以很方便地查询到温湿度，并且在温湿度超标的情况下APP页面的最下角有报警提示，开启通风扇对鸽舍内进行通风减少温湿度，方便后续饲养人员的处理，远程化的开关避免了对鸽子的惊扰，使得赛鸽的成长环境更有利，归巢特性更好。实物及手机终端如图3所示。

2.3自主开放的EIP．CDIO模式下的学科竞赛

学科竞赛作为大学生自主开放实验的重要载体，通过知识学习原动力、能力培养内动力、荣誉与经济激励动力和学分吸引动力等四大驱动力，激发学生自主进行开放实验[7]。

学科竞赛能有效驱动学生自主进行开放实验，为学生提供一个把理论知识和实验实践有机联系的平台，老师对学生进行一定的培训，包括大赛的相关规则、竞赛软件的培训、竞赛练习、校内竞赛活动的组织等[8]。EIP-CDIO培养模式下为促进电子信息、计算机科学与技术、电气工程、自动化、测控技术与仪器等相关专业和课程的建设，倡导积极开展课外学科竞赛和课程学习竞赛，大力支持学生参加相关学科类竞赛，并正式发表论文或专利，或国家级、省部级以上竞赛奖等。例如，学生作品基于STM32F103C8T6，STM32CubeMX，Keil uVision5的机智云（Android）平台智能台灯，是一款能夠远程手机控制的智能台灯。创新点在于能够根据周围亮度自动调节光亮。在检测到台灯周围没人时台灯自动熄灭，达到节能的效果。作品采用STM32F103C8T6作为控制芯片，TM32CubeMX与Keil5作为程序开发软件，SIM900A作为联网部分。实物如图4所示。

同时，在历届全国智能车比赛中也屡获佳绩，仅2022年就有两个队获得国家一等奖、四个队获得赛区一等奖。

2.4自主开放式EIP．CDIO模式下的自主研学创新

通过自主开放的EIP-CDIO培养模式下的实验课程，能培养学生“敢想敢试会闯能创”的能力，培养学生在实践实操的过程中实现“三创”，即“创新精神、创造意识及创业能力”。结合理工智能类学科根据其专业特点，设置自主开放实验，实验教学活动逐渐转变为学生自主构建知识，通过以小组为单位自主设计实验方案、操作实验设备，分析实验现象和撰写实验报告等一系列形式，培养学生学习能力、发展其创新能力、增强动手技能。同时将理论教学与实验教学统筹协调[9]。

实验教学环节的安排要充分体现思想进步开放、课内课外一体、开拓创新，才能有效实现EIP-CDIO教学模式的系列化、丰富性，可持续性。以学生自主设计的智能浇水系统为例，本系统所设计的主要功能是用户可以在Android客户端应用软件上远程查询、控制该系统中的各个传感器所检测到的数据。本设计将浇水系统与Arduino单片机和互联网结合起来作为创新特色，设计了一个能够实时监测花草的土壤湿度、空气温湿度以及光照强度并且能够通过Android客户端应用程序查看相关数据并远程浇水的控制系统。当使用者出差时可通过Android客户端应用程序查看相应的数据，使用者根据相关数据判断是否浇水[10]。此外，当光照过强时，该系统会通过ESP8266Wi-Fi模块向Android客户端应用程序发送提醒，提醒使用者光照过强，应当把花草等植物移进室内。作品实物及手机终端如图5所示。

3结束语

在自主开放的EIP-CDIO培养模式下，特别是综合设计型实验值得研究，但它不是实验室的固有项目。将学生的课外学习成绩以学分的形式体现，实现因材施教、人文关怀，更能激发学生的创新欲望、培养学生的研究兴趣和创新能力。