OBE-CDIO理念下“單片微型計算機原理及應用”課程教學探索與實踐

曹一鵬 吳昊 毛艷娥

摘? ? 要：文章針對“單片微型計算機原理及應用”課程的強實踐性特征，以及教學中的“四重四輕”問題，提出了基于OBE-CDIO理念對“單片微型計算機原理及應用”課程教學進行了改革，闡述了教學改革的理論支持以及實施過程，以學生發展為中心，以成果導向教育OBE為目標，以CDIO的四個環節為著手點對課程教學進行改革，并堅持持續改進以達到工程教育專業認證的標準，從而提升學生的自主學習能力、工程實踐動手能力及創新創業能力。

關鍵詞：“單片微型計算機原理及應用”課程；OBE-CDIO；四重四輕；專業認證；工程實踐能力

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1002-4107（2023）07-0074-04

作者簡介：曹一鵬（1981—），男，吉林大安人，沈陽航空航天大學計算機學院講師，主要從事單片機教學及嵌入式系統開發研究。

基金項目：2021年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“基于數字孿生的《單片微型計算機原理及應用》混合教學模式改革研究”（遼教辦〔2021〕254號）；2022年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目（優質教學資源建設與共享項目）“以跨校修讀為基礎、以提升工程實踐能力為導向的‘單片微型計算機原理及應用課程改革的探索與實踐”（遼教辦〔2022〕160號）；2022年沈陽航空航天大學教學改革項目“基于提升學生工程能力的單片機實踐教學體系的改革與實踐”（JG2022001）

在教育全球化的大背景下，為應對產業技術的不斷升級創新，高等教育改革也隨之不斷革新，工程教育成為當前高校教育界廣泛研究探討的話題，尤其是工科高校，更是將工程教育專業認證作為一項提高工科專業畢業生培養質量中重要的一環來實施。在2016年，我國成功加入《華盛頓協議》后積極開展工程教育專業認證，要求國內各高校（尤其是工科類的高校），根據工程教育專業認證的三個基本思想（以學生為中心、以學習成果為導向、持續改進）推進工程教育改革的不斷創新，使工程教育得到更高質量的提升；促進與工業界及產業界的聯系，提高行業人才培養與產業發展的適應度，以培養優秀的工程應用及創新人才；促進與國際工程教育的互認，逐步提高我國工程技術人才的國際影響力及競爭力[1-2]。

沈陽航空航天大學（下文簡稱“沈航”）是一所以工科為主的高校，學校正在積極推進各工科專業的工程教育專業認證。“單片微型計算機原理及應用”（以下簡稱“單片機”）課程是沈航的校級平臺課，同時也是遼寧省一流課程，學校大多數工科專業均修讀該門課程，所以“單片機”課程也必須要進行針對工程教育專業認證的改革，以提升工程創新人才的培養質量。

一、“單片微型計算機原理及應用”課程教學體系存在的問題

“單片機”課程具有強實踐性的特征，沈航開設的“單片機”在課內和課外均配有實踐環節，但仍以課內實驗為主，輔以課設設計、畢業設計等環節。然而，在通過工程教育認證之前，沈航的“單片機”課程教學體系仍存有以下不足。

1.重知識傳授，輕能力培養。任課教師將理論知識的傳授看得較重，將實驗作為課程理論知識的補充，實驗的目的僅僅是驗證理論知識，對“單片機”整個開發流程未做或較少涉及，所以對學生的工程能力、創新能力培養較為不足。

2.重課上講授，輕課下實踐。課堂教學中存在著以任課教師的講授為主的問題，但近年來受縮減學時學分的影響，實踐能力培養環節大多放到課下完成，課上任課教師與學生互動較少，缺乏翻轉課堂的有效實施，學生做出來的優秀案例也得不到很好的展示，導致學生對于復雜工程問題的思考積極性不高。

3.重知識點講解，輕知識點之間聯系。教師授課主要采用講授、討論及案例相結合等教學方法，針對每章重要知識點能夠作出詳細的講解，使得學生能夠較好地掌握知識點，但各知識點之間的聯系講授不夠，不利于學生全面深入地掌握單片機系統的開發流程，難以提升學生的系統分析能力。

4.重考試結果，輕學習過程。在學生評價方面，仍采用“一考定成績”為主的評價方式，缺少過程化和精細化的考核，無法滿足以學生為中心的多樣化及能力化要求，無法準確評價學生的學習成果，更做不到持續改進授課內容和方法。

綜上，“單片機”課程若不進行適應發展的改革，仍采用傳統教學模式，將無法達到工程教育能力培養的目標。

二、教學改革的理論支持

OBE（Outcomes Based Education）是最早出現在美國與澳大利亞的中小學基礎教育改革中的一種重視學習產出的教學模式，其核心思想是學校、教師、管理人員等對學生畢業時應達到的能力具有清晰地設計，通過“反向設計，正向實施”，尋求適合的教育模式及方法來促使學生達到這些預期目標，即教育者更看重如何培養學生學習能力和獲得怎樣的學習成果[3]。CDIO工程教育模式（C：構思Conceive、D：設計Design、I：實現Implement、O：運行Operate）是國際工程教育創新的研究成果，在2011年，其創始人愛德華·克勞利（Edward?Crawley）因對該模式的研究榮獲被譽為“工程界的諾貝爾獎”的美國工程院“戈登獎”[4]。CDIO工程教育模式是指以項目為載體，學生從主動、實踐、課程及其之間聯系等多方面學習工程知識，旨在培養學生的工程專業基礎知識、系統工程能力、個人能力及團隊合作能力[5]。從上述兩大理論的核心思想可以得出，OBE可以作為目標，CDIO可以作為手段，通過將OBE與CDIO有效結合與互補，能夠有效地實現培養綜合型人才的既定目標，并確定了學生對“單片機”課程的整體預期學習產出，又根據該預期學習成果，構建教學目標，反向設計該門課程的教學內容和方法，按照CDIO開展教學，針對“構思、設計、實施、運行”四環節設計項目式訓練方法，形成OBE-CDIO有效結合的教學模式。通過應用該教學模式可提升學生的工程應用能力、終生學習能力、團隊交流能力及創新創業能力[6]。

三、課程改革的實施

本文以沈航的“單片機”課程為載體，初步探索基于OBE-CDIO教學模式的改革工作與效果。“單片機”課程改革遵循的改革思路如圖1所示。

（一）構思（Conceive）——重新梳理教學大綱，制定教學目標

在課程改革前的教學大綱中，各章節的教學目標多為要求學生對重要概念和SFR（特殊功能寄存器）的記憶，以及對基本應用的理解，卻沒有重視通過多知識點的融合提升學生分析、解決具有高階性、創新性及挑戰度的復雜工程問題能力，更沒有體現出課程思政對課程本身以及學生自身發展帶來的益處。

筆者及教學團隊基于OBE的教育理念，根據國家發展要求及行業需求，確定學生的學習成果和能力，重新梳理教學大綱，構思培養學生能力的方向，結合課程思政設計課程教學目標。另外，由于“單片機”課程一般開設在第五、六學期，因此側重于使用高級別的布魯姆認知深度來表示，使學生對所學習的“單片機”專業知識、應達到的能力形成較為清晰的認識。

（二）設計（Design）——整理教學資源，設計教學手段和方法

OBE-CDIO教育理念的核心是以學生為中心，以學生獲得的能力為導向，對于知識點，學生應該做到的是理解而非簡單的記憶，這就要求改變以教師為中心的授課方式，教師在授課中要注重培養學生具有解決開放問題的能力，而非只具有解決有固定答案問題的能力[7]。筆者以下從理論授課、實踐操作兩個環節來闡述OBE-CDIO理念在“單片機”授課中的設計。

在理論授課環節，筆者在設計課程內容及實現方式時，重視教育部對示范性金課的要求，重點設計具有高階性、創新性和挑戰度的案例。先拋出案例，進而分析其中用到的知識和技術，重視多知識點的融合，并將這些知識點和技術進行詳細的分析與講解。學生在學習過程中，要不斷總結開發單片機系統的方法和技術，理順各知識點之間的內部聯系，提升自己分析、解決復雜工程問題的能力。

在實踐操作環節，筆者盡量減少驗證性實驗的學時，較多地安排具有設計性和綜合性的實驗。但由于學生學習能力、前期的相關知識儲備及實踐動手能力不同，所以筆者將實踐項目分為三類，即基本實驗、綜合設計型實驗、學生自主立題的開放型實驗。對于基本實驗，主要是以各章重要的知識點為載體，目的是提高學生的學習興趣，進而提升學生的實踐動手能力。對于綜合設計型實驗，利用專項設計，使學生熟悉并理解單片機系統的開發設計流程，目的是培養學生綜合設計及單片機系統開發能力。對于學生自主立題的開放型實驗，利用沈航計算機學院的本科生進教師研究室的政策，鼓勵優秀的本科生進入教師的研究室，以教師科研項目為依托，立足產教融合，培養學生的創新設計能力及工程實踐能力。通過以上三個環節構建出如圖2所示的階梯式實踐教學模式，按科學規律循序漸進地培養學生的各項工程實踐能力。

另外，在設計理論課程及實驗內容時，筆者及教學團隊深入挖掘“單片機”課程中蘊含的思政元素，尤其是通過案例引入知識點，注重案例中蘊含的精神、思想、價值等思政內容，在潛移默化中提升學生的思想道德品質，做到習近平總書記要求的“全員、全程、全方位育人”。教學團隊通過課程思政內容的無聲融入，增強學生的學習興趣，提高學習動力，進而提升學生的工程實踐能力[8]。

（三）實現（Implement）——借助跨校修讀，拓展學生的知識面

在實踐中，教學團隊積極推進“互聯網+教育”的混合式跨校修讀教學模式，借助于遼寧省推行的“酷學遼寧”平臺，堅持以學生為主體，學生發展為中心，以學生的學習成果為導向，改變傳統教學的灌輸式授課方式，構建“做中學、用中學、練中學”的3L（Learning by doing，Learning by using，Learning by training）人才培養的新模式，著力提升學生的工程實踐能力。

跨校修讀分為建課方和用課方，雙方共同制定教學計劃。課前，要求學生在通過“酷學遼寧”平臺觀看建課方教師的授課視頻，完成布置的思考題。課中，改革團隊教師拋出在設計階段精心準備的案例，通過理論分析、仿真演示及實際構建，要求學生進行討論分析，回答出教師提出的問題，最后教師認真講解本章的知識點以及與前序知識點之間的聯系，并進行總結歸納。課后，通過布置作業、拓展閱讀、實操訓練等方式提高學生對知識的掌握情況，最后，用課方將學生的掌握情況反饋到建課方教師，雙方通過針對學生的學習成果進行持續改進。整個實現階段師生工作學習內容如表1所示。

（四）運行（Operate）——細化考核方式，培養學生多方面能力

通過對課程進行構思、設計、實現三階段改革之后，教學團隊改變以往僅通過一次期末考試就決定學生成績的考核方式，加大過程考核比重，將總評成績設定由觀看視頻時長、線上測試成績、小組討論、實驗成績、期中成績、期末成績等幾部分，通過增加這些考核環節來提升學生的多方面能力，如：工程實踐動手能力、創新創業能力、語言表達能力及團隊協作能力等，并注重培養學生的高級工程思維。另外，在期末考試中，增加一些具有開放性答案的試題，對學生是否具有解決開放問題的能力進行考查。考核方式和能力對應關系如圖3所示。

四、課程的持續改進

工程教育專業的一個重要理念就是持續改進，因此教學團隊結合學生學習情況、考試情況和學生工程實踐能力提升情況，認真總結改革成果，持續改進教學目標。教學團隊通過學校督導聽課、任課教師互相聽課、學生評價教師等多種手段尋找教學中的問題與不足；通過計算教學目標的達成，分析課程中授課方法和手段的不足，提出合理化的改進建議；與專業的思政課教師共同討論，形成協同育人教學團隊，發揮課程思政的思想引領作用；側重將理論知識和動手能力高度融合，更加強調將知識轉化為實際運用的能力，使學生成為學習的主體與中心。

五、結語

培養具有工程實踐能力及創新創業能力的綜合素質人才是工程教育專業認證的核心目標，在OBE-CDIO理念指導下對“單片機”課程教學進行改革，以學生發展為中心，以成果產出為導向，反向設計教學目標，正向實施教學過程，持續改進，循序漸進地培養學生的工程實踐能力。該教學改革成果目前已經推廣到其他課程的教學當中，并且“單片機”課程隸屬的沈航計算機科學與技術專業也已成功通過工程教育專業認證。經實踐證明，基于OBE-CDIO理念的教學深受學生、家長、企業的歡迎，極大地激發了學生的自主學習能力、創新能力、工程實踐能力以及社會適應能力，為國家發展和社會需要培養優秀的單片機行業人才。

參考文獻：

[1]? 王宏，于曉，韓家新，等.融合CDIO-OBE的雙線程交互式教學模式探索與應用[J].計算機教育，2018（9）.

[2]? 華爾天，計偉榮，吳向明.中國加入《華盛頓協議》背景下工程創新人才培養的探索與實踐[J].中國高教研究，2017（1）.

[3]? 周雙喜，韓震，黃強.CDI0-OBE工程教育模式的材料力學實踐教學研究與探索[J].實驗室研究與探索，2018（8）.

[4]? 李明忠，任林芳，焦運紅.美國高等工程教育改革的主要特征——以戈登獎獲獎項目為例[J].高等教育研究，2018（1）.

[5]? 王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009（4）.

[6]? 李剛，秦昆，萬幼川，等.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究，2019（3）.

[7]? 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）.

[8]? 曹一鵬，潘琢金，吳昊，等.課程思政視角下的“單片微型計算機原理及應用”課程教學探索與實踐研究[J].工業和信息化教育，2022（5）.

[責任編輯? 韓曉雨]