基于OBE理念的創(chuàng)新實驗室單片機培訓改革探索

摘" 要：針對某高校電工電子類創(chuàng)新實驗室大部分成員單片機程序設(shè)計和硬件設(shè)計能力不足、學習目標不明確等問題，提出一種基于成果導向教育理念的單片機項目化培訓改革方案，方案以成果為導向，采取項目驅(qū)動、夯實基礎(chǔ)設(shè)計知識、注重項目特色、構(gòu)建師生互評的評價體系的思路制定培訓目標和持續(xù)改進遞進式培訓內(nèi)容。經(jīng)過四年的實踐探索，培訓改革取得良好效果，激發(fā)了學生的學習自主性，提升了學生的工程實踐能力，鍛煉了學生項目設(shè)計創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：單片機培訓；OBE理念；創(chuàng)新實驗室

文章編號：1671-489X（2025）02-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.

0" 引言

成果導向教育（OBE，Outcome-Based Educa-tion）也稱為能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育[1]，是指教學設(shè)計和教學實施的導向是學生通過教育過程最后取得的學習成果。OBE理念強調(diào)學生取得什么樣的成果，取得這些成果的緣由，如何有效幫助學生取得成果，如何了解學生是否取得成果。更深的一層內(nèi)涵是要求先明確學習成果，采用多元彈性的個性化學習，學生通過學習過程完成自我實現(xiàn)的挑戰(zhàn)，教師根據(jù)成果反饋改進教學設(shè)計[2]。

在實施基于OBE理念的教學過程中，孫駟洲等[3]

提出引入OBE理念，以提高學生學習興趣和實踐能力為目標，整合實踐教學內(nèi)容，調(diào)整教學模式，將項目化和遞進教學模式貫穿單片機綜合設(shè)計實踐教學過程，激發(fā)學生的學習主動性，提升學生的工程實踐能力；王佳等[4]提出以成果導向為目標，采取項目驅(qū)動、反向設(shè)計、正向?qū)嵤┑脑O(shè)計思路確定課程教學目標和教學內(nèi)容，優(yōu)化教學設(shè)計，持續(xù)改進課程考核方式；張欣[1]研究和設(shè)計了基于OBE理念的教師考核與學生自我評價相結(jié)合的實踐課程評價體系，并通過實踐驗證了實踐教學改革與課程評價體系的合理性和有效性。

借鑒以上學者的改革模式，以某高校電工電子創(chuàng)新實驗室為例，筆者提出基于OBE理念的單片機項目化培訓改革方案。該方案以成果導向和“厚基礎(chǔ)、重特色”為培訓內(nèi)容設(shè)計路線，以項目化開發(fā)為驅(qū)動，制定遞進式培訓目標和內(nèi)容，以提高學生的學習主動性，培養(yǎng)其實踐動手能力，鍛煉其項目設(shè)計創(chuàng)新思維和工程問題分析與解決能力。

1" 單片機培訓模式現(xiàn)狀分析

1.1" 缺乏單片機開發(fā)板設(shè)計過程

目前，大部分學生在單片機學習過程中購買市面上的51單片機學習板，并獲取廠家提供的學習資料，以及結(jié)合Protues仿真軟件對一些簡單的功能模塊進行調(diào)試。同時，在其后的一些項目開展過程中，學生設(shè)計的樣機普遍采用“單片機開發(fā)板+各類功能模塊+杜邦線”的連接方式進行組裝調(diào)試。這就導致很多學生使用專用軟件繪制項目樣機PCB板和電子元器件焊接的能力比較弱，時常無法對樣機進行小型化設(shè)計，難以進一步優(yōu)化硬件電路設(shè)計。

1.2" 缺乏綜合程序整合能力，程序編寫混亂

培訓過程涉及單片機的基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、I/O口、中斷定時器、串行口、PWM等知識點，但知識點之間相互獨立。學生的學習過程僅限于對單一功能的驗證，未能運用所學理論知識點進行延伸設(shè)計，未能對多個功能進行整合調(diào)試，以致他們無法了解單片機各個功能之間千絲萬縷的關(guān)系，缺乏工程設(shè)計意識[5-6]。同時，學生在編寫程序過程中對一些變量函數(shù)命名、程序注釋和程序結(jié)構(gòu)設(shè)置不夠重視，從而導致程序編寫混亂，自身和他人閱讀程序比較吃力，移植和維護代碼困難，反映其缺乏程序代碼系統(tǒng)性設(shè)計思維。

1.3" 缺乏閱讀原廠用戶手冊的經(jīng)歷

以往的單片機教學或培訓過程中，教師主要依據(jù)課本和PPT進行教學，但在實際的單片機開發(fā)過程中，所用的核心控制器型號和封裝較多，功能也有所區(qū)別。一般的教材僅針對某一型號、某一封裝的核心控制器所具備的功能和部分功能程序代碼進行解析，而原廠提供的控制器用戶手冊是對某一系列核心控制器、各類技術(shù)參數(shù)、特性功能、寄存器、底層驅(qū)動函數(shù)代碼的詳細說明，覆蓋面較廣。只有學會閱讀用戶手冊，才能更好地了解所用的核心控制器的各項功能，才能進一步加深自身對控制器功能程序代碼設(shè)計的理解。

1.4" 缺乏有效的考核評價機制

目前，創(chuàng)新實驗室未制定具體的考核評價機制，在參加單片機培訓過程中，學生能力的提升未能得到正式的認可和評價。同樣，創(chuàng)新實驗室的單片機培訓、學術(shù)競賽和項目研發(fā)過程未能及時收到學生給予的效果反饋。

2" 制定OBE理念的培訓目標

為培養(yǎng)基礎(chǔ)寬厚、專業(yè)知識扎實、實踐能力較強、具有一定解決實際問題能力和學術(shù)研究能力，符合經(jīng)濟社會發(fā)展需求的電氣工程背景的電氣電子類復合應(yīng)用型人才[7]，筆者采用反向設(shè)計、正向?qū)嵤┑姆椒ǎ皂椖框?qū)動、夯實基礎(chǔ)設(shè)計知識、注重項目特色、構(gòu)建師生互評的評價體系的思路制定培訓目標和培訓課程內(nèi)容，從而完成以學生為中心的單片機培訓改革[3]?；贠BE理念的培訓改革目標如下。

1）具備扎實的電工電子類基礎(chǔ)知識：通過對電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)三門課程相關(guān)基礎(chǔ)電路進行理論分析、軟件仿真與焊接調(diào)試，鞏固學生對理論知識的理解。

2）掌握電路板繪制軟件，熟悉電路板生產(chǎn)工藝和SMT焊接流程：熟練使用嘉立創(chuàng)EDA軟件繪制項目樣機電路板PCB，熟悉PCB設(shè)計圖紙下單生產(chǎn)操作流程和生產(chǎn)工藝要求、電子元器件SMT加工焊接流程。

3）提高以單片機為核心的綜合設(shè)計能力：能夠根據(jù)項目任務(wù)需求制定軟硬件設(shè)計方案，結(jié)合數(shù)模電和單片機設(shè)計知識，設(shè)計綜合性控制裝置或設(shè)備。

4）扎實的項目開發(fā)報告書撰寫能力：能夠根據(jù)設(shè)計報告要求，在充分了解和理解項目任務(wù)、研究內(nèi)容與樣機功能等情況下，指導或參與項目開發(fā)報告撰寫工作。

3" 制定基于OBE理念的培訓改革措施

3.1" 夯實電工電子類基礎(chǔ)知識

通過錄制電阻、電容、電感、二極管等基礎(chǔ)元件的功能、特性參數(shù)講解視頻，三極管放大電路、MOS管開關(guān)電路、運算放大電路、全波整流、變壓器等基礎(chǔ)應(yīng)用電路的工作原理和仿真教學講解視頻，采用線上自學、線下驗證的方式對學生的電工電子基礎(chǔ)知識進行鞏固。其中積分運算電路仿真如圖1所示，通過仿真畫面能夠?qū)崟r觀察到電路中各點電壓、電流和波形的變化，使得學生更容易理解知識點。

3.2" 培養(yǎng)單片機硬件設(shè)計能力

以STC8H4K64S4單片機為核心，集成程序燒寫模塊、電子時鐘、觸摸識別、獨立機械按鍵識別以及引出單片機所有I/O口，作為單片機程序調(diào)試和功能驗證的最小系統(tǒng)開發(fā)平臺。該平臺3D渲染如圖2所示，單片機采用LQFP-32封裝，發(fā)光二極管、電阻、電容均為0805封裝，另有SOP-8和SOP-16封裝的電子元器件。采用表貼片封裝電子元器件，有助于核心開發(fā)平臺小型化和美觀化，同時為鍛煉學生焊接能力埋下伏筆。

所有參與培訓的學生均需通過嘉立創(chuàng)EDA軟件繪制單片機最小系統(tǒng)開發(fā)平臺的原理圖和PCB，并外發(fā)生產(chǎn)。同時，學生還需焊接開發(fā)平臺所有元器件，焊接過程不僅能加強學生對常規(guī)電子元器件的識別能力，還能鍛煉學生焊接的動手能力、解決焊接問題的能力，培養(yǎng)學生的耐心和細心。

3.3" 提高學生閱讀原廠用戶手冊能力

采用由易到難的遞進式培訓方式，培訓授課內(nèi)容先以課本、PPT和仿真為主，閱讀芯片原廠用戶手冊為輔，主要通過直觀化、形象化和通俗化的方式對授課內(nèi)容進行講解，以便學生更好地理解知識點。而后以學生閱讀芯片原廠用戶手冊、實物硬件調(diào)試驗證為主，教師利用PPT講解重點與難點為輔，更專業(yè)和嚴謹?shù)貙χR點進行講解，促使學生逐漸形成專業(yè)和嚴謹?shù)膶W術(shù)研究思維。

3.4" 底層驅(qū)動函數(shù)規(guī)范化

采用功能描述的方式對變量名和函數(shù)進行命名，即以英文詞匯為主，短命名時以完整的英文詞匯組成，長命名時以英文詞匯前三個字母或簡寫為主，且首字母為大寫。函數(shù)之間必須采用“高內(nèi)聚、低耦合”的方式，程序塊采用縮進四空格風格進行縮寫，相對獨立的程序塊之間、變量說明之后必須有空行。程序代碼有效注釋量必須在50%以上，注釋內(nèi)容要清楚明了、含義準確。函數(shù)前面必須給出足夠且精練的功能和例子說明。其中流水燈驅(qū)動函數(shù)程序代碼如圖3所示。

3.5" 制定單片機培訓課程內(nèi)容

結(jié)合電氣行業(yè)的需求，以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為目標，以電工電子類學科知識為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠程云平臺管理系統(tǒng)技術(shù)、3D打印技術(shù)、電氣設(shè)備運行技術(shù)等多學科知識，以研發(fā)應(yīng)用于電氣行業(yè)的特色裝置或設(shè)備為目的，制定遞進式單片機培訓課程內(nèi)容，具體內(nèi)容如表1所示。

4" 制定考核反饋方式

OBE理念強調(diào)學生取得怎樣的成果。在單片機培訓過程中，要考慮如何通過多元化彈性的方式著重培養(yǎng)學生的學習能力，引導學生獲得多樣化的學習成果。采用精細化的考核方式、遞進式的項目化培訓方式[8-9]，根據(jù)項目難度級別、設(shè)計過程、設(shè)計成果、項目報告內(nèi)容撰寫、答辯等綜合評定學生的能力[10]，通過項目進度記錄表反饋和分析學生學習情況。以項目為單位，考核內(nèi)容與分值如表2所示，項目研發(fā)進度記錄如表3所示。

總評成績采用“優(yōu)（≥90分）”“良（80～89分）”“中（70～79分）”“及格（60～69分）”和“不及格（＜60分）”五級核定。

5" 改革成果

自2019年逐步實施單片機培訓改革以來，創(chuàng)新實驗室學生的電工電子類基礎(chǔ)知識和綜合設(shè)計能力得到提升。其中圍繞電氣類設(shè)計的作品，如“一種新型無功補償控制器”“一種網(wǎng)絡(luò)型單相智能電表”“電能質(zhì)量管理系統(tǒng)”，分別獲得全國大學生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計競賽二等獎、首屆RISC-V MCU創(chuàng)新應(yīng)用邀請賽一等獎、全國大學生節(jié)能減排競賽三等獎。師生共發(fā)表學術(shù)論文17篇，參與單片機培訓高達100人次，70%的創(chuàng)新實驗室學生進入南方電網(wǎng)、廣東粵電等電力企業(yè)工作。

6" 結(jié)束語

將以學生為中心的OBE理念引入單片機培訓，通過鞏固學生基礎(chǔ)知識，以遞進式的項目化培訓指導學生設(shè)計應(yīng)用于電氣行業(yè)的項目樣機，以綜合性的考核評定學生的項目設(shè)計能力，不僅培養(yǎng)了學生的工程實踐能力與創(chuàng)新意識，還使其在學術(shù)科技競賽和學術(shù)論文發(fā)表方面實現(xiàn)數(shù)量與質(zhì)量的提升。

7" 參考文獻

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