基于OBE理念的EDA技術(shù)項(xiàng)目化教學(xué)改革與實(shí)踐

顧 涵，張惠國(guó)，周步昆

（常熟理工學(xué)院 a.電子信息工程學(xué)院；b.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

工程教育認(rèn)證堅(jiān)持“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”[1]三大核心理念，是國(guó)際通用的工程教育質(zhì)量保障制度，也是工程教育國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)．我國(guó)于2016年6月正式加入《華盛頓協(xié)議》[2]，認(rèn)證專(zhuān)業(yè)覆蓋21個(gè)門(mén)類(lèi)，獲得協(xié)議組織其他成員國(guó)的認(rèn)可，也為我國(guó)高等教育的工程化發(fā)展明確了方向．基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE）[3]最早由美國(guó)提出，經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，得到了教育界的高度認(rèn)可和廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為國(guó)際《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》[4]中的主流理念．本文基于OBE教育理念，對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）技術(shù)課程的項(xiàng)目化教學(xué)進(jìn)行分析與討論．

1 OBE理念的課程優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的教育理念采用單向傳輸方式[5]，由教師主導(dǎo)課程教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)．OBE理念的課程教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)相比，更加注重教師與學(xué)生之間的討論與互動(dòng)．OBE理念以學(xué)生為中心，不僅關(guān)注教師知識(shí)的傳授，更加注重學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過(guò)各種評(píng)價(jià)及反饋機(jī)制來(lái)協(xié)助學(xué)生更好地獲取知識(shí)，達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果．學(xué)生之間也不再只有學(xué)習(xí)成績(jī)高低的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是更多通過(guò)項(xiàng)目合作的方式，構(gòu)建起團(tuán)結(jié)和諧的學(xué)習(xí)氛圍，促使學(xué)生不斷挑戰(zhàn)自己，逐步提升能力．

EDA技術(shù)是高校工科專(zhuān)業(yè)中培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課．課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力要求較高，需要緊跟當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，使學(xué)生具備從事電子類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力．正是由于該門(mén)課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，引入OBE理念后，針對(duì)EDA技術(shù)課程的項(xiàng)目案例，學(xué)生可以以團(tuán)隊(duì)合作的方式開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)．因此，將OBE理念引入該課程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

2 EDA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

下面以常熟理工學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的EDA技術(shù)課程為例，分析課程的教學(xué)現(xiàn)狀．

2.1 理論與實(shí)踐脫節(jié)，課時(shí)分配受限

EDA技術(shù)是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)并重的課程，總學(xué)時(shí)為48，其中理論32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)．如果沒(méi)有前期數(shù)字系統(tǒng)及VHDL硬件描述語(yǔ)言的先修課程，32有限學(xué)時(shí)與相對(duì)分散的理論知識(shí)點(diǎn)間存在著平衡矛盾．在有限的學(xué)時(shí)下，教師會(huì)將重點(diǎn)放在VHDL語(yǔ)言的講解上，而忽略系統(tǒng)級(jí)的分析和考慮．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也會(huì)將重點(diǎn)放在模塊功能的演示上，而忽略系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，從而造成理論與實(shí)踐脫節(jié)．一學(xué)期下來(lái)，學(xué)生會(huì)覺(jué)得枯燥無(wú)味，而對(duì)于數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)卻一知半解．

2.2 實(shí)踐內(nèi)容簡(jiǎn)單，指導(dǎo)教程過(guò)于詳細(xì)

EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沿用了多年的編程案例，如寄存器電路設(shè)計(jì)、層次化電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)等．這些實(shí)驗(yàn)案例雖然都是經(jīng)典案例，能夠鞏固和訓(xùn)練學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力，但是缺乏項(xiàng)目化案例定位，難度較低，學(xué)生單獨(dú)就可完成，很難達(dá)到綜合性訓(xùn)練效果．此外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配套教材指導(dǎo)過(guò)程過(guò)于詳細(xì)，學(xué)生按照教材步驟即可完成實(shí)驗(yàn)，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得不到訓(xùn)練和培養(yǎng)，主觀能動(dòng)性得不到充分發(fā)揮，團(tuán)隊(duì)協(xié)作及創(chuàng)新能力也得不到有效鍛煉和提高．

2.3 教學(xué)模式傳統(tǒng)，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式由教師主導(dǎo)課程教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)．EDA技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)分散，教師首先會(huì)介紹可編程邏輯器件的工藝、結(jié)構(gòu)與分類(lèi)，然后會(huì)介紹VHDL開(kāi)發(fā)環(huán)境及語(yǔ)言規(guī)范，最后才會(huì)介紹數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法．受限于課程學(xué)時(shí)，教師和學(xué)生之間基本沒(méi)有討論和互動(dòng)的時(shí)間，而實(shí)踐環(huán)節(jié)都是在單獨(dú)的時(shí)間內(nèi)完成，學(xué)習(xí)過(guò)程無(wú)法將理論與實(shí)踐充分結(jié)合起來(lái)．

此外，課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，本課程作為一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，更應(yīng)該注重這方面能力的培養(yǎng)．但實(shí)際情況是學(xué)生不管是理論還是實(shí)踐學(xué)習(xí)，都是在被動(dòng)地接受知識(shí)，按部就班地完成教師的任務(wù)，大家各做各的，不能形成團(tuán)結(jié)合作的學(xué)習(xí)氛圍，達(dá)不到預(yù)期團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)．

2.4 考核方式單一，評(píng)價(jià)體系不夠完善

EDA技術(shù)側(cè)重對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)試卷考核方式可以考核學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握情況，但是很難對(duì)學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題及動(dòng)手的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)．采用單一的考核方式會(huì)造成真正動(dòng)手能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才得不到有效選拔和鼓勵(lì)，而實(shí)際上間接鼓勵(lì)了普通的“考試型”人才[6]．EDA技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)有單獨(dú)的考核，但是原來(lái)的考核方式是在做過(guò)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中抽取一個(gè)作為考核題目，考核內(nèi)容相對(duì)固定，難度較低，很難客觀評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)際的動(dòng)手設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力，課程的整個(gè)評(píng)價(jià)體系不夠完善．

3 OBE理念下課程項(xiàng)目化教學(xué)改革

針對(duì)EDA技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合學(xué)校專(zhuān)業(yè)及學(xué)生的實(shí)際情況，基于OBE理念的課程項(xiàng)目化教學(xué)改革通過(guò)以下五個(gè)方面開(kāi)展．

3.1 以產(chǎn)出為導(dǎo)向，理實(shí)一體化設(shè)計(jì)

在OBE理念下，課程改革提出理實(shí)一體化設(shè)計(jì)[7]，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的傳授采用理論分析、實(shí)踐操作及理論實(shí)踐一體化等多種手段共同進(jìn)行．基于以產(chǎn)出為導(dǎo)向的理念，采用“反向設(shè)計(jì)，正向?qū)嵤盵8]的方法，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行反饋和完善．本課程可以選擇在實(shí)驗(yàn)室上課，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作穿插進(jìn)行；可以采用分析式、啟發(fā)式和研討式等多種教學(xué)方法，針對(duì)課程的難點(diǎn)內(nèi)容，分組組織學(xué)生進(jìn)行討論和自主學(xué)習(xí)；同時(shí)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、課后作業(yè)、課堂提問(wèn)等環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握工程分析、仿真和設(shè)計(jì)的能力．

3.2 項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力

在OBE理念下，課程改革提出項(xiàng)目化教學(xué)，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的比重．以項(xiàng)目案例為內(nèi)容單元，培養(yǎng)學(xué)生在完成項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中的團(tuán)隊(duì)合作能力．本課程可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次，整體提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難度，融入項(xiàng)目化教學(xué)和學(xué)習(xí)元素．可以在原來(lái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加串口控制、VGA顯示控制、藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制等內(nèi)容，組織學(xué)生2～4人組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，在相互溝通和討論后共同完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．針對(duì)部分難度較高的綜合實(shí)驗(yàn)，也可以采用開(kāi)放式的課堂模式，由項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用平時(shí)的空余時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)溝通交流的方式來(lái)完成．這樣可以進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，也更貼近于工程實(shí)踐的環(huán)境背景．

組建的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在師生的共同努力下，都能取得不錯(cuò)的成果．比如在2020年9月組建的一支電腦橫機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，由2018級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的4位學(xué)生組成．該團(tuán)隊(duì)參與了教師項(xiàng)目，主要負(fù)責(zé)電腦橫機(jī)選針器控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，在半年的時(shí)間里不僅設(shè)計(jì)完成了最新型的選針器控制系統(tǒng)，還與教師共同撰寫(xiě)了一篇論文《基于ARM和FPGA電腦橫機(jī)選針器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》發(fā)表于核心期刊[9]．

3.3 完善考核方式，制定綜合評(píng)價(jià)體系

在OBE理念下，除了要重點(diǎn)關(guān)注課程知識(shí)的講授外，還要制定完善的綜合評(píng)價(jià)體系．課程改革需要完善考核方式，把課程教學(xué)的效果客觀公正地反映出來(lái)．上文提出的課程教學(xué)采用理實(shí)一體化方式，在最后的考核階段，也要結(jié)合前期的教學(xué)實(shí)際制定相應(yīng)的“理實(shí)一體化考核辦法”．在理論考核時(shí)，除了考核常規(guī)的理論知識(shí)外，要突出課程的“實(shí)用性”，增加主觀設(shè)計(jì)性題目的分值比重，減少死記硬背的內(nèi)容，同時(shí)可以引入工程應(yīng)用的項(xiàng)目案例，考核學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力．比如在考核計(jì)數(shù)器功能編程時(shí)，可以結(jié)合分頻器的功能，采用“數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目案例來(lái)進(jìn)行考核．該項(xiàng)目主要由計(jì)數(shù)器和分頻器兩大模塊構(gòu)成，學(xué)生如果能夠較好地完成數(shù)字秒表的編程設(shè)計(jì)，那就說(shuō)明已經(jīng)較好地掌握了計(jì)數(shù)器模塊的實(shí)現(xiàn)方法．在實(shí)踐考核時(shí)，除了考核動(dòng)手能力外，還可以多加入些對(duì)于較難知識(shí)點(diǎn)的分析和理解性?xún)?nèi)容，比如在考核元件例化語(yǔ)句掌握情況時(shí)，可以增加對(duì)元件例化語(yǔ)句關(guān)聯(lián)方式的分析和理解．讓學(xué)生在掌握具體方法外，還可以加深對(duì)語(yǔ)句關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵的理解，從而進(jìn)一步鞏固課程理論知識(shí)．

3.4 建立課程教學(xué)反饋機(jī)制

在OBE理念下，課程的教學(xué)效果最終是由社會(huì)和用人單位的反饋評(píng)價(jià)情況來(lái)決定的．課程改革需要建立教學(xué)反饋機(jī)制[10]，通過(guò)反饋評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)不斷修正和完善教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案，具體方式如圖1所示．本課程是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)必修課程，學(xué)生進(jìn)入用人單位后，較大可能會(huì)運(yùn)用到課程的相關(guān)知識(shí)和技能．因此可以建立畢業(yè)生跟蹤及用人單位反饋機(jī)制，請(qǐng)畢業(yè)生定期反饋所學(xué)知識(shí)在用人單位的使用情況．對(duì)于很少使用的知識(shí)點(diǎn)，我們就應(yīng)該減少講授時(shí)間；對(duì)于經(jīng)常使用的知識(shí)點(diǎn)，我們則應(yīng)該作為重點(diǎn)內(nèi)容來(lái)講授；對(duì)于用人單位會(huì)用到但學(xué)校課程教學(xué)中沒(méi)有涉及的相關(guān)內(nèi)容，我們就應(yīng)該增補(bǔ)進(jìn)課程內(nèi)容中．比如2016級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生中有3名同學(xué)畢業(yè)后共同就職于蘇州某集成電路設(shè)計(jì)公司，他們反饋在狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)中缺少“毛刺的產(chǎn)生和消除方法”介紹．收到該反饋后，課程組經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和研討后，根據(jù)實(shí)際情況在教學(xué)大綱中增補(bǔ)了相關(guān)內(nèi)容．同時(shí)，通過(guò)用人單位的管理層，也可以進(jìn)一步了解畢業(yè)生在企業(yè)的工作情況，以及相關(guān)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)是否合理．相信通過(guò)上述兩個(gè)方面的持續(xù)跟蹤，不斷修正和完善課程教學(xué)，我們培養(yǎng)的應(yīng)用型人才會(huì)更好地與社會(huì)需求接軌．

圖1 基于OBE理念的課程教學(xué)反饋機(jī)制

3.5 融入課程教學(xué)思政元素

在OBE理念下，除了要對(duì)學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)外，還要注重非技術(shù)因素能力的培養(yǎng)，因此課程改革需要融入思政元素[11]，把立德樹(shù)人的培養(yǎng)任務(wù)落到實(shí)處．本課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，融入思政元素后可以培養(yǎng)學(xué)生采用辯證思維思考問(wèn)題的能力．在講解元件例化語(yǔ)句時(shí)，被定義的每一個(gè)元件都有一個(gè)特定的功能，只有采用例化語(yǔ)句將所有不同功能的元件組合在一起時(shí)，才能構(gòu)成一個(gè)完整的電路系統(tǒng)．利用這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，我們可以引導(dǎo)學(xué)生注重個(gè)體與整體的辯證關(guān)系，充分發(fā)揮個(gè)體在整體中的作用．融入思政元素后的課程教學(xué)，會(huì)讓學(xué)生獲得更多寶貴的精神財(cái)富，有利于學(xué)生在將來(lái)的人生和職業(yè)生涯中行穩(wěn)致遠(yuǎn)．

4 結(jié)語(yǔ)

OBE理念的核心是實(shí)現(xiàn)以“教師為中心”向“學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)移，深入推進(jìn)OBE理念是高校落實(shí)高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和推動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新舉措．在工程教育認(rèn)證背景下，以常熟理工學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)為例，基于OBE理念對(duì)EDA技術(shù)的課程優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，從四個(gè)方面分析了課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于OBE理念的課程項(xiàng)目化教學(xué)改進(jìn)方法．