基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程教改研究

陳婷婷 修麗梅 陳曉丹

摘?要：本文在分析電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程重要性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于教學(xué)產(chǎn)出（OBE）教育模式的教學(xué)改革方案。該方案將傳統(tǒng)教學(xué)模式與開(kāi)放式教學(xué)相結(jié)合，教學(xué)過(guò)程與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，豐富完善了成果評(píng)價(jià)機(jī)制，并提供了學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合的具體方案，實(shí)現(xiàn)了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程以成果為導(dǎo)向的教學(xué)方法、執(zhí)行過(guò)程和考核方式改革。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)產(chǎn)出；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；學(xué)科競(jìng)賽；考核方式

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.12.085

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是工科電子通信類本科教學(xué)中一門重要的綜合技術(shù)應(yīng)用型實(shí)踐課程，該課程在講授現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法及基本流程和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化概念及EDA仿真工具的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具有一定復(fù)合功能的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。開(kāi)設(shè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的目的在于提高學(xué)生的電子工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的電子工程應(yīng)用、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生順利地由書(shū)本走向工程實(shí)踐，更好地適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的需求，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程綜合性強(qiáng)，要求學(xué)生以電子技術(shù)基礎(chǔ)類課程、單片機(jī)類課程為知識(shí)基礎(chǔ)，以基本編程語(yǔ)言、電子設(shè)計(jì)相關(guān)EDA輔助工具為技術(shù)支撐，熟練掌握基本電子測(cè)量工具和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試流程，對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和綜合應(yīng)用能力有極高的要求。因此，為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1?基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)框架

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based?Education，OBE），也被稱為成果導(dǎo)向教育，是由美國(guó)著名學(xué)者Spady提出的高等教育改革理念，是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來(lái)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育的結(jié)構(gòu)模式。OBE理念的三個(gè)核心要素分別為以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向和針對(duì)學(xué)習(xí)成果持續(xù)改進(jìn)。其中，以學(xué)生為中心是宗旨，成果導(dǎo)向是要求，持續(xù)改進(jìn)是機(jī)制。這與工程教育認(rèn)證的基本要求不謀而合，對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)這類綜合實(shí)踐課程的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)有十分重要的指導(dǎo)意義。

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程應(yīng)滿足的畢業(yè)要求包括工程知識(shí)、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、使用當(dāng)代工具等技術(shù)因素和個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、項(xiàng)目管理等非技術(shù)因素。因此，基于OBE的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)該以上述畢業(yè)要求為出發(fā)點(diǎn)，將逆向設(shè)計(jì)與正向?qū)嵤┫嘟Y(jié)合，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展研究，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心和以成果為導(dǎo)向的教育理念，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最優(yōu)化?；贠BE的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1?課程教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)框架

如圖1所示，在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程中，為了充分體現(xiàn)OBE教學(xué)理念，并與工程教育認(rèn)證的基本要求相契合，課程的教學(xué)改革研究主要立足以下幾方面進(jìn)行開(kāi)展。

（1）層次化、內(nèi)驅(qū)式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際相結(jié)合，設(shè)計(jì)有難度區(qū)分度的實(shí)踐案例應(yīng)用于日常教學(xué)，并將教學(xué)內(nèi)容與課內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

（2）多元化、復(fù)合式教學(xué)活動(dòng)組織。采用混合式教學(xué)模式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放和口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，打破硬件類實(shí)踐課程受場(chǎng)地限制的壁壘，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）多角度、全過(guò)程成果評(píng)價(jià)機(jī)制構(gòu)建。教學(xué)過(guò)程設(shè)置考核節(jié)點(diǎn)，以項(xiàng)目管理的形式綜合評(píng)定各組學(xué)生中期檢查、結(jié)題答辯、設(shè)計(jì)效果演示和文檔撰寫的質(zhì)量，并引入學(xué)生自評(píng)、互評(píng)環(huán)節(jié)，以達(dá)到更全面、合理、公平地對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評(píng)估的目的。

2?層次化、內(nèi)驅(qū)式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程目前普遍采用項(xiàng)目式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，但仍然存在課題內(nèi)容與工程實(shí)踐脫節(jié)、系統(tǒng)功能單一、缺乏任務(wù)層次和難度差異等問(wèn)題，又因?yàn)榧?lì)機(jī)制不強(qiáng)，容易導(dǎo)致學(xué)生主觀能動(dòng)性差、人云亦云的學(xué)習(xí)狀態(tài)。本文提倡通過(guò)層次化、內(nèi)驅(qū)式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和與課程有機(jī)結(jié)合的學(xué)科競(jìng)賽設(shè)計(jì)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改變學(xué)習(xí)現(xiàn)狀。

2.1?層次化設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容是具有一定功能的特定硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)全過(guò)程，包括硬件電路的設(shè)計(jì)、硬件電路的制作調(diào)試、軟件應(yīng)用程序的編寫調(diào)試、軟硬件聯(lián)調(diào)等4大部分。在進(jìn)行具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在確定項(xiàng)目應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能基礎(chǔ)上，增設(shè)若干擴(kuò)展或附加功能對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充，以半開(kāi)放式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)吸引學(xué)生、調(diào)動(dòng)學(xué)生。

以“步進(jìn)電機(jī)精密控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目的基本要求為：完成系統(tǒng)器件選型和電路設(shè)計(jì)，繪制系統(tǒng)電路原理圖和PCB版圖，完成硬件電路制作與調(diào)試，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的全步正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。該項(xiàng)目的擴(kuò)展要求為：（1）在基本功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)隊(duì)步進(jìn)電機(jī)1/2細(xì)分正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；（2）在細(xì)分控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算并顯示功能；（3）在計(jì)算顯示功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通過(guò)紅外遙控的形式對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)控制。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成基本要求可以獲得及格成績(jī)，在此基礎(chǔ)上，每完成一項(xiàng)擴(kuò)展要求成績(jī)即可獲得遞增。學(xué)生如果有額外的個(gè)性化設(shè)計(jì)還可以獲得更多加分。

考慮不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，既能保證大多數(shù)學(xué)生完成基本設(shè)計(jì)取得學(xué)分，又能為頭部學(xué)生提供更大的發(fā)揮空間，有利于激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

2.2?學(xué)科競(jìng)賽機(jī)制提升內(nèi)驅(qū)力

除了層次化設(shè)置課程的設(shè)計(jì)任務(wù)外，基于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程對(duì)知識(shí)和技能有深度和廣度要求的特點(diǎn)，將教學(xué)過(guò)程與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合也是有效提升學(xué)生內(nèi)驅(qū)力，達(dá)成更好學(xué)習(xí)效果的途徑。

由于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐類課程，可直接以課程規(guī)定的項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)為學(xué)科競(jìng)賽題目，以學(xué)生完成課題項(xiàng)目的分組為參賽單元，在課程結(jié)課時(shí)提交課程設(shè)計(jì)作業(yè)為競(jìng)賽作品，由教師和學(xué)生共同組成評(píng)審團(tuán)隊(duì)，根據(jù)各學(xué)生組的電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)演示及現(xiàn)場(chǎng)答辯情況給出評(píng)定成績(jī)，并按照評(píng)定成績(jī)排序授獎(jiǎng)。具體實(shí)施辦法可參考如下：

（1）評(píng)審團(tuán)隊(duì)由每個(gè)學(xué)生競(jìng)賽組的一名學(xué)生和課程組全部教師構(gòu)成，其中，教師團(tuán)隊(duì)給出的平均成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的70%，學(xué)生代表給出的平均成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的30%；

（2）以硬件電路和軟件應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度、自主設(shè)計(jì)程度）、現(xiàn)場(chǎng)演示效果（完成功能數(shù)量、精度、錯(cuò)誤率）和答辯情況（答辯PPT的繪制、課題講解的清晰程度、回答問(wèn)題情況）3項(xiàng)內(nèi)容為評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，3項(xiàng)所占比重分別為30％、40％和30％；

（3）名次評(píng)定以班為單位，每班一、二、三等獎(jiǎng)各一組，條件允許的情況下可以給予獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)一定的物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)。

3?多元化、復(fù)合式教學(xué)活動(dòng)組織

“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的知識(shí)傳授和獲取的模式，原來(lái)的以教師教授為中心轉(zhuǎn)變成了以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師引導(dǎo)輔助的形式。在知識(shí)大爆炸的時(shí)代，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取豐富的高質(zhì)量學(xué)習(xí)資源，在這樣的大背景下，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程只有從傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下融合的混合式教學(xué)模式，才能將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有限的課堂時(shí)間實(shí)現(xiàn)利用率最大化。即項(xiàng)目資料、基本測(cè)量?jī)x器操作方法、考核要求等內(nèi)容都以電子文檔或視頻的形式設(shè)置于線上教學(xué)環(huán)節(jié)，繪圖、仿真等只依靠計(jì)算機(jī)就可完成的學(xué)習(xí)任務(wù)也不過(guò)多占用實(shí)驗(yàn)室的線下教學(xué)時(shí)間，線下教學(xué)環(huán)節(jié)的時(shí)間主要用于學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試、電路制作、軟硬件聯(lián)調(diào)等工作。

此外，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于綜合實(shí)踐類課程，教學(xué)過(guò)程以教師引導(dǎo)為輔、學(xué)生實(shí)操為主。由于課程包含硬件電路設(shè)計(jì)部分的項(xiàng)目任務(wù)，教學(xué)實(shí)施過(guò)程需要實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備作支撐，課程的教學(xué)過(guò)程無(wú)法完全打破場(chǎng)地限制的壁壘。因此，充分利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理機(jī)制，采用集中教學(xué)與開(kāi)放式教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)組織形式，可以將教師和學(xué)生從課程設(shè)計(jì)集中教學(xué)周期中解放出來(lái)，讓學(xué)生可以充分利用自己的碎片時(shí)間，循序漸進(jìn)地完成項(xiàng)目任務(wù)。還可以選擇新興的口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器，將硬件調(diào)試環(huán)節(jié)帶出實(shí)驗(yàn)室。

以采用傳統(tǒng)的集中教學(xué)形式，為期2周的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程為例，如果將集中教學(xué)與開(kāi)放式教學(xué)相結(jié)合，可參考如下實(shí)施方案。

（1）課程開(kāi)課初期安排一至兩次集中教學(xué)（建議4～6學(xué)時(shí)），以供教師與學(xué)生充分討論項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、實(shí)施方法可行性等。

（2）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（建議6～8周），學(xué)生根據(jù)本小組的實(shí)際情況自行安排時(shí)間推進(jìn)項(xiàng)目，要求在此期間每位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的次數(shù)不少于5次，累計(jì)學(xué)時(shí)不少于20學(xué)時(shí)，學(xué)生上機(jī)次數(shù)和時(shí)間進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)，上機(jī)次數(shù)和累計(jì)學(xué)時(shí)少于規(guī)定視為不及格。

（3）在組織開(kāi)放式教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，教師每周固定時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室安排集中答疑1次，學(xué)生可以根據(jù)自己項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)展情況選擇是否參加集中答疑。

（4）課程進(jìn)行過(guò)程中和課程結(jié)束時(shí)，安排兩次集中教學(xué)，以小組現(xiàn)場(chǎng)展示及答辯形式組織中期檢查和結(jié)題答辯。

4?多角度、全過(guò)程成果評(píng)價(jià)機(jī)制構(gòu)建

僅依靠課程項(xiàng)目最終呈現(xiàn)的演示效果和設(shè)計(jì)報(bào)告對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定不能準(zhǔn)確反應(yīng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的精力投入和技術(shù)能力，只有從任課教師、學(xué)生自身、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手等多角度出發(fā)，針對(duì)課程開(kāi)展全過(guò)程考核，合理設(shè)置考核方式，才能公正、客觀地完成成果評(píng)價(jià)，并有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是以分組形式進(jìn)行的，如果仍然按照傳統(tǒng)方式，在集中答辯環(huán)節(jié)或者實(shí)驗(yàn)考核現(xiàn)場(chǎng)主要依賴指導(dǎo)教師的主觀評(píng)價(jià)，公正性難以把控。為了更加真實(shí)客觀地評(píng)獎(jiǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，應(yīng)該采取更多視角，增加不同身份的人員參與成果評(píng)價(jià)。例如，為了客觀評(píng)價(jià)學(xué)生在中期檢查和結(jié)題答辯過(guò)程中的表現(xiàn)，可以在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置學(xué)生評(píng)委，增設(shè)同行打分環(huán)節(jié)。還可以在分組設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，安排同組學(xué)生從多個(gè)維度，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，并通過(guò)學(xué)生的自評(píng)記錄獲得電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程持續(xù)改進(jìn)的數(shù)據(jù)信息。學(xué)生的自評(píng)記錄可參考表1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

此外，為了配合在教學(xué)過(guò)程中穿插的學(xué)科競(jìng)賽和開(kāi)放式的教學(xué)設(shè)置，在考慮學(xué)生上機(jī)次數(shù)時(shí)長(zhǎng)和設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置多個(gè)考查節(jié)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行過(guò)程性考核。具體的過(guò)程考查節(jié)點(diǎn)應(yīng)該包括電路仿真結(jié)果演示、電路原理圖/PCB版圖設(shè)計(jì)效果、硬件電路焊接質(zhì)量及調(diào)試結(jié)果、整機(jī)功能演示、中期檢查和結(jié)課答辯6部分。

5?結(jié)論

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)類綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)課程在學(xué)生能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高方面具有不可替代的作用，為學(xué)生基本工程師素養(yǎng)和科學(xué)工作作風(fēng)的形成奠定了基礎(chǔ)。本文所提出的基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出（OBE）的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革新模式，從教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、成果評(píng)價(jià)3方面進(jìn)行了以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、適應(yīng)工程教育認(rèn)證的課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究，并在付諸實(shí)踐后取得了良好的教學(xué)效果。

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