基于OBE 理念的EDA 技術課堂教學改革*

賀國慶 寇為剛

甘肅政法大學人工智能學院 蘭州 730070

0 引言

隨著人工智能技術理論的深入發展，數據計算個性化和高性能化的趨勢愈加明顯，由此以FPGA（Field Programmable Gate Array，Field Programmable Gate Array）為代表的EDA 技術愈加受到重視。為滿足國家和社會對電子應用技術高素質人才的需求，開設以FPGA 為代表的EDA 課程是很多高校相關專業進行一流專業建設和實現學生就業創業的必然選擇。然而，由于EDA 技術具有高靈活性[1]和高實踐性的特點[2]，學習EDA 技術對學生綜合能力的要求較高，現實中很多學生無法立即滿足這種要求，繼而出現學生對課程興趣不強、教師在教授過程中理論與實踐偏離等問題[3]。不同高校根據各自實際情況對EDA 課程進行了對應的改革，且都取得了一定的效果。

參考各高校對此類課程的改革理念和思路[4-6]，本文以甘肅政法大學安全防范工程專業EDA 技術與應用課程存在的實際問題為出發點，以學生為中心[7]，圍繞教學過程中常見的主要問題[8]，基于OBE 理念[9-10]以提升學生滿意度和培養職業化素養為目標，結合對理論和實驗教學時間的分析，通過課程思政與理工科結合的方式、PBL 教學模式等方法對存在的主要問題逐一進行分析、探索和實踐，設計出一套符合自己實際情況的教學思路和方法，以完成提升教學效果的改革。最后以2018—2020年三個學年同一專業學生對本課程的學習情況的問卷調查對此次教學改革的效果進行評判。

1 改革內容與方式

本次教學改革基于OBE 教學理念下創新型工程科技人才培養路徑的思路[11]，如圖1 和圖2 所示，每個完整的教學周期都將完整執行圖1 中四個循環模塊中的內容，經過連續三個教學周期的實踐和調整，最終達到教學方案與實際相適應的目的。圖2每個階段又側重不同的目標，且都有“制定方案—執行方案—反饋評價—方案調整”的內部小循環，如此反復，不斷發現問題，改進內容與教學方法。具體改革主要從以下幾個方面進行。

圖1 基于OBE 教學理念與思路

圖2 教學改革周期與側重點

1.1 引入思政元素，重新定位課程

EDA 技術與應用課程開設初期，一方面，任課教師忽視了對學生情況的研究，導致在實際教學過程中出現課程內容與學生現有知識儲備不銜接的情況，教學效果不及預期又反過來導致教師對該課程的教學信心降低，對最終的教學目標模糊不清；另一方面，學生認為對該課程耗費時間和精力過多且課程與專業方向和就業密切度不高，因此對該課程興趣不高。這樣不但沒有實現通過課程教授知識和技能的初衷，也沒有達到利用課程激發學生進行探索創新的目的，反而將該課程變成了學生的一種額外負擔。針對以上問題，首先，有必要在教學改革中發掘思政元素與理工科課程結合的特點[12]，通過思政元素中相關人物和事件與課程內容知識點的結合，引導學生圍繞家國情懷、理想信念在課堂進行討論和思考，引起學生對該課程的重視；其次，通過課程思政，引導學生在學習的過程中認識課程的重要性，一方面培養學生學習知識報效國家的高尚品質，另一方面將課程所學技能與就業、創業進行聯系，以此激發學生對該課程的興趣，提高學生學習的積極性。每學期課時有限，教師教授給學生關于專業的知識有限，只有讓學生自己主動學習探索才能真正實現為“用”而“學”[13]。

1.2 加強實驗，優化教學模式

EDA 技術與應用課程是一門實踐性較強的課程，原有的教學模式采用理論、實驗各占一半學時的授課方式，先講理論，再根據理論的覆蓋范圍進行對應的實驗，這是含有實驗內容課程的一般授課方式。但這種授課方式在時間劃分上不夠合理，會出現理論不能完全覆蓋實驗的現象，從而出現教學過程中實驗項目內容不足、實驗項目銜接度不高、實驗項目進度緩慢、學生厭學等問題，為此，本次改革對教學模式進行了優化：1）加大實踐教學，以實驗項目為導向進行教學，在整個實驗過程中穿插實驗所涉及的內容；2）減少純理論授課時間，授課時間與內容劃分計劃如表1 所示，從形式上看是壓縮了理論學時，擴展了實驗學時，其實質是將理論講授穿插在實驗中，讓每個實驗更加充實、系統、完整，從效果上來看，教學效果更佳，讓授課學時得到了充分的利用。

表1 授課時間與內容劃分計劃表

合理劃分實驗內容。在確定以實驗項目為導向的“輕理論，重實踐”原則下，理論授課時間大都被壓縮到實驗環節中，在表1 中，原有的理論部分的知識體系被以實驗項目的形式替代，如果在實驗的設計中沒有較強的層次性、銜接性，則學生勢必無法掌握完整的知識體系，EDA 技術層級劃分和系統性的設計思路也不能從教學方式上體現。

把握好實驗的層次性、演繹性，重視項目的完整性，不但能解決知識體系不夠完整的問題，還能以這種授課形式教給學生學習本課程的方法和思路。為做到這一點，本次教學設計參考PBL 教學模式[3,14]，實驗項目設計如表2 所示。先設計理論知識需求較低的實驗題目，以問題驅動學生利用數字電路中已經熟知的內容完成基礎實驗項目，以此培養學生對PBL 模式的適應，通過這一階段，學生能夠掌握EDA 設計基本流程、編程語言和工具的使用。

表2 實驗項目設計

在進階和創新實驗階段，同樣采用PBL 教學模式，提升項目的綜合性，拋出問題，在教師的指導下讓學生自己設計完成。在這一階段，學生能掌握EDA 設計過程中層次劃分的設計思路，能夠對部分常見簡單算法電路進行設計、調試和仿真驗證，進階和創新實驗階段的實驗以“攀巖”的形式遞進，在基礎實驗上再進行拓展即可達到下一階段的新實驗，這種“攀巖”符合EDA 設計項目遞進的關系，符合人類對知識學習層層遞進的原理。

1.3 建立有效的反饋機制

效果反饋不僅指教師獲得的學生關于實驗過程和結果的反饋，更重要的是教師要根據反饋及時進行指導并調整教學方法，這能讓學生在實驗的過程中增加對理論知識的渴望，激發對理論的自我學習，使實驗的教學效果達到最佳[15]。

為能夠順利對實驗過程中的問題進行反饋和指導，本次改革建立小組反饋監督機制，如圖3 所示。每個基礎實驗項目均以小組為單位進行，實驗過程中小組相互討論，完成實驗，將實驗存在的問題通過大組組長與本大組內其他小組討論，由此，每組就能自行解決實驗過程中存在的部分問題。最后以大組的形式將問題反饋表匯總至教師處，這樣教師得到的反饋就能更集中，更具有典型性。教師根據得到的反饋面向全班講授，這種方式不僅能夠節省時間，還能讓學生通過討論對知識有新的探索和對實驗進行辯證性思考，提高學習效率。

圖3 反饋機制示意圖

1.4 以考核方式突出對學生職業能力的培養

職業化是此類課程的特點，也是應用型高校培養人才的趨勢。該課程作為實踐性和應用性較強的綜合性課程，對職業化的要求更高。課程開設初期，授課教師在講授過程中缺少對職業化概念的引導，大部分學生對職業化不了解。為更好地培養學生的職業化素養和能力，課程從考核方式改革入手，考核方式改革前后對照表如表3 所示。

表3 考核方式改革對照表

改革前的考核方式過于主觀，考核要素單一不豐富，不能較好地達到“以考核促學習”的目的，也不利于培養具有較高職業化素養和能力的人才。經過改革后的考核方式，不但能夠在考核中突出對理論內容和實驗的檢驗，達到對教學效果的檢驗，還能提高學生對于項目報告的撰寫能力，促使其對報告的目的、內容、形式有更深入的思考?？己诉^程采用新的小組分工的方式完成，有助于加強學生團隊合作的精神。

2 效果分析與評價

本次教學改革效果的評價分別從實驗項目內容設計、理論與實驗授課學時劃分、反饋機制、考試考核方式四個方面進行，最后以問卷星的形式分別對2018 學年、2019 學年以及2020 學年教學班的學生進行調查。

2.1 授課內容與時間改革效果評價

實驗內容設計與時間劃分的滿意度調查表分別如表4 和表5 所示。由表4 可知，改革后學生對該課程難度的認識不降反增，雖然這種難度部分是對實驗項目內容的調整優化所致，但還是可以看出，該課程在甘肅政法大學該專業學生的平均知識儲備和能力認知范圍內，這進一步突出了對本課程教學方式進行研究和改革的必要性。從學生對于實驗內容設計的緊密度的認可率來看，學生認為改革后的各個實驗相互聯系緊密，能夠實現教學設計中“攀巖”的實驗教學方法。此外，由于在改革中增加了與本課程相關的人物、事件的思政元素，且在該過程中注意插入對職業化概念的引導，學生對課程的興趣度不斷上升，這說明思政教學和職業化教育引導起到了較好的效果。

表4 實驗內容設計滿意度調查結果

表5 教學時間劃分滿意度調查結果

如表5 所示，2018 學年未進行改革時執行原始培養方案得到了大部分學生的認可（67.65%），但還是有約23.53%的學生提出應該在實驗的過程中穿插理論知識。在第二個教學周期隨即進行調整，采用表1 中的授課時間和計劃。到2020 年，由于在上一年度加大了實驗項目的綜合性，難度有所提升，部分學生又認為應該加重理論的知識講授。這種反復的調整說明學生對理論和實踐的需求度能較好地體現出來，達到通過PBL 教學模式激發學生在實驗中對于理論知識渴望的目標。通過改革，關于理論和實驗時間劃分的調整取得較好的效果。

2.2 反饋機制效果分析與評價

對三個學年EDA 技術與應用課程的教學和反饋機制進行調查的結果如表6 所示。大部分學生都希望在實驗的過程中被指導，但是原始反饋方式經常是學生舉手示意或等待教師發現問題后再等待教師統一指導的被動反饋機制，此后兩年使用圖3 所示的小組討論反饋方式，經過小組討論后，一些小問題被學生自主解決，其余未解決的問題由小組上傳給大組，以大組的形式向教師匯報問題，形式更正式，能代表學生普遍存在的核心問題更加突出，不斷促進學生思考，提升學生做實驗的成就感。經過對反饋方式的不斷執行和優化，最終學生對于反饋方式的滿意度由原來的26.47%上升到70.27%。

表6 反饋方式滿意度調查結果

2.3 考核方式效果評價

考核方式與效果的調查數據如表7 所示，未進行改革前，學生對考核職業化認識不足，因此，對將實驗報告轉為設計說明報告的模式表示不理解，認為撰寫設計報告不能提高自己在職業化方面的能力。2019 年后，通過在教學中融入課程職業化的概念與意義，與此同時將實驗報告轉為設計文檔，雖難度略有上升，但對學生個人能力的提升大有幫助，從調查的數據結果上就能看出，從原來的8.82%上升到40.54%?？己朔绞綇脑瓉砝碚撆c實驗分開，分別計算各自成績加權到改革后以題目為導向進行職業化的考核，學生對考核的有效性的認同度不斷增高，這是進行職業化改革取得成功的一個重要標志，說明學生越來越接受這種考核方式，考核方式職業化改革達到了較好的效果和反饋。

表7 考核有效性調查結果

3 結束語

此次教學改革以學生為中心，以OBE 理念為指導，針對EDA 技術與應用課程教學中存在的多個主要問題進行逐一研究，并提出對應的解決方案，通過連續三年的探索和實踐，最終提升了學生對EDA技術與應用課程的興趣和對職業化的認識，利用改革后的教學模式，提升了學生的自主學習能力和團隊合作能力，為EDA 技術與應用課程更好地適應行業發展規律，完善課程教學體系的改革目標奠定了良好的基礎。