基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學改革研究

摘要：“嵌入式系統設計”是計算機工程、電子工程和控制工程領域的重要課程，旨在培養學生設計、開發和測試嵌入式系統的能力。簡要闡述了OBE的核心概念和特點，對基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學現狀、問題進行了分析，提出了基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學的意義，在此基礎上，對OBE框架在“嵌入式系統設計”課程中的應用進行了探討，提出了改進“嵌入式系統設計”課程教學模式的建議。

關鍵詞：OBE理念；嵌入式系統設計；課程教學改革

一、前言

在快速發展的技術領域中，嵌入式系統已深度融入我們的生活和工作中，影響著通信、醫療保健、交通、制造等多個領域。為了應對日益復雜的技術挑戰和滿足市場對高素質工程師的需求，教育者應不斷調整和改進教育方法，以確保學生汲取最新的知識和技能。本文將詳細介紹嵌入式系統設計課程的OBE改革策略、課程目標的設定方向，以及如何制定教學活動和評估方法，最終使學生能夠在不斷演變的科技領域中脫穎而出。

二、研究背景

現代社會日益數字化和技術化，嵌入式系統已成為人們生活中不可或缺的一部分。從智能手機和家用電器到汽車和醫療設備，嵌入式系統的應用幾乎無處不在。因此，開展嵌入式系統設計教學變得至關重要。嵌入式系統設計具有硬件和軟件的復雜交互性，需要工程師掌握多種技術領域知識，包括電子工程、計算機科學等。傳統的課程教學方法在應對這些多學科領域的挑戰時變得不夠靈活，無法充分培養學生的綜合素養。因此，結合研究背景，教育者應不斷革新已有的教學觀念。以下是對研究背景的詳細闡述。

（一）學生需求

現代學生更加追求實際技能和職業準備等，而不僅僅是傳統的理論知識。學生希望在課程中學到能夠立即應用于實際工作中的技能，因此，嵌入式系統設計課程需要適應這一要求，以滿足學生的需求。

（二）全球競爭

在國際競爭激烈的環境中，各國的高校都在努力培養具備國際競爭力的工程師，因此采用OBE理念下的教學改革方案，可幫助學校更好地適應國際產業需求，為學生提供更多施展才華的機會。

三、闡述OBE的核心概念和特點

OBE （Outcome-Based Education） 是一種全新的教育理念，也被稱為基于結果的教育，旨在確保教學時能夠產生可觀測和可測量的學習成果，使學生在完成學業后具備實際應用和解決問題的能力[1]。以下詳細介紹OBE理念的原則要點。

（一）明確定義學習目標和結果

在嵌入式系統設計課程中，首要原則是明確定義學習目標和結果，包括明確規定學生應在課程結束時具備的技能、知識。例如，學生應該能夠自主設計和開發嵌入式系統、解決實際問題、靈活應用硬件和軟件工具，進而有利于學生明確自身的學習目標，也有助于教師更好地設計課程內容，確保學生成為目標的學習者。

（二）自主性

嵌入式系統設計是一個實踐性強的領域，需要學生積極參與學習活動和主動解決問題。通過融入OBE理念，學生能夠提出問題、獨立研究解決方案，并積極參與實驗和項目，有助于培養學生的批判性思維和自主學習技能，使學生不僅僅是知識的接受者，還能夠積極參與知識的創造和應用。

四、基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學現狀

嵌入式系統設計是計算機工程、電子工程和控制工程領域的重要課程，旨在培養學生設計、開發和測試嵌入式系統的能力?；贠BE（Outcome-Based Education）理念的課程教學著重于為學生提供實際技能和知識，以滿足工業界需求[2]。然而，嵌入式系統設計課程中存在著一些問題

（一）模糊的學習目標

在基于OBE理念的教學中，制定明確的學習目標至關重要。然而，嵌入式系統設計課程在開發過程中，會缺乏清晰的學習目標，這使得學生難以明確自己需要達到什么標準，也使教師難以度量教學成果。

（二）缺乏跨學科內容

嵌入式系統設計課程涵蓋多個學科領域，包括計算機科學、電子工程、控制工程和物聯網等。其中一些課程內容過于專業化，未能向學生提供跨學科知識，這限制了學生綜合理解和創新能力的發展。

（三）缺乏實際項目經驗

嵌入式系統設計中的一些課程更側重于理論而忽略實際項目的設計和開發。在實踐中，學生需要將這些理論知識應用到實際項目中，才能真正掌握相關技能。沒有實際項目經驗，學生將無法有效地解決實際問題。因此，學校應為學生創造機會參與到實際的嵌入式系統設計項目中，以幫助學生靈活地應用自身所學的知識。

（四）匱乏的實驗設備和資源

嵌入式系統設計課程的開發通常需要專門的實驗設備和資源作為支撐，例如，微控制器、傳感器和開發板。但部分學校缺乏足夠的資源，進而限制了學生的實驗和實踐機會。

（五）評估方法不當

在滲透OBE理念時，教師應應用有效的評估方法來測量學生的成果。然而，一些嵌入式系統設計教學策略在實施時，教師應用了不適當的評估方法，無法全面評估學生的技能和知識。

五、基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學開展的意義

（一）有助于增強學生實際技能

嵌入式系統設計課程教學通過向學生教授嵌入式系統的基本原理、硬件和軟件設計、調試和維護等方面的知識，使學生能夠掌握嵌入式系統硬件設計、編程、嵌入式操作系統的使用方法，以及如何解決嵌入式系統中的問題，不僅有助于學生在畢業后找到就業機會，還有助于滿足工業界對技術能力的需求。

（二）有助于促進學生綜合能力的發展

嵌入式系統設計課程涵蓋電子工程、計算機科學等多個領域，需要學生同時理解硬件和軟件，以設計和實施嵌入式系統的應用價值，從而有助于打破學科之間的壁壘，培養學生的跨學科能力，使其更具競爭力，同時這也反映了OBE理念，即關注學生的綜合能力和終身學習。

（三）有助于提升學生的問題解決水平

嵌入式系統的建立通常用于解決自動化控制、傳感器數據處理、醫療設備和嵌入式互聯網應用等方面的問題。通過教授嵌入式系統設計課程，學生能掌握如何應對實際問題、分析需求、設計相應的解決方案等技能，然后將技能應用到硬件和軟件設計中。這種實際問題解決能力是工業界極其重要的技能，同時在OBE理念的倡導下，學生能夠在實踐中進一步應用所學技能。

（四）有助于完善學生創新思維

在實踐中學生需要不斷尋找新的方法和技術來解決問題。通過增設這一門課程，學生將接觸到不同類型的嵌入式系統，了解各種傳感器、執行器和通信協議等設備，有助于激發學生的創新思維，使其能夠提出新穎的解決方案，從而在競爭激烈的技術領域中脫穎而出。

（五）有助于促進學生終身學習意識的發展

嵌入式系統設計課程教學目標不僅僅關注傳授特定的技術知識，還鼓勵學生掌握學習新技術和適應不斷變化的技術環境的能力，這與OBE理念中關注終身學習的核心思想相一致。借此，學生在這門課程中將學會如何查找、評估和應用新的技術，以適應快速發展的嵌入式系統領域。

（六）有助于培養學生的團隊合作精神

嵌入式系統設計是一個集多學科的領域，需要團隊進行合作來完成項目。通過鼓勵學生與同伴一起合作，共同設計和實施嵌入式系統，有助于培養學生的團隊合作精神、溝通能力和項目管理技能，確保學生在職業生涯中能夠不斷適應新的挑戰和機遇，在畢業后擁有與當前工業需求相符的技能，以及更輕松地融入工作環境，為企業作出貢獻。

六、OBE框架在“嵌入式系統設計”課程中的應用

（一）教學方法的改革

1.采用項目式教學法，提升學生的實踐能力

通過引入項目式教學法，將課程內容與實際項目相結合，使學生獲得更多的實際經驗，提高自身的實踐能力。因此，在落實具體的課堂教學改革方案時，教師應運用高效的教學方法，積極創新項目式教學體系，讓學生在實際的項目工作中應用到理論知識，以鍛煉學生的實踐技能。首先，教師需要仔細選擇項目，以確保項目的難度和挑戰性與課程目標相匹配，幫助學生在項目中能夠應用自己在課堂上學到的知識，使學生不僅能在理論上了解相關概念，還可親身體驗這些概念在實際工作中的應用價值，有助于提升學生的知識鞏固技能及綜合素質；其次，教育者可模擬實際工作場景，將學生劃分到不同小組，讓每個小組負責不同的項目任務，引導學生共同制定項目計劃、分配任務，有助于培養學生的協作和溝通技能，使其能夠在一個多元化的團隊中協同工作；最后，在項目實施階段，教師可引導學生掌握不同電子元件的功能，如：傳感器、處理器、存儲器等，并將其集成到嵌入式系統中，促使學生展開批判性思考，不斷進行迭代和改進設計，從而提升其創造力及創新技能。同時，教師可鼓勵學生嘗試編寫嵌入式軟件，將編程語言的語法和算法應用于項目中，以控制系統的功能和行為，確保系統能夠執行所需的任務[3]。

2.應用信息化手段輔助教學，增強學生的自主學習能力

從正面角度進行分析，應用信息化手段輔助教學，有助于提高教育質量、為學生提供更多的學習機會，加強學生的實踐能力。同時，教師也可以更好地跟蹤學生的進展，提供個性化的指導，確保學生獲得預定的學習成果。例如，在“嵌入式系統設計”課程中，教師可借助于專門的教育網站，向學生分享課程資料、課件等豐富的教學資源，使學生能在任何時間、任何地點通過互聯網進行訪問，有助于為學生提供高度靈活的學習機會。基于此，學生可根據自己的學習風格和需求展開探究，從而滿足學生的實際學習需求，實現個性化教學；另一方面，OBE理念注重學生的學習成果。因此，虛擬實驗室和仿真工具的應用使學生能夠直接應用自己在課堂上學到的理論知識，模擬嵌入式系統的設計和運行過程，從而實現學習成果的落地。同時，虛擬實驗室和仿真工具允許學生在課堂內外隨時進行實驗和測試，使學生能在自己的節奏下反復嘗試，從而深化對嵌入式系統設計的理解，強化所需技能。例如，在課堂上，教師鼓勵學生使用仿真工具模擬一個包含多個處理器和控制系統的嵌入式系統。學生可在虛擬環境中嘗試應用不同的硬件配置系統，編寫和測試代碼，以模擬不同的系統運行情況[4]。經過反復練習，學生能夠安全地進行實驗，不必擔心意外的硬件故障或損壞，使學生更容易掌握相關概念和技能，進而積累寶貴的實踐經驗。

3.開展第二課堂，組織學生參加實踐活動

從側面角度進行分析，通過開展實踐教學活動，能進一步契合OBE理念，強調學生的學習成果和實際應用能力，為學生提供更多的實踐機會，使學生能深刻地理解嵌入式系統設計，為將來的職業生涯做好準備。例如，學科競賽是一種激發學生探究興趣和實踐能力的方式。在嵌入式系統設計課程中，教師可鼓勵學生參加嵌入式系統設計競賽活動，要求學生設計、構建和編程實際的嵌入式系統，解決復雜的任務。通過參與競賽，學生能夠深入理解嵌入式系統設計的多個方面，包括硬件、軟件、通信、傳感器等，還可與其他學生進行交流，分享經驗，最終提高自身的技能水平。同時，學校開可展校企合作活動，與合作企業建立合作橋梁，為學生提供實訓機會。例如，讓學生參與到企業開發智能家居系統、醫療設備、智能交通系統等工作中。屆時，學生可與工程師和行業專家展開合作，親身體驗嵌入式系統設計的實際工作過程，從而幫助學生更好地理解行業需求，為促進學生的職業發展增添亮點。教師可鼓勵學生參與到改進現有系統、應用新技術解決實際問題等項目中。在實踐中，教師可引導學生提出創新的想法，設計和實施項目方案，使學生能將課堂理論知識轉化為實際成果。

（二）教學評價體系的改革

1.開展課堂互動考核活動

通過實施互動考核策略，學生可在課堂上立即應用所學知識，而不是僅僅被動地接收信息，有助于加深學生對嵌入式系統設計原理的理解，更好地掌握復雜概念。同時，通過直面實際問題、與同伴互動討論，學生能主動提出問題、分析信息，提出解決方案，這是嵌入式系統設計領域所需的關鍵技能。因此，教師應為每個課堂互動考核活動明確設定清晰與具體的學習目標，并充分做到學習目標與整體課程目標和OBE理念的學習成果相關聯，促使學生掌握預定達到的標準；其次，為滿足不同學生的學習風格，教師可應用多樣化的互動考核方式，將實驗和模擬練習等互動考核模式滲透到教學中，以鍛煉學生的多項實踐技能。同時，多樣化互動方式的融入，使那些對傳統課堂教學內容不感興趣的學生會愿意積極參與到實驗和模擬練習活動中，不僅能提高學習動力，還將促進學生之間的互動；再次，在設計考核內容時，教師應基于明確的學習目標，設計具體的考核內容。這些內容應該涵蓋與學習目標相關的各個方面。例如，學習目標是“學生能夠設計和測試嵌入式系統”，那么考核內容應包括以下幾點：（1）任務描述：提供具體的任務描述內容，要求學生完成特定的嵌入式系統設計任務。包括要求學生設計一個特定功能的嵌入式系統，編寫相應的代碼。（2）實驗要求：包括實驗室實踐的要求，要求學生在實驗室中設計、構建和測試嵌入式系統，學生能夠闡述實驗步驟；最后，教師可采用定量或定性的評估方式，對學生的作品和報告進行評分，根據評估標準來測量學生的表現。

2.創新項目考核模式

開展項目創新考核活動是優化課程教學改革模式的核心途徑，更有助于培養學生的創新能力和實際應用能力。因此，在統籌具體的教學戰略時，教師應精確定位考核目標及標準，并為學生提供實驗室設備、軟件工具等資源，以及指導方案，確?？己嘶顒拥捻樌M行，幫助學生完成學習任務。然后，基于設定的考核目標，教師可設計一個具有挑戰性的智能家居系統主題，要求學生運用自己在課程中學到的知識和技能，展開設計、探索、協作。在此基礎上，教師還應設計明確的評估標準，其中包括創新性、技術實現、團隊合作等方面，以全面衡量學生在項目中的表現[5]。與此同時，在項目運行過程中，教師還應向學生提供必要的指導，以幫助學生解決問題、改進自身的不足，確保學生在正確的學習道路上不斷前進。

七、改進“嵌入式系統設計”課程教學模式的建議

一方面，在課程中引入跨學科項目是一種有效的方法，使學生能涉足多個領域，合作解決復雜問題。例如，可設計一個項目，帶領學生更新一個智能健康監測系統。這個項目涉及電子工程領域的傳感器技術、計算機科學領域的數據處理和算法等。通過創建該項目，學生會綜合運用這些不同領域的知識，從而有利于完善自身的跨學科思維；另一方面，課程內容需要定期更新，以反映新興技術和趨勢，這涵蓋最新的硬件和軟件開發工具、通信協議等應用領域。例如，硬件和軟件工具是嵌入式系統設計的基礎。因此，課程應涵蓋最新的硬件和軟件開發工具，包括微控制器、集成開發環境，以及編程語言等。同時，隨著科技的不斷發展，嵌入式系統設計涉及人工智能、物聯網和自動駕駛等新興技術的應用。因此，學校應及時整合這些新興技術，確保學生了解其基本原理和應用價值，適應快速發展的技術領域。由此可見，定期更新嵌入式系統設計課程內容是確保學生畢業后具備最新技能和知識的關鍵步驟。通過整合新興技術，更新工具，可為學生提供高質量的教育資源。

八、結語

OBE理念的倡導為創新課程設計和實施體系提供了堅實的框架，更注重學生的學習成果和能力培養。通過明確定義課程目標和期望的學習成果，學生將更容易理解自身的學習目標，有助于提高學習主動性。與此同時，創新OBE理念下課程改革方案，將使評估形式變得更為清晰和有針對性，使教育者能明確了解學生是否達到了既定的學習成果，從而有助于彰顯評估體系的公平性和準確性。通過基于學習成果的評估，教師可了解學生的學習進展，向學生提供有針對性的改進機會?？傊琌BE理念的滲透對促進教育質量的提升，以及滿足社會需求都產生了積極影響，更有助于學科領域的發展，滿足行業需求。因此，在這一框架下，教育工作者應深入推動嵌入式系統設計領域的教育改革步伐。

參考文獻

[1]孫力.OBE理念影響下的計算機科學與技術專業教學改革研究[J].牡丹江教育學院學報，2021（08）：109-111.

[2]余福源，李榮青，王宜結.基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學改革研究[J].工業控制計算機，2022，35（09）：155-156.

[3]程春玲，鄭思露，楊健.新工科背景下融合OBE的教學改革及其實踐[J].計算機時代，2020（08）：118-120+124.

[4]王偉，楊浩東，陳景波.新工科背景下基于OBE理念的課程教學改革研究與探索——以單片機原理與應用課程為例[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2021（08）：228-230.

[5]劉景華，田暉，楊麗潔，等.基于OBE教育理念的本科畢業設計教學改革與實踐——以計算機類專業為例[J].科技風，2023（18）：121-123.

基金項目：1.工程教育認證背景下“崗課賽證創”融通的物聯網課程群建設與實踐（項目編號 ：GXGZJG2023B173）；2.職業技能大賽視域下高職學生“工匠精神”培育路徑探究——以軟件技術專業為例（項目編號：GXGZJG2021A035）

作者單位：桂林電子科技大學

責任編輯：周航