基于OBE-CDIO工程教育模式下的單片機應用技術課程教學研究

陳培余

（浙江安防職業技術學院，浙江 溫州 325016）

0 背景

OBE是一種以學生為中心、成果為導向的教育理念。在教學的過程中，注重培養學生積極主動的學習能力，強調學生學習專業知識后的反饋成果。CDIO分別代表：構思、設計、實現和運作，是以產品從研發到運行的整個生命周期為載體，將工程項目與課程教學內容有機結合的教學模式。在教學過程中，要求通過實際的項目場景設計課程教學內容，基于項目化教學培養學生的實踐工程能力。單片機課程是浙江安防職業技術學院人工智能學院物聯網應用技術專業的一門專業核心課程，是后續傳感網應用開發、嵌入式系統開發等課程的前導課程，也是學生畢業設計、物聯網應用技術競賽、電子設計競賽的核心基礎。該課程對接物聯網應用技術專業人才培養方案，注重培養學生工程分析問題和解決問題的能力。隨著時代的發展，單片機在儀器儀表、家用電器、智能控制等領域發揮著越來越重要的作用。為適應未來社會發展的崗位技能需求，本文將OBE理念和CDIO理念進行有機融合，提出基于OBE-CDIO工程教育模式下的教學理念，通過優化教學目標，引入項目化教學案例，完善課程標準來提高課程教學質量，培養學生的軟件編程調試能力、工程分析問題能力和綜合素質能力。

1 教學內容的改革

1.1 確定教學目標

OBE理論注重學習課程后的產出，要求學生重點學習單片機應用技術專業基礎理論知識和專業技術技能，培養具備實踐技術創新能力且適應企業崗位技能需求的人才。結合人才培養方案設置和課程的特點，課程的教學目標分為知識目標、能力目標、素質目標和思政目標四個方面。（1）知識目標：掌握單片機的硬件系統結構、定時器/計數器的工作原理、中斷系統的結構和工作原理、串口通信的工作原理以及LCD液晶顯示的工作原理等。（2）能力目標：能進行單片機應用系統設計以及軟硬件系統的綜合調試能力。（3）素質目標：培養學生查找資料、利用資料的能力，以及培養學生養成嚴謹、細致、規范的職業素養。（4）思政目標：始終貫徹“崇德尚能，知行合一”的校訓為教學理念，以“奮進的互聯新時代”為思政主線，培養創新奮進、家國親情、感恩奉獻的新時代應用技術人才。課程教學目標的實現方法如表1所示，課程與中國工程教育認證標準的匹配度如表2所示。

表1 教學目標的實現方法

表2 課程與中國工程教育認證標準的匹配度

1.2 重構教學內容

OBE理念注重以學生為中心，教師為主導，強調專業知識的應用性和創新性，以實際工程案例激活課堂，任務驅動為導向，學習成果為檢驗。根據人才培養方案中課程應支撐畢業生所需達到的知識、能力、素質和思政目標的要求，重構了課程教學內容。采用“線上預習→項目需求分析→明確任務→知識精講→項目實施→答疑解惑→評價總結→課后拓展→成果展示”的形式進行知識傳授。首先學生通過超星學習通平臺觀看任務書并進行相關知識點的預習。其次通過視頻或實物向學生展示要完成的作品，提升學生學習的興趣，然后根據項目需求重新組織教學內容，并對照課程目標剖析任務點，將任務細分為若干個子任務點，每個實訓小任務都要求覆蓋特定的理論知識，有漸進的梯度。課中進行項目的實施練習、答疑解惑和評價總結。最后課后布置創新性拓展任務，分小組分工合作完成實驗項目。

在進行實驗項目設計開發時，調研物聯網應用技術專業的產業鏈，以提升職業綜合能力為培養目標，將單片機應用技術課程內容重構為7個實驗項目。具體項目內容為：跑馬燈系統、產品數量計數器系統、樓梯照明燈系統、數碼管顯示秒表系統、單片機雙機通信系統、基于LCD1602人機交互界面顯示系統、電壓采集系統。

2 以學生為中心，采用CDIO模式實施教學

2.1 多手段導入項目任務，讓學生了解課程內容，激活學生學習的興趣

首先，向學生展示實際的單片機應用開發系統作品，比如電子設計大賽、物聯網應用技術大賽的制作成品和視頻，以及往屆學生畢業設計和實訓設計的作品，這些單片機實際產品或作品可以提高學生學習的興趣，通過作品展示讓學生了解單片機具體可以開發哪些實際的產品。其次，借助51job求職網站搜索單片機課程將來可以從事哪些具體的崗位，讓學生提前了解這些崗位應該具備的職業技能和崗位技能要求。最后，介紹本課程的學習目標、學習內容框架以及人才培養方案課程體系中所處的位置。通過對本課程大致的了解，便于學生合理規劃自己的時間，制訂相應的學習計劃。

2.2 開放教學場所，建立線上資源

OBE強調以學生為中心，以課程目標結果為導向調動學生學習的主動性。學生在課堂內學習時間是短暫的，為學生建立超星學習通線上教學資源，并配備單片機開發板，引導學生課前預習、課后自學和擴展實踐。另外拓展實踐場所，不局限于教室，帶領一些對單片機項目開發有興趣的學生進入雙師創新實訓室，提供常用的儀器設備和電子元器件，通過電子設計大賽和項目化演練提升單片機應用開發的技能。

3 實施校內課外實訓設計，培養學生工程項目的應用能力

校內實訓課程結合OBE-CDIO理念進行項目的實施，學生作為實訓設計的主體，教師布置任務，學生進行項目的構思、設計、實現和運行4個環節的實施。項目構思階段，確定小組組長，根據每個學生的特點進行各自的分工，對項目提出初步的方案構想。項目設計階段包括：器件選型和采購、硬件設計、實物焊接制作、軟件設計、任務模塊化。項目實現階段：對項目進行功能測試。項目運行階段：項目小組進行實訓報告的撰寫和PPT的制作。通過校內實訓，學生了解了產品開發的整個實施流程，團隊合作意識和實際工程項目開發能力都得到了鍛煉。

4 基于OBE-CDIO教育模式的案例設計實踐

以數碼管顯示秒表課程項目為例講解OBECDIO教育模式在教學環節中的應用。教學上主要分為教師教和學生學兩個并行的CDIO模式，具體的教學環節設計如表3所示。構思階段：教師通過超星學習平臺發布任務的具體要求為，定時器1采用工作方式1，16位定時模式，數碼管動態顯示秒表，當數碼管顯示60s的時候開啟蜂鳴器，響亮1s后，關閉蜂鳴器。學生通過觀看作品，了解本節課的學習任務。設計階段：教師把任務細分為多個小任務，包括蜂鳴器的IO口輸出原理、數碼管動態顯示的原理、定時/計數器的工作原理和初值計算，以及數碼管動態顯示秒表的流程圖；學生實施硬件平臺搭建，Keil編譯環境下進行軟件開發設計。實現階段：教師進行軟件功能模塊化整合，提供項目指導手冊。學生對照項目指導手冊進行硬件搭建和代碼調試實現。運作階段：教師對項目進行答疑總結，布置課外拓展性任務，如實現鬧鐘功能、系統上下電數據保存功能等。學生進行小組討論，明確分工，并通過查閱資料實現拓展性功能，形成PPT進行項目匯報?；贠BE-CDIO的教學策略，學生經歷需求分析、查閱資料、學習探究、方案設計、軟硬件綜合調試、系統測試、課外拓展訓練、匯報總結等環節，與傳統獨立的知識傳授相比，教學內容具備實際工程項目化特點，有效改善學生專業技能的掌握程度。

表3 教師教和學生學的設計環節

5 教學改革的成效

基于OBE-CDIO的教育理論下的單片機應用技術課程改革方案，取得了良好的教學效果。主要表現為以下兩個方面：（1）以學生為中心展開的教學，讓學生參與到整個項目的過程，使學生由被動學習轉變為主動查閱資料進行探索性學習的過程，學生的職業技能、團隊協助、分析問題與處理問題能力得到了提升。（2）通過組建校內電子設計興趣小組，學生參與到競賽和科研當中，通過以賽促學使學生的項目開發能力和創新能力都得到提高。在2021年的物聯網應用技術大賽和全國電子設計大賽中，學生在比賽中均取得了優異的成績。

6 結語

本文提出了基于OBE-CDIO工程教育模式下單片機應用技術課程改革。以OBE學習成果為導向，發揮以學生為主體，在CDIO工程教育模式下實施理論和實踐教學，發揮以學生為主體，提高了學生學習的興趣和主動性，鍛煉了學生工程項目的分析和解決問題能力。