面向應(yīng)用型本科電氣類專業(yè)的OBE實踐教學(xué)改革

趙宇洋 李爭

摘要：在工程教育和“新工科”背景下，電氣類本科生實踐能力的培養(yǎng)越來越受到重視。而傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的課程設(shè)計環(huán)節(jié)對學(xué)生動手能力培養(yǎng)不足，僅僅停留在軟件仿真階段，不能滿足工程技術(shù)型人才能力培養(yǎng)的需求。文章根據(jù)電氣類應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于OBE理念進(jìn)行單片機課程設(shè)計新模式的探索，引導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、協(xié)作精神以及解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科;實踐教學(xué)改革;OBE理念

中圖分類號：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）44-0107-03

“新工科”建設(shè)圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展，強調(diào)以學(xué)生為本，面向全體學(xué)生，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，強調(diào)教育質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)和學(xué)生具備設(shè)計和實施工程實驗、創(chuàng)新的能力，并能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行分析。OBE（Outcomes-based Education）教育理念在工程專業(yè)人才教育過程中具有非常廣泛的應(yīng)用，OBE教育理念重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動性、學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)情況，以教學(xué)結(jié)果為導(dǎo)向是OBE教學(xué)理念的核心。在目前的單片機課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中，引入OBE教育理念能夠有效解決實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的局限性，通過教師對實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，將工程問題的解決作為課程設(shè)計的最終目標(biāo)，有效培養(yǎng)電氣類本科生實踐動手能力和自信心。

一、傳統(tǒng)實踐類課程設(shè)計環(huán)節(jié)的弊端

在傳統(tǒng)的單片機教學(xué)過程中，雖然有獨立的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，卻往往缺乏時間的有效利用和學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，課程設(shè)計大多布置學(xué)生自由查閱資料，通過電子線路設(shè)計軟件完成單片機最小系統(tǒng)的仿真即可。這種教學(xué)方式造成如下問題：（1）不能有效鍛煉學(xué)生應(yīng)用單片機解決實際問題的能力，對于單片機的應(yīng)用停留在紙面上，不能對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效利用。（2）學(xué)生對于單片機這類實踐性很強的課程仍然采用理論課程的學(xué)習(xí)方法，以記憶和背誦基本概念為目標(biāo)，缺乏實踐動手的主觀能動性。（3）實踐教學(xué)與工程能力培養(yǎng)脫節(jié)，造成本科生面對工程問題時缺乏基本的思路和方法，解決實際問題的能力與信心不足。（4）由于缺乏有效的監(jiān)管機制，學(xué)生對于課程設(shè)計不重視，課后查閱及仿真工作獨立性較差，設(shè)計報告雷同嚴(yán)重，成績難以評定，課程設(shè)計環(huán)節(jié)往往流于形式。

二、OBE理念對于單片機實踐教學(xué)的啟發(fā)

基于OBE理念的實踐教學(xué)改革應(yīng)遵從培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強調(diào)應(yīng)用性和實踐性，強調(diào)以問題解決為中心，多種學(xué)習(xí)途徑相整合。

1.由教師結(jié)合電氣類專業(yè)背景和培養(yǎng)方案設(shè)計具有工程背景的綜合性課題，并提出設(shè)計目標(biāo)，3—4名學(xué)生為一組，以任務(wù)書的形式下發(fā)給學(xué)生小組，既保證每個題目能夠全面考查大綱中的知識點，也要保證各個題目難易程度相當(dāng)。我專業(yè)的課程設(shè)計要求學(xué)生以項目開發(fā)形式完成基于單片機最小系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，從任務(wù)書目標(biāo)分解出發(fā)，逐步實現(xiàn)單片機硬件電路設(shè)計、仿真，再結(jié)合匯編語言程序調(diào)試，完成軟硬件聯(lián)調(diào)，并最終實現(xiàn)以小組為單位的實物結(jié)題。

2.圍繞OBE理念中的問題解決為中心，以學(xué)習(xí)小組形式合作完成實踐環(huán)節(jié)。在教師布置課程設(shè)計題目后，以小組為單位讓學(xué)生在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)提前完成設(shè)計方案初稿，并在后續(xù)學(xué)習(xí)中有目的、有意識地根據(jù)題目需求逐步完善設(shè)計方案，并在一周的課程設(shè)計環(huán)節(jié)中完成系統(tǒng)調(diào)試。既培養(yǎng)學(xué)生作為工程技術(shù)型人才所必需的工程能力，也有效提高了學(xué)生在技術(shù)團(tuán)隊中自我分工、調(diào)節(jié)的團(tuán)隊合作能力。

3.讓學(xué)生綜合運用自身所學(xué)知識進(jìn)行調(diào)查和研究，將學(xué)習(xí)延伸到課堂之外，鼓勵學(xué)生探索新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。以教師在課堂上講授的知識為基礎(chǔ)，自發(fā)進(jìn)行歸納和應(yīng)用，并借助查找文獻(xiàn)等輔助手段，最終解決問題。課程設(shè)計題目數(shù)量根據(jù)筆者專業(yè)兩班學(xué)生人數(shù)設(shè)計，每道題目都保證在大綱知識點基礎(chǔ)上，引入課外知識作為附加分，需要學(xué)生借助文獻(xiàn)查找或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行自學(xué)。

三、基于OBE理念的實踐教學(xué)模式探索

單片機課程屬于工程技術(shù)應(yīng)用類課程，是電氣類學(xué)生在本科教育階段重要的實踐能力培養(yǎng)課程。對于沒有硬件開發(fā)經(jīng)驗的本科生而言，該課程相對抽象，知識點龐雜而零碎，接受和掌握起來相當(dāng)困難。課程設(shè)計環(huán)節(jié)作為獨立在課程之外的實踐環(huán)節(jié)，如果不注重與課堂教學(xué)的穿插和銜接，往往造成學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中缺乏解決問題的驅(qū)動力，單純地記憶指令和用法;在課堂教學(xué)結(jié)束后，進(jìn)行課程設(shè)計要求的系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試又缺乏有效的理論能力支撐，使得理論學(xué)習(xí)和實踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)，不能相互配合。

本文基于OBE理念對單片機課程中的課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了教學(xué)改革和探索，從理論與實踐相結(jié)合、監(jiān)管機制優(yōu)化及評價方法多樣性上進(jìn)行有益嘗試。

1.將課堂教學(xué)內(nèi)容模塊化，與課程設(shè)計有機結(jié)合。在課程教學(xué)中期即下發(fā)課程設(shè)計題目，每個題目都以工程問題為背景，需要學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)自行擴(kuò)展知識點，全面考查學(xué)生對輸入、輸出系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)的掌握情況和設(shè)計能力，保證以學(xué)生輸出為導(dǎo)向的教學(xué)過程優(yōu)化。與以往教學(xué)結(jié)束后才布置課程設(shè)計題目相比，此種方式在理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中能夠有效引導(dǎo)學(xué)生，以完成課程設(shè)計題目要求為驅(qū)動力，鼓勵學(xué)生在后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)中有目的、有意識地學(xué)習(xí)理論知識。

如上圖所示，課堂教學(xué)過程也根據(jù)課程設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行模塊化，主要劃分為單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、輸入模塊、輸出模塊和通信模塊：電源模塊主要知識點在前面的課程《模擬電路》中已經(jīng)學(xué)習(xí)，在單片機課程中只需要將在模擬電路的理論知識實現(xiàn)，為單片機及輸入輸出設(shè)備提供電源即可;單片機最小系統(tǒng)主要通過講授單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，要求學(xué)生設(shè)計完成一個基于89C51的最小系統(tǒng)，以便后面用單片機控制輸入輸出模塊;輸入輸出模塊是本科階段需要熟悉的輸入輸出設(shè)備，比如鍵盤、LCD顯示屏、數(shù)碼管、發(fā)光管、光電檢測器件及傳感器設(shè)備;通信模塊包含具有各種通信接口的設(shè)備，其中主要包括單總線、RS232、RS485總線等接口。

課程設(shè)計題目保證各題目包含所有需要考查的知識點，又具有一定的趣味性。比如利用熱電阻實現(xiàn)數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，利用光電傳感器設(shè)計電子計數(shù)器，基于定時器的數(shù)字表、足球比賽積分系統(tǒng)及交通信號控制系統(tǒng)等。題目既能體現(xiàn)工程實際意義，形式又新穎有趣，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。此外，每個課程設(shè)計題目中都包含課堂教學(xué)之外的知識點，需要學(xué)生自發(fā)查找資料并尋求解決方案。

2.采用集中實訓(xùn)式課程設(shè)計，實現(xiàn)全過程實時監(jiān)管。改變以往學(xué)生在課后自由完成課程設(shè)計的形式，轉(zhuǎn)變?yōu)樵趯I(yè)實驗室中統(tǒng)一集中進(jìn)行。課程設(shè)計任務(wù)書中明確安排一周中每天需完成的設(shè)計進(jìn)度，每天由指導(dǎo)教師布置當(dāng)天任務(wù)并講解重要知識點，其余時間由學(xué)生以小組為單位，共同進(jìn)行設(shè)計調(diào)試工作。教師隨時對學(xué)生問題給予指導(dǎo)，并根據(jù)全體學(xué)生進(jìn)度完成情況進(jìn)行內(nèi)容調(diào)整，如果學(xué)生整體動手能力較強、進(jìn)度完成較快，則可以深化課程設(shè)計的題目要求，提高最終設(shè)計難度;如果整體進(jìn)度難以保證，則根據(jù)出現(xiàn)的問題及時講解，以確保不同基礎(chǔ)、不同能力的學(xué)生在一周的課程設(shè)計中都有所收獲，真正做到以學(xué)生需求為導(dǎo)向。除此之外，集中實訓(xùn)的形式有助于教師對學(xué)生平時表現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)督和管理，通過出勤情況和進(jìn)度完成情況對學(xué)習(xí)過程綜合評價，避免了以往只以報告作為評分依據(jù)的局限性。

集中實訓(xùn)不僅為同一小組的學(xué)生提供了交流協(xié)作的機會，更加強了整個班級甚至整個專業(yè)學(xué)生之間的溝通，也為學(xué)生和教師之間的交流提供了便利性，有效提高了師生之間、同學(xué)之間的溝通效率，有益于學(xué)生在團(tuán)隊中自我定位、自我實現(xiàn)。

3.優(yōu)化評價機制，實現(xiàn)學(xué)習(xí)全過程評價。學(xué)生考試成績不僅是學(xué)生最為關(guān)心的焦點之一，也是用人單位評價畢業(yè)生能力的一個重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課程設(shè)計成績主要由最終報告決定，忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評價，在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，這種考試模式的弊端顯得尤為突出。

本文中的實踐教學(xué)改革也對評價方式的優(yōu)化進(jìn)行了探索，利用OBE理念，在課程設(shè)計各環(huán)節(jié)中及時、客觀對學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行評價，以量化打分的形式實現(xiàn)了對學(xué)生的綜合客觀評價。

如上文所述，我專業(yè)在進(jìn)行單片機課程設(shè)計時，將實踐小組的形式貫穿整個課程設(shè)計環(huán)節(jié)，因此在學(xué)生成績評價環(huán)節(jié)，既包含教師打分，也引入團(tuán)隊成員互評機制。為保證評價體系執(zhí)行的客觀真實性，任課教師設(shè)計了團(tuán)隊成員互評問卷（學(xué)生用），對單片機課程學(xué)習(xí)實踐小組成員在課程設(shè)計各個方面的表現(xiàn)進(jìn)行量化打分，比如團(tuán)隊協(xié)作能力、合作度和設(shè)計能力等。教師根據(jù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)設(shè)計了評分細(xì)則，根據(jù)各團(tuán)隊電路設(shè)計仿真、程序結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)范性、電路合理性、焊點質(zhì)量及最終功能完成度等情況綜合打分，較為客觀全面地對學(xué)生學(xué)習(xí)全過程進(jìn)行了多角度評價。

為避免一個實踐小組中成員難以評價的情況，同一小組每位成員的成績區(qū)別由以下三方面保證：首先，根據(jù)集中實訓(xùn)整個過程中的平時表現(xiàn)由教師記錄平時成績;其次，引入課程設(shè)計最終的答辯環(huán)節(jié)，通過教師對設(shè)計細(xì)節(jié)的提問甄別學(xué)生在團(tuán)隊中的能力和貢獻(xiàn)差異;最后，由書面報告的完成態(tài)度和質(zhì)量綜合評價。

四、總結(jié)與展望

本文針對電氣類單片機課程實踐環(huán)節(jié)指出了傳統(tǒng)教學(xué)中的弊端，引出基于OBE理念的單片機課程設(shè)計的改革方式。通過兩個教學(xué)周期的實踐取得了良好效果，激發(fā)學(xué)生由傳統(tǒng)課堂上被動“聽”，變成現(xiàn)在主動“學(xué)”，活躍了課堂氣氛，培養(yǎng)了學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，有效提高了學(xué)生動手實踐的能力和信心，也為其他類似課程積累了改革教學(xué)模式的經(jīng)驗。

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