基于OBE-CDIO模式下應(yīng)用型本科單片機(jī)課程的教學(xué)改革

關(guān)鍵詞：OBE-CDIO；單片機(jī)；工程實踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）03-0165-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在工業(yè)4.0和智能制造的背景下迅猛發(fā)展，單片機(jī)作為其核心，廣泛應(yīng)用于儀器、物聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備和通信裝置等領(lǐng)域，推動了控制設(shè)備的智能化、自動化和高效化，為現(xiàn)代工業(yè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。自我國2016年加入《華盛頓協(xié)議》以來，工程教育認(rèn)證加速推進(jìn)，尤其是應(yīng)用型本科院校，亟需通過工程教育改革提升學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)智化發(fā)展的技術(shù)人才[1]。然而，當(dāng)前單片機(jī)課程過于注重理論教學(xué)，實踐訓(xùn)練多依賴仿真，導(dǎo)致學(xué)生難以獲得實踐成就感，且統(tǒng)一的實踐任務(wù)未能兼顧不同基礎(chǔ)的學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。針對這些問題，提出基于OBE-CDIO模式的課程改革，強(qiáng)調(diào)成果導(dǎo)向和工程模式培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提升教學(xué)效果。

1 OBE與CIDO工程教育理念相結(jié)合

OBE（Outcome Based Education）是基于成果導(dǎo)向教育的教育理論，以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)最終的學(xué)習(xí)成果。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是以工程教育為理念，更注重學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)為一體的綜合實踐能力，二者的結(jié)合已成為國際工程教育改革的主流[2]。在單片機(jī)及應(yīng)用課程的教學(xué)過程中，基于OBE理念，明確學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果，并據(jù)此設(shè)計課程方案，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力。在實踐過程中結(jié)合CDIO理念，通過讓學(xué)生全程參與項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運(yùn)行，將教學(xué)與實際工程應(yīng)用緊密結(jié)合，形成“項目為載體，任務(wù)為主線”的教學(xué)模式，以提升學(xué)生的綜合實踐能力和學(xué)習(xí)成就感。

2基于OBE-CDIO模式下的單片機(jī)課程目標(biāo)

單片機(jī)課程要求學(xué)生掌握單片機(jī)的原理、程序設(shè)計和應(yīng)用。該課程的教學(xué)目標(biāo)又可以分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和思政目標(biāo)。1）知識目標(biāo)：掌握單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、定時器/計數(shù)器及串口通信原理，并了解系統(tǒng)擴(kuò)展方法。2）能力目標(biāo)：熟練使用Proteus仿真軟件和Keil進(jìn)行單片機(jī)編程與項目設(shè)計，并借助開發(fā)板進(jìn)行硬件調(diào)試。3）素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生查閱和利用資料的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的職業(yè)素養(yǎng)及良好的團(tuán)隊協(xié)作精神。4）思政目標(biāo)：將“科技創(chuàng)新、愛國情懷、工匠精神、職業(yè)素養(yǎng)、科學(xué)精神、學(xué)習(xí)方法養(yǎng)成”等思政元素有機(jī)融入實踐教學(xué)。

教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)方法如表1所示。

3重構(gòu)知識體系

按照畢業(yè)所需達(dá)到的知識、能力和素質(zhì)等方面的要求，基于OBE理念，重新構(gòu)單片機(jī)實踐項目內(nèi)容，建立“基礎(chǔ)實驗項目”“綜合型實驗項目”“設(shè)計開放型實驗項目”的三級階梯式實踐項目體系，由淺到深、循序漸進(jìn)地開展實踐教學(xué)，從而將各單元串接起來，綜合制作完成實驗項目[3]。

同時，針對不同基礎(chǔ)的學(xué)生，將每個項目內(nèi)容又分為為基礎(chǔ)層和拓展層（如表2所示） 。對于基礎(chǔ)層內(nèi)容，主要是以單片機(jī)各章重要的知識點為載體，實現(xiàn)項目的基本功能，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升學(xué)生的實踐動手能力。對于拓展層內(nèi)容，利用專項設(shè)計，在實現(xiàn)基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上拓展額外功能，學(xué)生需查閱資料，收集信息，培養(yǎng)學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)能力及創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力。

4采用CDIO模式實施教學(xué)

4.1教學(xué)實施過程

實驗項目在CDIO工程教育模式下實施，將CDIO理念貫穿于整個教學(xué)過程中。每個實驗項目按照“項目—功能任務(wù)—知識模塊—知識點”的模式分解，并將具體知識點與功能實現(xiàn)對應(yīng)起來，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。實踐過程以項目為載體，將構(gòu)思、設(shè)計、實施和運(yùn)作四個階段運(yùn)用于課程實踐環(huán)節(jié)中，提升實踐能力和問題解決能力。以下以秒表設(shè)計項目為例進(jìn)行詳細(xì)分析，如表3所示。

1）構(gòu)思階段：教師通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布秒表實驗項目任務(wù)和設(shè)計手冊，鼓勵學(xué)生自主分析秒表功能，并提出初步設(shè)計思路。基礎(chǔ)層任務(wù)包括數(shù)碼管顯示數(shù)字和秒表功能設(shè)計，而拓展層任務(wù)則包含LCD顯示升級、按鍵暫停功能和提示音功能的加入。該階段的核心目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，通過預(yù)習(xí)理解課程背景并構(gòu)建系統(tǒng)功能框架。

2）設(shè)計階段。教師將系統(tǒng)功能分解為具體任務(wù)模塊，對應(yīng)相關(guān)知識點進(jìn)行講解，幫助學(xué)生理解如何將知識應(yīng)用于實際項目?；A(chǔ)任務(wù)包括數(shù)碼管顯示程序設(shè)計、定時程序設(shè)計及主程序處理等，而拓展任務(wù)增加了LCD顯示、按鍵控制和提示音等模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。該階段的重點是讓學(xué)生掌握模塊化設(shè)計思維，逐步實現(xiàn)從功能單元到系統(tǒng)集成的邏輯思維。

3）實施階段。學(xué)生通過編寫代碼并進(jìn)行集成調(diào)試，完成系統(tǒng)功能驗證?；A(chǔ)層任務(wù)包括系統(tǒng)整體調(diào)試、數(shù)碼管顯示和秒表功能的測試，拓展層任務(wù)則進(jìn)一步驗證LCD顯示、按鍵暫停功能及提示音功能。此階段的核心是通過測試和優(yōu)化，提升學(xué)生的實踐能力與問題解決能力。

4）運(yùn)作階段。學(xué)生展示秒表系統(tǒng)的整體功能并提出優(yōu)化方案，基礎(chǔ)層和拓展層均以系統(tǒng)演示和進(jìn)一步優(yōu)化為目標(biāo)。通過此階段，學(xué)生不僅能夠驗證設(shè)計成果，還能培養(yǎng)批判性思維和持續(xù)改進(jìn)的意識，進(jìn)一步增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

與此同時，課程基于OBE理念，提供線上教學(xué)資源支持個性化學(xué)習(xí)。學(xué)生可以自主選擇學(xué)習(xí)模塊，靈活安排進(jìn)度，與項目實踐緊密結(jié)合。在智能小車競賽中，學(xué)生通過編程與應(yīng)用參與班級競賽項目，競賽內(nèi)容涵蓋程序優(yōu)化、速度競賽和障礙物躲避等。通過這種方式，學(xué)生不僅能夠強(qiáng)化理論知識，還能在實際項目中鍛煉實踐能力與團(tuán)隊合作精神，實現(xiàn)個性化發(fā)展和成果導(dǎo)向的全面教學(xué)目標(biāo)。

4.2融入思政元素，拓展學(xué)生思想維度

課程中融入思政元素，通過引入單片機(jī)在智能交通、智能變電站、智慧駕駛等電氣專業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的實際應(yīng)用，拓寬學(xué)生視野，幫助學(xué)生解電氣專業(yè)的未來發(fā)展方向，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時，通過項目實踐和競賽活動，將職業(yè)道德和社會責(zé)任感融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓そ尘窈蛨F(tuán)隊合作意識，塑造具備高尚品德和社會擔(dān)當(dāng)?shù)男聲r代科技人才。同時引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注技術(shù)的社會影響，培養(yǎng)社會責(zé)任感和愛國情懷，鼓勵他們關(guān)注前沿技術(shù)并合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，助力科技創(chuàng)新。通過寬度、廣度、深度和高度四個維度豐富課程內(nèi)容，課程不僅在知識傳授上豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，還在思想塑造方面實現(xiàn)了知識育人與思想化人的教育目標(biāo)[4]。

5重建考核方式，多元化評價學(xué)習(xí)效果

美國課程評論專家泰勒認(rèn)為，所謂的課程考核，其目的應(yīng)該是確認(rèn)教學(xué)效果是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，而不是用來評判一個學(xué)生的好壞[5]。在這一過程中，學(xué)生不應(yīng)被動地接受外界的評判，而應(yīng)主動參與進(jìn)來。因此，在重建考核方式時，采用多元化評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合課堂項目完成度、項目演示講解、項目報告以及實踐設(shè)計綜合報告，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面評價。課堂項目完成度占比20%，重點考核學(xué)生在課堂項目中的完成情況與質(zhì)量。項目演示講解占比30%，評估學(xué)生對程序設(shè)計的理解、軟硬件調(diào)試能力及其表達(dá)與溝通能力。項目報告占比20%，側(cè)重考查學(xué)生項目的完整性、邏輯性和對關(guān)鍵知識點的分析與應(yīng)用。實踐綜合報告占比30%，要求學(xué)生以學(xué)術(shù)論文形式撰寫，結(jié)合項目內(nèi)容及擴(kuò)展功能，重點考查其方案分析、理論應(yīng)用和撰寫規(guī)范等綜合能力。整個考核方式注重過程性與應(yīng)用性，提升學(xué)生在知識掌握、實踐能力和創(chuàng)新能力等方面的綜合發(fā)展，確?？己伺c教學(xué)目標(biāo)的一致性。

6結(jié)束語

本文在OBE和CDIO理念的指導(dǎo)下，探索了單片機(jī)課程的改革實踐，通過實踐項目驅(qū)動、學(xué)生為中心的教學(xué)模式，強(qiáng)化了學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，并建立了線上學(xué)習(xí)資源，支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)機(jī)制。多元化的考核方式從多個維度提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)，切實達(dá)成了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化線上線下教學(xué)資源的整合，并探索更多針對不同學(xué)生層次的個性化教學(xué)方案，提升工程教育的整體效果。