基于OBE理念的機械類專業“單片機”課程教學改革與實踐＊

王紅茹，唐 煒，王后連，李 磊，趙 忠

（江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮江212100）

OBE（Outcome-based Education）理念[1]是由美國學者SPADY于1981年提出的，得到了教育界的普遍認可和重視，并已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。中國于2016-06正式加入華盛頓協議，成為其第18個成員國，要求工程類本科專業教學全過程都要圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開。2018年，教育部[2]明確提出全面整頓教育教學秩序，嚴格本科教育教學過程管理，并要求各高校全面梳理各門課程的教學內容，打造“金課”。越來越多的高校認可和實踐工程教育教育理念，積極打造高質量、高水平的本科教育。

江蘇科技大學機械類專業順應專業認證的潮流，參照認證要求[3-4]，以OBE理念為主導，積極開展本科教學的一系列探索和實踐。本文以“單片機”課程為例，探討課程建設中的一些體會和教學效果。

1 “單片機”課程特點及OBE理念下存在的問題

“單片機”課程是江蘇科技大學機械類本科專業的一門專業必修課程。該課程[5]以MCS-51為主線，講解單片機的基本組成、工作原理、接口電路及硬件連接等內容。通過本課程的學習，使學生掌握MCS-51單片機的軟硬件基礎知識和幾種典型ⅠO接口，能夠分析、搭建一般復雜程度的單片機應用系統，初步具備單片機應用系統設計、開發能力。

在以OBE為基本原則的專業認證背景下，“單片機”課程教學尚存在一定差距。首先，“單片機”課程包括MCS-51的軟、硬件基礎知識，所涉及的內容繁雜且概念抽象，再加上學時有限，導致教師在講課過程中往往只顧趕進度而沒有兼顧學生的學習效果。其次，“單片機”課程是一門邏輯性、實踐性非常強的課程，是培養機械類工程技術人才的專業必修課程，注重培養學生分析、解決機械工程領域復雜工程問題的能力。在實際授課過程中，MCS-51的硬件結構和軟件系統的講授占用絕大部分時間，而留給工程案例講解的時間則較少。且教學過程基本遵循“課堂講授+課堂練習+課后作業+習題剖析”的固定教學模式，沒有充分發揮“以學生為中心”的教學理念。最后，在實際教學過程中，本課程的考核采用“期末考試+平時成績+課內實驗”的形式。其中，期末考試采用閉卷考試，占總評的70%；平時成績包括課堂表現（主要包括隨堂練習和課堂提問）和課后作業，分別占5%和15%；課內實驗包括3個實驗，分別用于考核學生的軟件編寫與調試、硬件系統的連接與調試以及接口電路的設計與開發，占總評的10%。這種考核形式很難最大限度地調動學生學習的積極性，容易滋長平時不努力、期末突擊的不良學風和學習習慣，不利于培養學生工程實踐能力和創新型思維方式的養成。

2 OBE理念下的“單片機”課程教學改革

針對上述問題，結合江蘇科技大學機械類專業工程認證要求，以OBE理念為指導思想，從以下幾方面對“單片機”課程的教學進行了完善。

2.1 重新制訂課程目標

課程目標的制訂應遵循反向設計[6-7]的原則，且滿足專業培養計劃和畢業要求。OBE理念下，制訂課程目標的關鍵是“為達成畢業要求，學生需要從本門課程學什么？”。在課程目標分解時，采用縱向分解的方式，使課程目標之間相互獨立且可評估。新的課程目標如下。

掌握單片微型計算機的相關基礎知識；領會MCS-51單片機的結構、功能、工作方式，并了解其工作時序及其在機電工程領域的典型應用；在了解半導體存儲器基礎知識的基礎上，掌握存儲器外部擴展的基本方法并熟悉分析確定存儲器地址空間的方法；能夠通過文獻研究分析單片機應用系統的功能結構和特點，并考慮主要影響因素，以獲得有效結論；能夠通過查閱文獻研究分析相關元器件的使用方法，了解影響其性能的主要因素。

能夠正確運用MCS-51單片機指令系統設計、調試一般復雜程度的匯編語言源程序；了解C51程序設計的基本框架；能夠針對機械電子工程領域的復雜工程問題，使用匯編語言或C51進行單片機應用系統的模擬和預測，并分析其局限性。

理解并合理使用MCS-51單片機的中斷系統、并口、定時器/計數器等功能部件；理解MCS-51單片機典型Ⅰ/O接口電路的設計方法并掌握相對應程序的基本設計方法；理解單片機應用系統設計的基本思想；能夠針對機電工程設計或產品開發擬定合理的技術方案，設計滿足特定需求的單片機應用系統或獨立功能模塊，并體現出創新意識；能夠分析、搭建一般復雜程度的單片機應用系統，制訂合適的實驗方案，構建（仿真）實驗系統并開展實驗研究。

通過課程目標的縱向分解，將具體教學內容、教學環節和教學評估與課程目標直接關聯起來，如表1所示，為課程達成度評價和持續改進提供關鍵依據。

表1 課程目標與教學內容及考核環節之間的關系

2.2 完善教學體系

2.2.1 整合教學內容，增強其關聯性

江蘇科技大學機械類“單片機”課程選用胡漢才編著的《單片機原理及其接口技術》（第4版）[5]作為教材。該書共有10章內容，筆者在教學實踐中將其歸納整理為四大部分進行講授：①單片機硬件知識，分為三個教學單元，分別是第1單元單片機基礎知識、第2單元51單片機的結構和時序、第4單元半導體存儲器；②單片機軟件知識，共1個教學單元，即第3單元匯編語言源程序設計；③51單片機功能部件及典型接口電路設計，由5個教學單元組成，分別是第5單元51單片機中斷系統、第6單元并行Ⅰ/O接口、第7單元人機接口、第8單元51單片機對A/D和D/A的接口和第9單元51單片機的串行通信；④單片機應用系統設計，記為第10教學單元。在教學過程中充分考慮學生的認知規律，采用由簡單內容逐漸向復雜內容過渡的方法，使得整個學習過程變成一個循序漸進積累知識的過程。

2.2.2 小班教學，強化過程管理

“單片機”課程共64學時，包括58學時的理論教學和6學時的實驗教學。另外，增加了32學時課外實踐項目（包含2個實踐項目）。

在日常的教學實踐中，該課程由5位任課教師執教。其中，3位教師負責理論教學，2位教師負責實驗教學；課外實踐項目由理論課教師負責指導。每學期每位理論課教師負責一兩個自然班的教學，這樣有利于教師摸清每位學生的基礎及學習情況，進而實時調整教學計劃。例如，在上學期的教學過程中，筆者發現所授課班級的絕大部分學生通過前面相關計算機課程的學習已經掌握了單片微型計算機相關基礎知識部分數制、數的表示方法和字符編碼。為此，在實際教學中及時調整教學計劃，對已掌握部分一帶而過，而將數的表示形式、單片機結構和基本原理等作為重點進行課堂講解。實驗教學分批分組進行，8名學生一組，確保每2名學生使用1臺實驗設備，這樣既方便指導教師準確掌握實驗運行情況，又利于學生的疑問及時得到答復，最終達到提高實驗教學效果的目的。課外實踐的2個項目均要求每位學生獨立完成。在項目實施過程中，同一學期每個自然班分時段進行，安排不少于4次的集中指導與答疑，以便于學生穩步開展項目研究，且能及時掌握學生的完成情況與效果。

2.2.3 教學反饋，助力持續完善

一方面，通過每周的定時定點答疑輔導、課后作業、電子郵件和QQ群，使得任課教師能及時收到學生的學習效果與情況，并在后續的教學過程中及時調整；另一方面，課程教學結束后，學生應及時通過學校網上評教系統客觀公正地評價本次教學活動，以及教師通過計算、分析本次教學活動的能力指標點達成情況，并針對存在的問題，提出本課程今后持續改進應采取的措施。

2.3 提升教師工程實踐教學能力

江蘇科技大學機械類“單片機”課程教學團隊主要通過鼓勵教師做企業博士后、科技掛職和做產學研項目來提高其工程實踐能力。截至目前，5名任課教師中，有3名做過或正在做企業博士后，1名科技掛職于企業2年，2名做過產業研項目。另外，在日常的教學過程中，開展導師“傳幫帶”活動。由教學經驗豐富的老教師帶領青年教師更好更快地擁有工程實踐教學能力。

2.4 改進考核評價方法

將原有的以“平時成績+課內實驗成績+期末考試成績”來評估學生學習效果的方法調整為多個教學環節、分目標綜合考核方法，以克服考核方式單一、考核內容與課程目標關聯性不明確以及持續改進難以推進等問題。

在現有考核方式的基礎上，增加單元測試和課外實踐項目，同時調整各考核環節在總評中的占比。完善后的最終成績由四大部分組成：作業考核（每單元測試占5%+課后作業5%）占10%，課內實驗占15%，實踐項目占15%，期末考試占60%。

每個環節考核的側重點不同：①作業考核的重點是學生對知識的掌握情況，主要考查點包括作業完成情況、文獻研究分析典型實例的成效報告等，具體形式有教材課后作業、隨堂練習和單元測試。課堂考勤雖然不占總評成績，但為了保證學習效果，采用隨機抽查的方式進行考勤，缺勤一次扣2分，缺勤次數超過總考勤次數的1/3則取消期末考試資格。②課內實驗主要考核學生的動手能力和利用所學理論知識合理解釋相關實驗過程和結果的能力。實驗內容由實驗教師在實驗系統提前發布，學生在實驗課前做充分準備，明確實驗內容、實驗目標及實驗要求，設計實驗方案，編寫程序代碼并進行必要的仿真調試，結合仿真結果進一步理解實驗相關原理，并撰寫預習報告。在固定時間和地點進行試驗驗收，要求學生能夠熟練操作實驗裝置和相關工具、獨立編寫實驗程序搭建實驗硬件、熟練掌握軟硬件聯機調試方法。實驗完成后要求學生獨立完成實驗報告撰寫，報告書撰寫要規范、字跡清楚；實驗結果分析正確、翔實；思考題回答正確。③實踐項目要求學生自主完成，重點考核學生利用本課程理論知識系統、全面、綜合解決實際工程技術問題的能力和創新意識。④期末考試結合其他考核方式實現課程知識點的全覆蓋，以概念應用/分析/設計類等題型為主，重點考查學生對課程基本知識的掌握程度以及綜合應用所學知識來分析、解決問題的能力[6]。

3 教學實踐

本教學團隊從2019—2020學年開始實施上述課程教學方案，每個教學班的成績與往屆相比都有所提高。表2是本學期機電23班的期末試卷得分分析表，其中，第一大題是計算題，由3個小題組成，重點考核學生對基本概念的理解；第二大題是分析題，由4個小題組成，考查學生利用所學知識分析問題的能力；第三大題是綜合設計題，考核學生解決實際問題的能力。表3是由總評成績解算出的各畢業指標點的得分分值及達成情況分析。

由表2可以看出，第三大題的得分率相對較低，其原因是該大題的綜合性較強，部分同學雖然對相關知識點熟悉，但是綜合應用能力較差。由表3可以看出，本教學班的各個畢業指標點均已達標，說明大部分學生總體已掌握與機電控制相關的單片機知識，但解決機械電子工程領域中的復雜工程問題的能力有待進一步提高。針對上述問題，后續教學擬從以下方面進行改進：①在理論課的第三、四部分知識講解時，適當增加實際工程案例，強化學生分析設計能力的培養；②實驗教學方面，突出實驗方案設計的重要性，增強學生解決問題的自主性；③課外實踐項目中，鼓勵學生充分利用文獻資源進行項目方案的設計與分析對比，提高學生分析問題、解決問題的能力[7]。

表2 機電23班期末試卷分析

表3 機電23班指標點達成度評價

4 結語

本文通過分析江蘇科技大學機械類“單片機”課程的特點及其在OBE理念下存在的問題，從縱向分解教學目標、完善教學體系、提升任課教師工程實踐教學能力和改進考核評價方法等方面進行基于OBE理念的教學改革，并將其應用于實際的教學工作，獲得了較好的教學效果。