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    OBE-CDIO理念下“單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)探索與實(shí)踐

    2023-07-04 08:04:41曹一鵬吳昊毛艷娥
    關(guān)鍵詞:單片機(jī)工程能力

    曹一鵬 吳昊 毛艷娥

    摘? ? 要:文章針對(duì)“單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程的強(qiáng)實(shí)踐性特征,以及教學(xué)中的“四重四輕”問(wèn)題,提出了基于OBE-CDIO理念對(duì)“單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)進(jìn)行了改革,闡述了教學(xué)改革的理論支持以及實(shí)施過(guò)程,以學(xué)生發(fā)展為中心,以成果導(dǎo)向教育OBE為目標(biāo),以CDIO的四個(gè)環(huán)節(jié)為著手點(diǎn)對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革,并堅(jiān)持持續(xù)改進(jìn)以達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn),從而提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

    關(guān)鍵詞:“單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程;OBE-CDIO;四重四輕;專業(yè)認(rèn)證;工程實(shí)踐能力

    中圖分類號(hào):G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? 文章編號(hào):1002-4107(2023)07-0074-04

    作者簡(jiǎn)介:曹一鵬(1981—),男,吉林大安人,沈陽(yáng)航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師,主要從事單片機(jī)教學(xué)及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。

    基金項(xiàng)目:2021年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于數(shù)字孿生的《單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》混合教學(xué)模式改革研究”(遼教辦〔2021〕254號(hào));2022年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)與共享項(xiàng)目)“以跨校修讀為基礎(chǔ)、以提升工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向的‘單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用課程改革的探索與實(shí)踐”(遼教辦〔2022〕160號(hào));2022年沈陽(yáng)航空航天大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于提升學(xué)生工程能力的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)體系的改革與實(shí)踐”(JG2022001)

    在教育全球化的大背景下,為應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷升級(jí)創(chuàng)新,高等教育改革也隨之不斷革新,工程教育成為當(dāng)前高校教育界廣泛研究探討的話題,尤其是工科高校,更是將工程教育專業(yè)認(rèn)證作為一項(xiàng)提高工科專業(yè)畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量中重要的一環(huán)來(lái)實(shí)施。在2016年,我國(guó)成功加入《華盛頓協(xié)議》后積極開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證,要求國(guó)內(nèi)各高校(尤其是工科類的高校),根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的三個(gè)基本思想(以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn))推進(jìn)工程教育改革的不斷創(chuàng)新,使工程教育得到更高質(zhì)量的提升;促進(jìn)與工業(yè)界及產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系,提高行業(yè)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)度,以培養(yǎng)優(yōu)秀的工程應(yīng)用及創(chuàng)新人才;促進(jìn)與國(guó)際工程教育的互認(rèn),逐步提高我國(guó)工程技術(shù)人才的國(guó)際影響力及競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

    沈陽(yáng)航空航天大學(xué)(下文簡(jiǎn)稱“沈航”)是一所以工科為主的高校,學(xué)校正在積極推進(jìn)各工科專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證?!皢纹⑿陀?jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”(以下簡(jiǎn)稱“單片機(jī)”)課程是沈航的校級(jí)平臺(tái)課,同時(shí)也是遼寧省一流課程,學(xué)校大多數(shù)工科專業(yè)均修讀該門課程,所以“單片機(jī)”課程也必須要進(jìn)行針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證的改革,以提升工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

    一、“單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)體系存在的問(wèn)題

    “單片機(jī)”課程具有強(qiáng)實(shí)踐性的特征,沈航開(kāi)設(shè)的“單片機(jī)”在課內(nèi)和課外均配有實(shí)踐環(huán)節(jié),但仍以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主,輔以課設(shè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。然而,在通過(guò)工程教育認(rèn)證之前,沈航的“單片機(jī)”課程教學(xué)體系仍存有以下不足。

    1.重知識(shí)傳授,輕能力培養(yǎng)。任課教師將理論知識(shí)的傳授看得較重,將實(shí)驗(yàn)作為課程理論知識(shí)的補(bǔ)充,實(shí)驗(yàn)的目的僅僅是驗(yàn)證理論知識(shí),對(duì)“單片機(jī)”整個(gè)開(kāi)發(fā)流程未做或較少涉及,所以對(duì)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)較為不足。

    2.重課上講授,輕課下實(shí)踐。課堂教學(xué)中存在著以任課教師的講授為主的問(wèn)題,但近年來(lái)受縮減學(xué)時(shí)學(xué)分的影響,實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)大多放到課下完成,課上任課教師與學(xué)生互動(dòng)較少,缺乏翻轉(zhuǎn)課堂的有效實(shí)施,學(xué)生做出來(lái)的優(yōu)秀案例也得不到很好的展示,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的思考積極性不高。

    3.重知識(shí)點(diǎn)講解,輕知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系。教師授課主要采用講授、討論及案例相結(jié)合等教學(xué)方法,針對(duì)每章重要知識(shí)點(diǎn)能夠作出詳細(xì)的講解,使得學(xué)生能夠較好地掌握知識(shí)點(diǎn),但各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系講授不夠,不利于學(xué)生全面深入地掌握單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程,難以提升學(xué)生的系統(tǒng)分析能力。

    4.重考試結(jié)果,輕學(xué)習(xí)過(guò)程。在學(xué)生評(píng)價(jià)方面,仍采用“一考定成績(jī)”為主的評(píng)價(jià)方式,缺少過(guò)程化和精細(xì)化的考核,無(wú)法滿足以學(xué)生為中心的多樣化及能力化要求,無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果,更做不到持續(xù)改進(jìn)授課內(nèi)容和方法。

    綜上,“單片機(jī)”課程若不進(jìn)行適應(yīng)發(fā)展的改革,仍采用傳統(tǒng)教學(xué)模式,將無(wú)法達(dá)到工程教育能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

    二、教學(xué)改革的理論支持

    OBE(Outcomes Based Education)是最早出現(xiàn)在美國(guó)與澳大利亞的中小學(xué)基礎(chǔ)教育改革中的一種重視學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教學(xué)模式,其核心思想是學(xué)校、教師、管理人員等對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的能力具有清晰地設(shè)計(jì),通過(guò)“反向設(shè)計(jì),正向?qū)嵤?,尋求適合的教育模式及方法來(lái)促使學(xué)生達(dá)到這些預(yù)期目標(biāo),即教育者更看重如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和獲得怎樣的學(xué)習(xí)成果[3]。CDIO工程教育模式(C:構(gòu)思Conceive、D:設(shè)計(jì)Design、I:實(shí)現(xiàn)Implement、O:運(yùn)行Operate)是國(guó)際工程教育創(chuàng)新的研究成果,在2011年,其創(chuàng)始人愛(ài)德華·克勞利(Edward?Crawley)因?qū)υ撃J降难芯繕s獲被譽(yù)為“工程界的諾貝爾獎(jiǎng)”的美國(guó)工程院“戈登獎(jiǎng)”[4]。CDIO工程教育模式是指以項(xiàng)目為載體,學(xué)生從主動(dòng)、實(shí)踐、課程及其之間聯(lián)系等多方面學(xué)習(xí)工程知識(shí),旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、系統(tǒng)工程能力、個(gè)人能力及團(tuán)隊(duì)合作能力[5]。從上述兩大理論的核心思想可以得出,OBE可以作為目標(biāo),CDIO可以作為手段,通過(guò)將OBE與CDIO有效結(jié)合與互補(bǔ),能夠有效地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)綜合型人才的既定目標(biāo),并確定了學(xué)生對(duì)“單片機(jī)”課程的整體預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出,又根據(jù)該預(yù)期學(xué)習(xí)成果,構(gòu)建教學(xué)目標(biāo),反向設(shè)計(jì)該門課程的教學(xué)內(nèi)容和方法,按照CDIO開(kāi)展教學(xué),針對(duì)“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”四環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)項(xiàng)目式訓(xùn)練方法,形成OBE-CDIO有效結(jié)合的教學(xué)模式。通過(guò)應(yīng)用該教學(xué)模式可提升學(xué)生的工程應(yīng)用能力、終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[6]。

    三、課程改革的實(shí)施

    本文以沈航的“單片機(jī)”課程為載體,初步探索基于OBE-CDIO教學(xué)模式的改革工作與效果?!皢纹瑱C(jī)”課程改革遵循的改革思路如圖1所示。

    (一)構(gòu)思(Conceive)——重新梳理教學(xué)大綱,制定教學(xué)目標(biāo)

    在課程改革前的教學(xué)大綱中,各章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)多為要求學(xué)生對(duì)重要概念和SFR(特殊功能寄存器)的記憶,以及對(duì)基本應(yīng)用的理解,卻沒(méi)有重視通過(guò)多知識(shí)點(diǎn)的融合提升學(xué)生分析、解決具有高階性、創(chuàng)新性及挑戰(zhàn)度的復(fù)雜工程問(wèn)題能力,更沒(méi)有體現(xiàn)出課程思政對(duì)課程本身以及學(xué)生自身發(fā)展帶來(lái)的益處。

    筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于OBE的教育理念,根據(jù)國(guó)家發(fā)展要求及行業(yè)需求,確定學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和能力,重新梳理教學(xué)大綱,構(gòu)思培養(yǎng)學(xué)生能力的方向,結(jié)合課程思政設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)。另外,由于“單片機(jī)”課程一般開(kāi)設(shè)在第五、六學(xué)期,因此側(cè)重于使用高級(jí)別的布魯姆認(rèn)知深度來(lái)表示,使學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的“單片機(jī)”專業(yè)知識(shí)、應(yīng)達(dá)到的能力形成較為清晰的認(rèn)識(shí)。

    (二)設(shè)計(jì)(Design)——整理教學(xué)資源,設(shè)計(jì)教學(xué)手段和方法

    OBE-CDIO教育理念的核心是以學(xué)生為中心,以學(xué)生獲得的能力為導(dǎo)向,對(duì)于知識(shí)點(diǎn),學(xué)生應(yīng)該做到的是理解而非簡(jiǎn)單的記憶,這就要求改變以教師為中心的授課方式,教師在授課中要注重培養(yǎng)學(xué)生具有解決開(kāi)放問(wèn)題的能力,而非只具有解決有固定答案問(wèn)題的能力[7]。筆者以下從理論授課、實(shí)踐操作兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)闡述OBE-CDIO理念在“單片機(jī)”授課中的設(shè)計(jì)。

    在理論授課環(huán)節(jié),筆者在設(shè)計(jì)課程內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)方式時(shí),重視教育部對(duì)示范性金課的要求,重點(diǎn)設(shè)計(jì)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的案例。先拋出案例,進(jìn)而分析其中用到的知識(shí)和技術(shù),重視多知識(shí)點(diǎn)的融合,并將這些知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與講解。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中,要不斷總結(jié)開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的方法和技術(shù),理順各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)部聯(lián)系,提升自己分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

    在實(shí)踐操作環(huán)節(jié),筆者盡量減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí),較多地安排具有設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)。但由于學(xué)生學(xué)習(xí)能力、前期的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備及實(shí)踐動(dòng)手能力不同,所以筆者將實(shí)踐項(xiàng)目分為三類,即基本實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、學(xué)生自主立題的開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)。對(duì)于基本實(shí)驗(yàn),主要是以各章重要的知識(shí)點(diǎn)為載體,目的是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。對(duì)于綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),利用專項(xiàng)設(shè)計(jì),使學(xué)生熟悉并理解單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程,目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)及單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力。對(duì)于學(xué)生自主立題的開(kāi)放型實(shí)驗(yàn),利用沈航計(jì)算機(jī)學(xué)院的本科生進(jìn)教師研究室的政策,鼓勵(lì)優(yōu)秀的本科生進(jìn)入教師的研究室,以教師科研項(xiàng)目為依托,立足產(chǎn)教融合,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力及工程實(shí)踐能力。通過(guò)以上三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建出如圖2所示的階梯式實(shí)踐教學(xué)模式,按科學(xué)規(guī)律循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的各項(xiàng)工程實(shí)踐能力。

    另外,在設(shè)計(jì)理論課程及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí),筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)深入挖掘“單片機(jī)”課程中蘊(yùn)含的思政元素,尤其是通過(guò)案例引入知識(shí)點(diǎn),注重案例中蘊(yùn)含的精神、思想、價(jià)值等思政內(nèi)容,在潛移默化中提升學(xué)生的思想道德品質(zhì),做到習(xí)近平總書(shū)記要求的“全員、全程、全方位育人”。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)課程思政內(nèi)容的無(wú)聲融入,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)動(dòng)力,進(jìn)而提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力[8]。

    (三)實(shí)現(xiàn)(Implement)——借助跨校修讀,拓展學(xué)生的知識(shí)面

    在實(shí)踐中,教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的混合式跨校修讀教學(xué)模式,借助于遼寧省推行的“酷學(xué)遼寧”平臺(tái),堅(jiān)持以學(xué)生為主體,學(xué)生發(fā)展為中心,以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向,改變傳統(tǒng)教學(xué)的灌輸式授課方式,構(gòu)建“做中學(xué)、用中學(xué)、練中學(xué)”的3L(Learning by doing,Learning by using,Learning by training)人才培養(yǎng)的新模式,著力提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

    跨校修讀分為建課方和用課方,雙方共同制定教學(xué)計(jì)劃。課前,要求學(xué)生在通過(guò)“酷學(xué)遼寧”平臺(tái)觀看建課方教師的授課視頻,完成布置的思考題。課中,改革團(tuán)隊(duì)教師拋出在設(shè)計(jì)階段精心準(zhǔn)備的案例,通過(guò)理論分析、仿真演示及實(shí)際構(gòu)建,要求學(xué)生進(jìn)行討論分析,回答出教師提出的問(wèn)題,最后教師認(rèn)真講解本章的知識(shí)點(diǎn)以及與前序知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系,并進(jìn)行總結(jié)歸納。課后,通過(guò)布置作業(yè)、拓展閱讀、實(shí)操訓(xùn)練等方式提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況,最后,用課方將學(xué)生的掌握情況反饋到建課方教師,雙方通過(guò)針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。整個(gè)實(shí)現(xiàn)階段師生工作學(xué)習(xí)內(nèi)容如表1所示。

    (四)運(yùn)行(Operate)——細(xì)化考核方式,培養(yǎng)學(xué)生多方面能力

    通過(guò)對(duì)課程進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)三階段改革之后,教學(xué)團(tuán)隊(duì)改變以往僅通過(guò)一次期末考試就決定學(xué)生成績(jī)的考核方式,加大過(guò)程考核比重,將總評(píng)成績(jī)?cè)O(shè)定由觀看視頻時(shí)長(zhǎng)、線上測(cè)試成績(jī)、小組討論、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、期中成績(jī)、期末成績(jī)等幾部分,通過(guò)增加這些考核環(huán)節(jié)來(lái)提升學(xué)生的多方面能力,如:工程實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、語(yǔ)言表達(dá)能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等,并注重培養(yǎng)學(xué)生的高級(jí)工程思維。另外,在期末考試中,增加一些具有開(kāi)放性答案的試題,對(duì)學(xué)生是否具有解決開(kāi)放問(wèn)題的能力進(jìn)行考查??己朔绞胶湍芰?duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

    四、課程的持續(xù)改進(jìn)

    工程教育專業(yè)的一個(gè)重要理念就是持續(xù)改進(jìn),因此教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況、考試情況和學(xué)生工程實(shí)踐能力提升情況,認(rèn)真總結(jié)改革成果,持續(xù)改進(jìn)教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)學(xué)校督導(dǎo)聽(tīng)課、任課教師互相聽(tīng)課、學(xué)生評(píng)價(jià)教師等多種手段尋找教學(xué)中的問(wèn)題與不足;通過(guò)計(jì)算教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成,分析課程中授課方法和手段的不足,提出合理化的改進(jìn)建議;與專業(yè)的思政課教師共同討論,形成協(xié)同育人教學(xué)團(tuán)隊(duì),發(fā)揮課程思政的思想引領(lǐng)作用;側(cè)重將理論知識(shí)和動(dòng)手能力高度融合,更加強(qiáng)調(diào)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用的能力,使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體與中心。

    五、結(jié)語(yǔ)

    培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的綜合素質(zhì)人才是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心目標(biāo),在OBE-CDIO理念指導(dǎo)下對(duì)“單片機(jī)”課程教學(xué)進(jìn)行改革,以學(xué)生發(fā)展為中心,以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向,反向設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo),正向?qū)嵤┙虒W(xué)過(guò)程,持續(xù)改進(jìn),循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。該教學(xué)改革成果目前已經(jīng)推廣到其他課程的教學(xué)當(dāng)中,并且“單片機(jī)”課程隸屬的沈航計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)也已成功通過(guò)工程教育專業(yè)認(rèn)證。經(jīng)實(shí)踐證明,基于OBE-CDIO理念的教學(xué)深受學(xué)生、家長(zhǎng)、企業(yè)的歡迎,極大地激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力以及社會(huì)適應(yīng)能力,為國(guó)家發(fā)展和社會(huì)需要培養(yǎng)優(yōu)秀的單片機(jī)行業(yè)人才。

    參考文獻(xiàn):

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    [責(zé)任編輯? 韓曉雨]

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