OBE理念下可編程器件及應用課程的教學改革

宗榮芳 孫巧榆 李威震

江蘇海洋大學電子工程學院 江蘇連云港 222005

0 引言

可編程器件及應用課程是電子信息類本科生的一門重要專業課程，課程內容涉及數字電子技術、可編程邏輯器件、硬件描述語言、信號處理等較多理論知識，通過課程的學習可使學生掌握數字電路系統分析、設計和開發的基礎知識，在實際應用中具有解決復雜工程問題的能力和素質。成果導向教育OBE（Outcome Based Education）是以學生的學習成果為導向的教育理念，其教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后取得的學習成果[1]。為積極推進教育教學改革，本文將工程認證的OBE 核心理念貫徹到可編程器件及應用課程的理論和實踐教學環節中，通過江蘇海洋大學在線學習平臺、騰訊會議、QQ 學習群、線下教學等方式開展教學。下面從優化教學目標和內容、深化教學模式改革、促進教學持續改進、提升課堂育人效果等方面研究從傳統的“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”的教學模式，探討可編程器件及應用課程行之有效的教學方法，力圖在教學中達到實現學生的知識獲取和能力培養。

1 以成果導向為教育理念，優化教學目標和內容

可編程器件及應用課程的教學內容是應用PLD器件進行數字系統設計，即以計算機為工具，在EDA 軟件開發平臺上，用硬件描述語言（VHDL）實現對數字系統的邏輯描述，再將這些設計文件（程序）用專門的軟件工具自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合和優化，然后進行邏輯仿真，直至生成可下載到特定目標芯片的適配文件，最后用可編程邏輯器件作為下載對象完成復雜數字系統的設計。

1.1 課程教學目標

根據新的工程認證畢業要求和畢業要求觀測點，電子工程學院對電子信息工程專業制定了新的培養方案和課程設置與畢業要求關系矩陣表，其中可編程器件及應用課程所要支撐的畢業要求有兩個，一是能研究分析信號與智能信息處理等領域的復雜工程問題，以獲得有效結論，二是能使用針對信號與智能信息處理等領域的復雜工程問題的現代工具。學院培養方案確定該課程屬于專業核心課程，課程依據畢業要求指標點來制定教學大綱，確立課程目標和育人目標，具體畢業要求指標點及支撐關系如表1所示。

表1 課程畢業要求指標點及支撐關系

課程根據支撐畢業要求對應的指標點2-3 和5-1 制定了詳細教學目標，目標內容如下。

目標1：了解EDA 技術的發展動態、設計工具及可編程器件的典型芯片；熟練掌握硬件描述語言（VHDL）基本語法要素、基本語句、描述風格，VHDL 的程序結構和數據對象。使學生能綜合所學知識解決數字系統設計領域的復雜工程問題。

目標2：掌握利用EDA 工具軟件和數字系統設計流程進行相應硬件電路的設計，能對所做的設計進行功能仿真、時序仿真、程序下載，并進行時序分析。使學生能針對具體工程問題進行實驗方案設計、仿真分析等。

1.2 課程教學內容

合理的課程內容架構能幫助學生更加明確對課程的把握，引導學生有目的地去自學一些知識點，鍛煉學生自學的能力，增加學生學習的興趣[2]。

可編程器件及應用課程教學內容以VHDL 語言為基礎，教材采用情境教學方式，教材通過案例引入相關語法知識、語句及程序結構等相關內容，知識點比較分散，短時間消化理解相對比較困難，導致學生課程內容掌握有限，因此有必要整合課程教學體系，優化教學內容，明確教學重難點，使課程內容體系具有科學性、先進性、實用性。教學內容設計時將課程內容分為設計載體、設計輸入、EDA開發工具及實驗平臺4 個主要分支，課程內容的大體主體框架如圖1所示。

圖1 課程內容框架

教學內容設計從易到難、循序漸進地引導學生去學習知識，培養學生積極主動去解決問題。在自主學習安排上準備一些問題，讓學生在學習知識點的基礎上檢驗獨立學習效果，教師根據學習效果可以更清晰地評價學生，然后在教學內容設計上加以改善，形成一個良性的循環。

2 融合多種智慧教學工具，深化教學模式改革

現在的智慧教學工具有很多，可根據課程特點和以學生學習成果為導向選擇合適的教學方式。課程教學以騰訊會議、超星學習通、QQ 教學群等學習平臺為依托，探索“理論課堂+網絡空間”及“線上+線下”的教學新模式，實現教學資源共享，通過線上、線下各種渠道、分組討論等教學活動加強生生互動、師生互動，打破“教室”和“課堂”的限制，拓寬教師與學生的聯系渠道[3]。多種教學模式相結合，可以把學生不會的知識點更快地掌握，學生的主體地位得到充分體現。

2.1 課程教學方法

課程運用情境式、案例式、交流互動等多種教學方法，培養學生的溝通能力、科學思維能力、實踐能力等。

課程教學可通過對典型案例的分析，讓學生掌握利用可編程器件設計復雜數字系統的基本方法。課堂教學中通過多媒體課件、線上學習、翻轉課堂等多種教學方式，促進教學目標達成。對難點與重點內容采用循序漸進的方法，將基礎理論和實際工程應用相結合，提升課程的教學效果。課程的理論教學提出一種“AIRD”教學方法，即采用“電路案例分析（Analyze）+功能實現思想（Ideology）+VHDL 描述實現（Realize）+實例仿真演示（Demo）”的教學方法，將軟件設計與硬件電路描述結合起來，使學生真正掌握授課內容。實踐教學采用“學生硬件描述語言實現+教師針對性講解仿真示范+隨堂輔導”的教學方法，使學生實踐能力得到培養。

2.2 課程教學實施

在課程教學實施過程中，秉承“成果導向、學生中心、持續改進”的OBE理念，提出“以學生為中心”的課程教學方案，教學實施過程中設計在線課程資源，綜合運用不同教學工具。

課程加大在線課程開發，在江蘇海洋大學課程在線教學平臺構建集“教學、輔導、交流、考核”為一體的網絡在線課程，利用在線平臺的各種功能模塊進行數據統計，網址為https://mooc1.chaoxing.com/course/208310735.html，與學生進行討論互動等課堂活動，發布任務、作業和測試等多種教學環節，課程所有教學實施環節統計頁面如圖2所示。

圖2 在線課程教學實施統計頁面

設計教學實施過程包括備課、課前、課中、課后和反思等環節。為使學生的最終學習成果目標達成，課前，發布預習任務點，內容為相關教學知識點和教學視頻；課上，根據教學安排對每個知識點進行講解，課堂上不定時利用學習通點名簽到功能，了解學生出勤情況；課后，課程教師可及時查看學生每天每個時間段進行章節學習的情況，頁面如圖3所示。同時學生通過學習通在線平臺提交課后作業或課后測驗，形成課前-課上-課后的課程閉環。

圖3 學生訪問統計結果

探索“大課講授、小課研討”等教學模式，線下在學校智慧教室教學，教師通過大班講授或學生分組討論等方式，及時了解學習情況，加深學生對課堂教學內容的理解。

3 構建課程目標評價體系，促進教學持續改進

對標課程教學目標，以持續改進理念改革課程考核評價方法，從學生的學習過程和學習結果兩方面進行評價[4]。在本課程教學目標評價達成實施過程中，采用直接評價和間接評價等方式實現分析教學效果，為本課程教學提供行之有效的解決方案。

直接評價根據學習通平臺上各環節統計的數據，內容包括學習通手勢簽到、課前任務點、課后作業及單元測試、期中考試和期末考試等完成情況，考試內容包括教學大綱中涉及的知識點，題型有基本概念題、分析題、程序設計題。

2022年春學期對所實施教學班級進行的課程目標達成評價值分析如圖4所示，該課程共包括2個課程目標，對應2 個畢業要求指標點，按照相應的課程評價標準計算得出課程目標評價值1 為0.77，課程目標評價值2 為0.81，均大于設置的閾值0.6，該課程的課程目標全部達成。

圖4 課程目標達成情況評價值

間接評價通過調查問卷形式進行，按照教學大綱中課程目標制定詳細、具體、可衡量的子目標觀測點達成情況的相關問題，分非常好（10 分）、較好（8 分）、一般（6 分）、較差（4 分）、非常差（2 分）五個等級調查學生掌握知識及獲得能力的達成情況。子目標達成情況評價值（問卷）計算方法：

子目標的達成情況評價值（問卷）

其中ki分別取10，8，6，4，2。

最終課程目標達成情況評價值（問卷）取子目標的達成情況評價值（問卷）的最小值。

在所有評價環節結束后，教師要進行課程建設研討，提出持續改進措施，完成學院課程目標達成情況評價報告，確保教學質量的持續改進，最終實現課程對畢業要求的達成。

4 挖掘課程思政元素，提升課堂育人效果

根據《高等學校課程思政建設指導綱要》精神，工學類專業課程，要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[5]。

課程思政元素包括以下幾個方面。

1）通過EDA 技術的發展史，引導激發學生強烈的好奇心與求知欲，把課程的“要我學”轉化為“我要學”的自覺，激發學生的學習熱情。

2）通過集成電路芯片設計關鍵技術主要依靠進口，許多電子企業的典型事例如中美貿易戰中的中興通訊公司事件，華為芯片斷供事件等，激發學生的學習熱情及愛國情懷。

3）通過實驗、項目設計等實踐環節，讓學生在實踐過程中理論創新，達到實踐育人的效果，培養學生獨立分析問題、精益求精的態度。

5 結束語

本文以電子信息工程專業開設的可編程器件及應用課程為例，秉承OBE 的教育理念，綜合應用江蘇海洋大學課程教學在線平臺、智慧教學工具和EDA 開發軟件進行課程教學改革研究，采用多樣化的教學手段和多元化的、可持續改進的教學評價方式，確保教學質量的持續改進，最終實現課程對畢業要求的達成。

課程教學的設計與實施激發學生的求知欲，驅動學生的積極性。該課程的教學改革實踐能培養學生具有解決信號與智能信息處理等領域問題的知識、能力和素質，具有很好的實踐意義，同時對相關專業課程的教學具有較好的示范應用價值。