OBE在“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程的應(yīng)用與實(shí)踐

汪萬維, 何煒琨, 楊 俊

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Signal Processor)具有靈活、高速、便于嵌入式應(yīng)用、性能高效等特點(diǎn)，在當(dāng)前圖像處理、通信技術(shù)、自動(dòng)控制、工業(yè)、家電、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。利用DSP芯片來開發(fā)各種系統(tǒng)應(yīng)用，也是目前較為流行的一種嵌入式開發(fā)技術(shù)。在絕大多數(shù)高校的電子信息、通信工程、自動(dòng)化等專業(yè)，“DSP技術(shù)及應(yīng)用”都是高年級(jí)的必修課程[2]。該課程主要運(yùn)用DSP開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具，進(jìn)行DSP控制和算法的編程和調(diào)試，具備運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題。為了順應(yīng)高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的改革步伐，結(jié)合當(dāng)前通信工程專業(yè)認(rèn)證的新要求，需要不斷更新本門課程的教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，采取有效的教學(xué)方法和手段，以結(jié)果輸出為導(dǎo)向。通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在知識(shí)、能力和情感方面均有較大提高。

1 課程目前存在的主要問題

1.1 重改革過程輕結(jié)果評(píng)價(jià)

近年來，應(yīng)用實(shí)踐類課程的改革活動(dòng)從未停息，都是將先進(jìn)的教學(xué)理念、教學(xué)手段和方法引入到課堂教學(xué)中，通過一系列的改革措施，使得原本的教學(xué)內(nèi)容和方式都發(fā)生了巨大變化。但是對(duì)于改革后的結(jié)果評(píng)價(jià)，缺乏有效監(jiān)督機(jī)制。改革后的結(jié)果評(píng)價(jià)往往以定性分析為主，如取得良好教學(xué)效果、對(duì)后續(xù)課程有很好支撐等諸如此類的評(píng)價(jià)。所有評(píng)價(jià)都是以教師為主導(dǎo)。由于課程改革的對(duì)象為學(xué)生，改革是否成功、改革成果是否可以推廣，應(yīng)該廣泛征求學(xué)生的意見，以滿足學(xué)生實(shí)際需要為出發(fā)點(diǎn)，并給出定量化的分析指標(biāo)。

1.2 理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

本門課程強(qiáng)調(diào)的是要提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力。課本上的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)是用來指導(dǎo)實(shí)踐的，而在實(shí)際教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)很大一部分學(xué)生對(duì)書本上的理論了解很清楚，但在實(shí)際進(jìn)行編程設(shè)計(jì)時(shí)，往往不知道從哪入手?；蛘吣芑就瓿梢粋€(gè)簡(jiǎn)單工程設(shè)計(jì)，但是卻不知道運(yùn)用了書本中的哪些理論知識(shí)。特別是在實(shí)驗(yàn)課部分，部分學(xué)生還停留在簡(jiǎn)單的程序下載和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察階段。

1.3 考核評(píng)價(jià)方式過于單一

本門課程強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用，考試時(shí)可以開卷，同時(shí)實(shí)驗(yàn)在總成績(jī)中的占比也較高。但從近年來的考核情況看，學(xué)生對(duì)本門課程的掌握情況不容樂觀。開卷考試的目的是為了給學(xué)生減負(fù)，讓其把更多的時(shí)間投入到知識(shí)的理解與運(yùn)用上。但學(xué)生總認(rèn)為期末考試時(shí)能從書本上找到答案，而忽略了平時(shí)學(xué)習(xí)中對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解與掌握。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比較高，部分學(xué)生也忽略對(duì)理論知識(shí)的深入學(xué)習(xí)。須不知，所有實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容都與書本上的理論是緊密結(jié)合的。由于考核方式的單一與固定，導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)導(dǎo)向與目的存在一定問題，如過分追求分?jǐn)?shù)而忽略對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用，將所有希望寄托在實(shí)驗(yàn)上，希望教師能手下留情等。

2 采取的改進(jìn)措施與方法

2.1 改變教師自身教學(xué)理念

OBE理念的主要特征是學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中處于中心地位，即以學(xué)生為中心[3]。部分教師在“以學(xué)生為中心”的認(rèn)識(shí)上存在一定偏差，認(rèn)為“以學(xué)生為中心”就是一味遷就學(xué)生、放縱學(xué)生，為了討好學(xué)生可以放棄一些必要的教育與管理手段等。以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)生為主體，學(xué)生“學(xué)”是核心，學(xué)生“學(xué)到了什么”是關(guān)鍵。而教師在這個(gè)過程中也要扮演重要角色，即以教師為主導(dǎo)，教師的“教”是指導(dǎo)，教師“教了什么”是過程。整個(gè)教學(xué)過程不再是傳統(tǒng)以教學(xué)內(nèi)容作為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)活動(dòng)，而是以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)力的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為結(jié)果而學(xué)習(xí)，教學(xué)和學(xué)習(xí)過程互動(dòng)持續(xù)改進(jìn)。

2.2 明確教學(xué)目標(biāo)

在課程正式開始前，讓學(xué)生知曉課程的教學(xué)目標(biāo)，即通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握哪些知識(shí)、獲取哪些能力。課程目標(biāo)必須具有可衡量性、邏輯性、導(dǎo)向性和專業(yè)特點(diǎn)，能夠引導(dǎo)教師有針對(duì)性的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生有目的的學(xué)習(xí)。筆者結(jié)合本門課程特點(diǎn)，設(shè)置4個(gè)基本教學(xué)目標(biāo)，即初步具備DSP硬件接口設(shè)計(jì)能力；掌握CPU工作時(shí)鐘和定時(shí)器定時(shí)時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算方法；掌握C語言編程和CCS的使用方法，能獨(dú)立完成一個(gè)簡(jiǎn)單工程的應(yīng)用開發(fā)；具備英文器件手冊(cè)的閱讀能力，能舉一反三。為了達(dá)到以上教學(xué)目標(biāo)，教師在課堂上要不斷強(qiáng)調(diào)本門課程是要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。課程目標(biāo)同時(shí)要落實(shí)到具體的教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)中，要針對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)過程的設(shè)計(jì)與教學(xué)模式的選擇。

2.3 精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

之前圍繞課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，主要強(qiáng)調(diào)課程知識(shí)體系的完整性，并且按照教材目錄順序進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解。知識(shí)點(diǎn)既多又雜，學(xué)生往往抓不住重點(diǎn)，難以捋清彼此間的區(qū)別與聯(lián)系。筆者根據(jù)自身科研經(jīng)歷，選擇DSP設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的資源，最終將教材中的時(shí)鐘電路、通用輸入輸出口(GPIO)、定時(shí)器、中斷、外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)、直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)、多通道緩沖串行口(McBSP)和I2C協(xié)議等8個(gè)知識(shí)點(diǎn)作為重點(diǎn)講解內(nèi)容。課程實(shí)驗(yàn)部分也都是圍繞這8個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理論內(nèi)容而展開。為了做到重點(diǎn)突出、理論與實(shí)際相結(jié)合，筆者將這8個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新拆分，在具體實(shí)際講解過程中結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合[4]，如表1所示。即設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)層層遞進(jìn)，通過4個(gè)實(shí)驗(yàn)涵蓋以上8個(gè)知識(shí)點(diǎn)。所有知識(shí)點(diǎn)在4個(gè)實(shí)驗(yàn)中均能有所體現(xiàn)與對(duì)應(yīng)，而4個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)生均能通過理論分析得以合理解釋，真正做到理論指導(dǎo)實(shí)踐，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解與運(yùn)用，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

表1 教學(xué)內(nèi)容及組織方式

對(duì)于CLKMD配置、定時(shí)時(shí)長(zhǎng)計(jì)算、SRG輸入時(shí)鐘選擇以及輸出時(shí)鐘計(jì)算、I2C協(xié)議等重要且難理解的知識(shí)點(diǎn)，布置4次隨堂作業(yè)。教師集中批改后在下次上課時(shí)重新講解一次，并對(duì)作業(yè)中出現(xiàn)較多問題的學(xué)生予以重點(diǎn)關(guān)注和一對(duì)一輔導(dǎo)。

通過精心設(shè)計(jì)整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，真正做到理論結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用知識(shí)分析、解決學(xué)生感興趣的問題。

2.4 豐富教學(xué)模式

以往的教學(xué)模式以教師、教材為中心，教師負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)，激勵(lì)源于教師的責(zé)任心，結(jié)果依賴于學(xué)生的上進(jìn)心和對(duì)學(xué)生的管束[5]。而真正的OBE教學(xué)應(yīng)該是讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，除了被動(dòng)傾聽外，還必須通過思考、討論或參與解決實(shí)際問題。為了讓學(xué)生能主動(dòng)參與課堂教學(xué)，筆者在教學(xué)過程中采用了針對(duì)性提問、故意設(shè)置錯(cuò)誤陷阱、學(xué)生參與指定知識(shí)點(diǎn)的講解、根據(jù)指定要求現(xiàn)場(chǎng)修改實(shí)驗(yàn)程序等四種方式。對(duì)于隨堂作業(yè)中出現(xiàn)問題較多的學(xué)生要隨堂通過提問的方式予以重點(diǎn)關(guān)注。故意將小燈亮滅實(shí)驗(yàn)中一個(gè)控制小燈的管腳電路畫錯(cuò)，導(dǎo)致編程實(shí)現(xiàn)時(shí)理論分析與實(shí)際工程設(shè)計(jì)存在矛盾，讓學(xué)生通過已學(xué)知識(shí)進(jìn)行仔細(xì)分析，找出錯(cuò)誤原因并進(jìn)行修正，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于DMA控制器部分的講解，要求學(xué)生自行推薦各自班級(jí)的優(yōu)秀學(xué)生來參與此部分內(nèi)容的講解。

為了提高學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)驗(yàn)考核階段，不再是簡(jiǎn)單的按照實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)完成相應(yīng)操作、得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象即可。而是要求學(xué)生對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都要有所改動(dòng)，并給出改動(dòng)的原因以及背后所涉及的理論知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要充分體現(xiàn)出差異性，并且每個(gè)學(xué)生都要接受老師的現(xiàn)場(chǎng)提問。

通過采用多模式的“教”，采用基于問題和項(xiàng)目的教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生“學(xué)”的積極性，而且確保其能“學(xué)到”。為了配合檢驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果，整個(gè)教學(xué)過程充分做到可記錄、可考核，最終形成了一套切實(shí)有效的課程考核方法。

2.5 量化課程考核目標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了達(dá)到課程設(shè)定的4個(gè)目標(biāo)，教師在課堂上要可觀察、可教學(xué)，教學(xué)效果要可檢測(cè)、可考核、可評(píng)價(jià)。為此筆者將原有考綱中的要求進(jìn)行細(xì)化，要求學(xué)生掌握的重要知識(shí)點(diǎn)，在考試和實(shí)驗(yàn)中都要有明確的反映。總評(píng)成績(jī)組成如圖1所示，其中實(shí)驗(yàn)部分根據(jù)教師給出的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)和程序代碼完成實(shí)驗(yàn)基本操作并得到正確實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能最高得實(shí)驗(yàn)總分的70%，需要得到更高分，只有在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，根據(jù)修改的難度及解釋的合理性上浮分?jǐn)?shù)，最高可得滿分。由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告可能涉嫌學(xué)生彼此間參考，很難確定學(xué)生真實(shí)水平，因此通過現(xiàn)場(chǎng)問答和組內(nèi)學(xué)生自行排名的方式來拉開成績(jī)差距。為了突出學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的深刻理解，期末考試內(nèi)容除了部分能在書本上找到直接答案外，其他都是需要在理解的基礎(chǔ)上才能作答，光靠死記硬背很難得到高分。所有要考核知識(shí)點(diǎn)在考前提前告知學(xué)生，并給出樣例。

圖1 考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)考核盡量做到透明化、公開化，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)前就了解本門課程的考核目標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，同時(shí)在后續(xù)學(xué)習(xí)過程參照此目標(biāo)參與各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。

2.6 考核結(jié)果與持續(xù)改進(jìn)

為避免之前重改革過程輕結(jié)果評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀，課程通過OBE理念在實(shí)施前后歷年成績(jī)分析(如圖2所示)和無記名問卷調(diào)查方式(如圖3所示，16級(jí)大三學(xué)生共計(jì)162人參與)進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)。從考核成績(jī)看，自2018年采用OBE教學(xué)方式后試卷成績(jī)和總評(píng)成績(jī)較往年有大幅提升。從調(diào)查問卷結(jié)果看(如圖3所示)，學(xué)生對(duì)本門課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織方式基本持贊同態(tài)度。

圖2 歷年成績(jī)對(duì)比分析

(a)課程內(nèi)容安排 (b)課程內(nèi)容組織圖3 調(diào)查問卷結(jié)果

3 組卷算法描述

采用此方法組卷的一般過程如下：

(1)根據(jù)組卷?xiàng)l件，判斷當(dāng)前題庫情況是否滿足組卷要求，若滿足條件則開始組卷；否則重新設(shè)置組卷參數(shù)；

(2)采用一種基于知識(shí)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型隨機(jī)抽取算法，依次循環(huán)為各試卷抽取指定題型中之前未被抽取過的題目，直到抽取完條件要求的全部題目；

(3)題目抽取完成后，計(jì)算各試卷中每類題型的平均難度值，確定是否符合設(shè)定要求。如果不符合，則采用一種循環(huán)替換算法進(jìn)行難度值調(diào)整，直到滿足設(shè)定要求。

為了不斷提升本門課程教學(xué)效果，后續(xù)教學(xué)過程中將根據(jù)考核結(jié)果分析和學(xué)生反饋信息進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。在課程結(jié)束后結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行學(xué)生的課程達(dá)成度量化分析。對(duì)試卷中失分較多的知識(shí)點(diǎn)在后續(xù)教學(xué)過程中通過著重強(qiáng)調(diào)和隨堂練習(xí)方式進(jìn)行鞏固加強(qiáng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的共性問題，在后續(xù)教學(xué)中提前集中講解。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)部分學(xué)生濫竽充數(shù)等現(xiàn)象，在后續(xù)課堂中通過縮小分組人數(shù)、增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)等方式，爭(zhēng)取做到對(duì)每一名學(xué)生的全方位檢查。通過調(diào)查問卷的方式，對(duì)學(xué)生反映較多的知識(shí)難點(diǎn)、教學(xué)方法和教學(xué)手段不斷進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)語

OBE理念的核心是使學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中處于中心地位，是一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的新教學(xué)模式，著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果，而且要持續(xù)改進(jìn)。在推進(jìn)OBE理念在課堂教學(xué)執(zhí)行的過程中，要不斷優(yōu)化課程設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過課程目標(biāo)反推課程內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)與過程、教學(xué)方法與模式，需要教師和學(xué)生共同參與。OBE總體設(shè)計(jì)理念是先進(jìn)的，教師在具體執(zhí)行過程中要根據(jù)自身課程以及學(xué)生特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為結(jié)果而學(xué)習(xí)，教學(xué)和學(xué)習(xí)過程能不斷互動(dòng)并持續(xù)改進(jìn)。OBE在本門課程教學(xué)過程中取得了良好的教學(xué)效果，后續(xù)教學(xué)過程中將在我校同類課程進(jìn)行推廣應(yīng)用。