OBE-CDIO模式下數字電路課程教學改革探索

山 丹,張永鋒,楊 影,孫曉凌

（大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023）

0 引 言

隨著全世界數字時代的迅猛發展,數字電路課程已成為國內外電子信息類專業的基礎課,但在“新工科”工程人才培養的大背景下,如何在課程實施過程中,有效培養學生的工程實踐能力,還需要不斷探索和改進。以成果為導向的OBE理念和以能力培養為主線的CDIO理念相得益彰,與數字電路課程改革方向不謀而合。據此,引入并融合OBE與CDIO理念,以培養國際化工程技術人才為目標,對數字電路課程教學模式進行改革再創新具有重要意義。

1 OBE-CDIO教育模式內涵

OBE(Outcome-Based Education)[1]教育理念起源于美國,其實質是把學生在學習過程中的主體表現作為教育質量考核的重要指標,在人才培養過程中強調學生的學習結果,并以此作為反饋教學活動質量的重要因素[2]。

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)[3]理念是由以MIT為代表的教育工作者提出的,即“構想-設計-實施-運作”的教學模式,其4個過程來源于產品、系統的生命周期過程,涵蓋了絕大多數工程師必要的專業能力[4],并以此作為對學生能力達成情況進行考核的依據。大連東軟信息學院基于“教育創造學生價值”的理念,借鑒CDIO工程教育模式創造性地將CDIO中國化和本校化,對 CDIO 能力培養大綱做了繼承基礎上的創新,構建了具有東軟特色的 TOPCARESCDIO 八大能力指標體系[5]。

OBE是以“預期學習結果”來驅動整個教育結構的模式,而CDIO是以“CDIO能力大綱”[5]所代表的“預期學習結果”集合來驅動課程內容、教學方法、教育文化等設計的模式,兩者相輔相成。筆者以“數字電路”課程為例,將OBE與CDIO理念相融合,針對本科專業基礎課程進行教學模式再創新。

2 實踐教學改革

按照基礎層、應用層、創新層遞進式的雙語教學改革思路強化實踐教學:在基礎層,增加仿真實驗,邊學邊仿邊做,既讓學生熟悉數字電路設計的各環節,又形象生動比較容易接受;在應用層,學生充分利用所學的電路知識解釋電路現象,啟發學生多向思維和設計思路,發揮學生的主觀能動性,激發學生的創造靈感和創新欲望;在創新層,要求學生進行綜合性的自主創新實驗設計,實現可演示的數字電路系統。

2.1 強化實踐教學

增加隨堂仿真實踐部分,開發新的實驗內容,分為驗證型和設計型、基本型和創新型。在課堂授課過程中,教師增加隨堂實踐內容,穿插小的驗證型實驗(如對各邏輯門、組合邏輯電路和時序邏輯電路小模塊),課上帶領學生,在仿真工具中完成電路搭建仿真,從而使學生看到電路的各節點動作過程及現象,加深對數字電路的理解。實驗室實驗內容以驗證型實驗為主,以設計型實驗為目標,激發學生主動學習的熱情,真正提高學生的知識綜合運用能力、動手能力和解決實際問題能力。共設置8個實驗項目,其中3個為仿真實驗、4個驗證為主設計為輔的實驗和1個設計型實驗。最后1個設計型綜合實驗為自主創新實驗,學生可以自己選題目,也可以從教師提供的2個備選題目中選擇1個進行功能變更,給予學生充分的創新思維空間。

2.2 實踐實施方式改革

將課堂教學與實踐相融合,以隨堂邊學邊仿真的形式進行知識的講解,讓學生從簡單的電路開始邊做、邊學、邊思考,增加學生觀察角度。實驗環節由簡到繁、由單一到綜合、由驗證到設計,符合學生探求知識的認識規律,循序漸進的提高應用能力。同時,還要增加理論課教師參與實驗環節指導,了解學生掌握情況,答疑解惑,避免課堂教學與實驗教學、課外時間脫節。此外,通過興趣小組、集成電路社團、SOVO(虛擬公司)、校內外大賽、校企合作來增加學生實踐機會,進一步提高實踐能力。

3 考核評價模式的改革探索

教師以培養學生完成預期學習成果、具備預期專業能力為目標,施教于學生,并對學生的達成情況,進行有效考核和把握。基于此,對數字電路課程的考核評價模式,包括形成型考核評價模式和終結型考核評價模式進行改革,突出形成型的過程考核,淡化一卷定結果的終結型考核。

3.1 圍繞課程考核目標反向設計考核方式

在OBE- CDIO理念指導下,對專業人才培養目標進行分解,并具體到課程。結合TOPCARES- CDIO(簡稱“T- C”)教學理論,正確揭示本課程對所培養的畢業生能力與CDIO能力匹配關系,逆推出課程考核方式。表1為由課程培養目標反推考核評價模式表。

3.2 由課程學習成果反饋調整課程考核方式、教學方法和教學內容

通過對“學習成果”達成度進行統計、梳理和分析,反饋到考核方式的制定和調整中,形成閉環,使考核方式更加科學合理。該方式有助于分階段、分內容調整教學方法,尋求合適的教學方法,優化教學效果。此外,根據學習成果達成情況,調整教學內容的難易、多少、側重等程度。表2為某位學生學習成果測評示意表。

3.3 突出以學生為中心、以學生為主體的課程考核

表1 由課程培養目標反推考核評價模式表

在課程實施過程中,將形成型考核作為學習過程的考核,主要體現在自主學習、作業和實驗的實施過程中。增加自學部分,挑選課程中比較簡單易懂并適合學生課下自學的內容,布置給在學生課下完成探究式學習,教師課上進行答疑解惑和畫龍點睛式講解,并提出問題。對于作業,一改以往“統一題目,學生課下做,課上交,教師批閱”的單一方式,采用“題目范圍內可選,學生課下做,典型題目課上講出來”的形式,從多個角度進行評價。對于實驗項目,一改以往對實驗過程考核不足的現象,從實驗原理、操作、結果、創新等各個環節進行考核評價,提高考核結果的可評測性,實現“做”中“學”“學”中“考”“考”中“做”“做”中“學”的閉環機制。此外,嘗試改革以往以教師為主體、學生為客體的考核方式,讓實驗項目組同學互評,調動學生積極性,促進成績客觀性。

表2 學生學習成果測評示意表

3.4 培養學生創新意識，鼓勵學生個性化發展

根據對每位學生課程考核結果所對應的預期能力實際達成度分析,將學生進行類型劃分,因材施教、因人施教,鼓勵個性化發展。鼓勵引導學生查閱資料、文獻,對信息進行加工、取舍、歸納、評論和轉化,激發學生的創新和求知欲望,并制定適應不同學生特點彈性、靈活的考核方式。與此同時,學生的學習習慣也得到培養。

4 雙語教學改革

為適應國際化工程技術人才培養需要,對數字電路課程開展中英雙語教學,其中,雙語教學資源的開發、師資隊伍的建設和培養、教學質量的評估和反饋尤為重要。

4.1 教學資源的開發

課程使用原版外文教材和參考資料,保證理論的前瞻性。教師還開發了純英文課件,作為教材的簡化、提綱、精華。此外,實驗指導書和練習題、作業和考試題都采用純英文形式,為學生提供“浸入式”[6]的英文環境,潛移默化的實現從被動接受到自然接受的思維過程。

4.2 師資隊伍的建設和培養

教師是雙語教學最直接的實施者,不僅要有良好的知識表達及運用能力,還要有豐富的教學管理。為解決雙語教師匱乏的瓶頸,大連東軟信息學院2012年就制定頒布了“雙語教學管理辦法”[6],從教師的口語培訓、雙語課程級別的認定、雙語課程的建設、雙語課程的獎勵和雙語課程的效果評估等多個方面,對雙語課程的教學進行系統規劃和管理。將雙語課程的實施劃分為A、B、C等 3個級別。數字電路課程根據課程難度和教師師資水平等因素,目前定位為C級,課程課堂教學中使用外語授課達到30%以上。

4.3 教學質量的評估與反饋

為保證雙語教學質量,對實施過程的全面監控和評估,并反饋作用于新一輪的教學活動。大連東軟信息學院設有教學質量管理與保障部,專門針對雙語教學進行督導。數字電路課程經過評估,達到C級標準。

5 教學方式方法改革探索

5.1 電腦進課堂

在以往授課過程中,雖然課堂上采用PPT等方式為學生充分展示項目實例實施的各個環節,但由于學生課上無法及時觀察到電路的動作過程,教師很多時候更像是在唱獨角戲。通過允許學生攜帶裝有Multisim仿真工具的筆記本電腦進課堂,充分利用課堂的時間,講練結合,精講多練,讓學生及時觀察電路動作的特點,使學生成為學習的主體,以學生為中心,提高學生的參與度,讓學生得到及時的鍛煉,鼓勵探究式學習,教師答疑解惑。實現教與學協調發展。

5.2 引入MOOC改進授課方式

MOOC作為一種近年來新興的教學模式,它可以脫離課堂實現知識的傳播。引入慕課這種教學方式,學生可以通過下載教師錄制的主題學習視頻,課下對課程主要知識點、設計方法、仿真驗證過程以及EDA工具的使用等內容進行復習。這種方式既是對課上內容進行補充,又可以為學生提供答疑解惑的途徑。

5.3 引入翻轉課堂教學模式

在以往授課過程中,學生自主學習內容較少,多為教師講解,學生獨立思考的自主學習、探究式學習的過程欠缺,而這些能力正是學生畢業后從事相關技術工作所必需的。為改善這種情況,教師根據學生實際學習情況,增加學生自主學習內容,借助MOOC視頻,讓學生完成獨立學習和思考過程。教師在課上以提問的形式來了解學生的自主學習情況,并答疑解惑,為學生贏得課上寶貴時間,與教師進行更深層次的互動交流。

5.4 引入“浸入式”英語教學模式

“浸入式”教學模式是最早起源于加拿大的一種外語教學模式,教師在課堂上用第二語言講授部分學科課程,使外語成為學習專業學科知識的工具。考慮到教師的外語描述能力、學生的外語接受能力和知識的難易程度,中英文混合教學無疑是個合適的選擇。對課堂的組織和管理、教學資源、授課內容關鍵詞、專業術語等采用英文表述,而重點難點內容以中文為主、英文為輔的方式推進。此外,英文的運用,循序漸進,逐漸提高英文比例,為學生提供逐步適應的過程。

6 結 語

在OBE教學理念的指引下,結合CDIO教學模式,以學習成果為教學目標,培養國際化工程技術人才,設計更加清晰有效的實踐環節、考核評價方式,并引入“浸入式”雙語教學、MOOC等輔助實現教學目標。通過上述改革措施,更好地培養了學生數字電路分析與設計的工程實踐能力、創新意識和終身學習習慣,為后續專業課程的學習打下良好基礎。通過對改進措施的實施,并對比評估,證明這些措施具有良好的教學效果,同時具有良好的可操作性。當然,對數字電路課程的雙語教學仍需持續改進,這里只希望能對工程教育中本科專業基礎課程的教學改革起到拋磚引玉的作用。

[1]顧佩華, 胡文龍, 林鵬. 基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式: 汕頭大學的實踐與探索[J]. 高等工程教育研究, 2014(1): 27-37.

[2]吳君鵬. 基于OBE教學模式的單片機原理及應用教學改革與實踐[J]. 科技資訊, 2015(30): 93-95.

[3]Xiaoling S, Tao W, Quan G. Utilizing CDIO engineering workspaces to facilitate design-implement experiences[EB/OL]. [2017-11-09]. http://w.cdio.org/files/document/file/m4a3_sun_083.pdf.

[4]高雪梅, 孫子文, 紀志成. CDIO方法與我國高等工程教育改革[J]. 江蘇高教, 2008(5): 69-71.

[5]溫濤. 基于TOPCARES-CDIO的一體化人才培養模式探索與實踐[J]. 計算機教育, 2010(11): 23-30.

[6]申華, 張陽, 周國順, 等. 智能科學與技術專業浸入式雙語課程教學模式研究[J]. 計算機教育, 2015(18): 53-57.