基于OBE理念的“嵌入式系統與應用”課程改革與實踐

吳靜然 崔冉

摘 要 “嵌入式系統與應用”作為信息工程專業的專業必修課程，是高素質復合型新工科人才培養的重要課程。文章以“嵌入式系統與應用”課程存在的問題為出發點，以OBE理念為指導思想，考慮學生的學習特點，從明確教學目標、優化教學體系、調整教學內容、開展線上線下混合教學、實踐教學和量化教學評價等方面探討了該課程的改革舉措，有效地激發了學生的學習興趣，為培養高素質、復合型新工科人才奠定良好的基礎。

關鍵詞 嵌入式系統與應用；信息工程；新工科人才；OBE理念

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.7.029

Curriculum Reform and Practice of "Embedded Systems and Applications"

Based on OBE Concept

WU Jingran， CUI Ran

（Xuhai College， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221008）

Abstract "Embedded Systems and Applications" is a compulsory course for information engineering majors and an important course for cultivating high-quality composite new engineering talents. The article takes the problems existing in the course of "Embedded Systems and Applications" as the starting point， takes the OBE concept as the guiding ideology， considers the learning characteristics of students， and explores the reform measures of the course from the aspects of clarifying teaching objectives， optimizing teaching systems， adjusting teaching content， carrying out blended online and offline teaching， practical teaching， and quantitative teaching evaluation. It effectively stimulates students' interest in learning， and lays a solid foundation for cultivating high-quality composite new engineering talents.

Keywords Embedded Systems and Applications; information engineering; new engineering talents; OBE concept

隨著我國高等教育新工科建設戰略的實施，培養具有創新創業能力、適應社會經濟發展需求的高素質復合型新工科人才，成為目前高等院校的重要使命[1]。嵌入式系統與應用課程作為信息工程專業的專業必修課，需要綜合運用硬件設計、C語言編程與調試、軟件集成等相關知識，有助于培養學生的獨立思考、團隊協作、溝通表達、嵌入式系統軟硬件設計等能力，符合高素質復合型新工科人才的培養要求。如何契合獨立學院學生的學習特點，明確教學目標，優化教學內容，借助現代化教學工具，理論和實踐并行，是該課程亟待解決的關鍵問題。

1? “嵌入式系統與應用”課程教學存在的問題

1.1? 教學目標模糊，課程體系單一

當前，“嵌入式系統與應用”課程教學目標模糊，課程體系相對陳舊，與用人單位嵌入式人才的實際需求脫節。理論課程與實踐實訓環節彼此割裂，相對獨立，未形成完整的課程體系，對學生專業素養、軟硬件開發能力的培養效果大打折扣。

1.2? 教學內容定位不清，教學手段單一

通過對中國礦業大學徐海學院信電系學生的調研和觀察發現：大多數學生的知識水平相對薄弱，對于枯燥晦澀的理論知識學習有畏難情緒；重視動手實踐，但學習獨立性較差，需要及時反饋來促進主動學習；部分學生感到迷茫，缺乏主動學習的內驅力。

“嵌入式系統與應用”課程教學內容向高層次本科院?？待R，包括枯燥的硬件知識和復雜的底層編程知識，但教學手段單一，采用教師講、學生聽的傳統授課方式，教學內容和教學設計未充分考慮到學生的學習特點和訴求，枯燥深入的底層編程知識使多數學生望而生畏，失去學習熱情和動力。

1.3? 重理論輕實踐

實踐性是“嵌入式系統與應用”課程的重要特性，動手實踐是提升學生的軟硬件開發能力的必經之路。然而“嵌入式系統與應用”課程教學側重復雜的編程講解，學生的編程實踐落地性差，學習效果不盡如人意。

1.4? 教學評價機制僵化

考試的指揮棒在哪里，學生的學習方向就在哪里。目前課程以卷面考試為主，學生花費大量的精力來應對考試，動手實踐能力、表達能力、解決問題的能力并未得到有效鍛煉。

2? OBE教學理念闡述

OBE教學理念是美國學者斯派帝提出的一種以學生為中心，以成果導向為核心，以“逆向設計、正向實施”為思路，持續改進的教育理念[2]。該理念實施的5大要點分別為：充分考慮學生、企業、學校、教師的要求來確定學習目標；以終為始，根據學習成果構建課程體系；以學生為中心，明確教學策略，提升教學效果；采用多元化評價標準；持續改進，提高嵌入式人才培養的針對性。由于OBE理念的實施要點可有效解決課程存在的痛點，課程組以OBE理念為指導，結合學生特點和課程特點，從明確教學目標、構建課程體系、優化教學內容、線上線下混合教學和量化考核方式等方面開展課程教學改革。

3? “嵌入式系統與應用”課程教學方法創新及措施

3.1? 明確教學目標，優化課程體系

中國礦業大學徐海學院堅持“學而優則用，學而優則創”的辦學理念，以培養德智體美全面發展，厚基礎、精專業、重實踐、強能力、高素質的應用型、復合型人才為培養目標。契合學院的人才培養目標，“嵌入式系統與應用”課程體系突出應用，重視實踐，為企業培養基礎扎實、實踐能力強的高素質復合型人才，從知識、技能、能力和素質四個方面明確具體目標[3]。

①知識目標：通過課程教學使學生掌握嵌入式基礎知識和原理、工程技術知識和專業知識，了解嵌入式系統軟硬件開發流程和方法。②技能目標：通過實踐教學，使學生掌握利用現代化工具進行嵌入式芯片應用和開發的技能。③能力目標：通過實踐教學，培養學生的軟硬件開發，發現問題、分析問題和解決問題，團隊協作，自信表達等多方面的能力。④素質目標：注重學生身心健康，助力學生樹立正確的人生觀、價值觀，培養腳踏實地、實事求是的做事態度，激發學生勤思考、多創新，強化責任和擔當意識。

在此基礎上，課程組從教學平臺、教學內容、教學方法和教師素質提升四個方面構建嵌入式課程教學體系[4-5]。課程內容由基礎理論教學、實驗教學、實訓教學和綜合應用環節四部分構成。課程以學、練、用為指導思想，優化教學方法，借助多元化教學&創新實踐平臺助力學生提升嵌入式開發能力。其中在理論和實驗教學環節，借助網絡教學平臺和課程教學平臺，重點關注學生對基礎概念和知識的理解、掌握情況；實訓教學環節重點培養學生初步具備綜合實驗能力；綜合應用環節借助學科競賽、創新創業、畢業設計等多元化平臺，以應用為導向培養學生形成較好的軟硬件開發能力。“嵌入式系統與應用”課程作為理論和實驗教學環節的重要載體，為后續的實訓教學和綜合應用提供了堅實的基礎。

3.2? 調整教學內容，引入思政元素

該課程采用基于Cortex-M3內核STM32作為主控芯片，該芯片資源豐富、易上手、性價比高、可移植FreeRTOS操作系統，可滿足課程綜合練習、學科競賽和畢業設計的要求。教學過程雖按照內部結構、庫函數、編程講解的方式開展，符合嵌入式學習的思路，但枯燥的原理和函數的講解，無法激發學生的學習興趣，學習效果欠佳。課程組應從頂層設計，結合學生學習特點，采用項目驅動教學方式引入知識點，循序漸進、由淺入深地引導學生學習。

同時，從學生的學習習慣、學習心理、學習方法、學習優劣勢等方面出發，挖掘專業課中蘊含的文化價值，將思想政治教育內化為符合學生認知的課程內容，潛移默化地引入中國特色社會主義教育、社會主義核心價值觀教育、中華優秀傳統文化教育、勞動教育、心理健康教育等，以提升學生的綜合素質[6]。

3.3? 線上線下混合教學模式

傳統課堂受時空限制，教師固定時間上課，學生課下完成作業，不利于培養學生自主學習的能力，不能滿足不同層次學生的學習需求。課程組充分利用學生的“線上+線下”時間，形成了“課前+課中+課后”的完整閉環。教學過程如下：

課前：教師基于超星學習平臺發布數字鐘設計任務、課件和微課視頻，引導學生開展需求分析，初步思考數字鐘基礎功能和擴展功能。課件中給出了STM32定時器的內部結構、定時器函數，提出如何實現1秒定時的思考。

課中：教師采用“分組+討論式教學”的方式，引導學生討論出數字鐘的計時、鬧鐘、整點報時以及校時等功能。首先，教師引導學生以小組為單位，明確小組需要完成的基本功能和擴展功能。然后，教師采用“翻轉課堂”的方式，引導學生對知識點進行梳理、總結、歸納，對重點、難點問題進行討論，以加深學生的理解。最后，教師引導學生利用所學知識，借助Keil MDK、Proteus、硬件開發板，完成1秒鐘定時器的編程。

課后：小組成員團隊協作完成數字鐘基本功能。教師通過超星學習平臺的討論板塊組織學生進行討論，針對性進行輔導，并通過布置“我的時鐘我做主”展示環節，增加學生成就感，促進學生互學互鑒。

3.4? 分組自主選題，培養綜合能力

實驗環節共32學時。在引導學生完成基礎實驗的基礎上，以學生自選項目課題為主線，以學生提出問題、分析問題、解決問題為線索，引導學生應用所學知識解決項目難題，使學生充分體驗項目開發流程，鍛煉學生資料搜集整合能力、解決問題能力、語言表達能力和軟硬件開發等方面的能力。

整個過程中，學生轉變角色，從被動輸入轉為主動設計，自主分組，自選題目，進行需求分析、資料調研、方案選擇、硬件設計、PCB繪制、軟件編程、論文撰寫、小組答辯，綜合運用所學知識，做中學、學中做，充分內化嵌入式開發的相關知識，初步具備提出問題、分析問題、解決問題的能力。

教師進行過程管理以及問題的解答。教師根據學生在方案選擇、電路設計、PCB繪制、軟件編程、論文撰寫、小組答辯等環節的完成質量進行綜合評價[7]，各環節考核評分標準如表1所示。為了對小組成員成績進行公正評價，各小組采用ABC 3級對小組成員的貢獻度進行小組自評。小組成員的最終成績由其所在小組的最終成績*小組貢獻度（A=100%，B=90%，C=80%）得出。

3.5? 量化教學評價，閉環教學過程

OBE教育評價體系注重過程性評價及多元化評價，合理的教學評價機制將有效激發學生的學習動力，提升教學效果。由于“嵌入式系統與應用”課程難度較大、實踐性強，單憑一張試卷無法反映學生的掌握情況。為了客觀對學生進行教學評價，課程采用卷面60%、平時成績40%進行成績的評定。其中，平時成績由出勤、課堂表現、作業完成情況、考試測評和實驗以5%，5%，20%，15%，55%的比重加權獲得。教師需要做好過程管理，利用超星學習平臺獲取學生學習情況，及時給予學生反饋，引導學生進行總結和反思，同時不斷調整教學策略，優化教學過程，形成良性閉環。

4? 結語

本文基于中國礦業大學徐海學院電子科學技術和信息工程專業的“嵌入式系統與應用”課程，針對課程存在的問題，以OBE理念為指導，以高素質復合型新工科人才培養為目標，從優化課程體系、調整教學內容、采用線上線下任務驅動式混合教學、巧設自主選題環節、調整考核方式等方面進行探討，通過一系列舉措充分調動學生的學習興趣，培養學生的綜合素質，為實訓教學和綜合應用環節打下良好的基礎，為高素質復合型新工科人才培養提供保障。

基金項目：江蘇高?！扒嗨{工程”資助項目；江蘇省高等學校自然科學研究項目（23KJD510014）；中國礦業大學徐海學院教育教改研究項目“OBE理念下的《嵌入式系統與應用》教學改革與實踐”（YA2323）。

參考文獻

[1] 殷婷婷，楊忠，徐楠，等.新工科背景下物聯網工程專業嵌入式系統課程教學探索[J].物聯網技術，2022，12（12）：139-141，144.

[2] 顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[3] 何劍鋒，葉志翔，何月順，等.交叉學科視角下應用型本科高校轉型試點中創新人才培養模式探索——以嵌入式系統課程實踐教學改革為例[J].職教論壇，2016（33）：42-44.

[4] 王國霞，李擎，崔家瑞，等.嵌入式課程群多層次創新實訓平臺研制[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：163-167，235.

[5] 王玲，彭開香，李擎.基于工程教育認證的嵌入式系統及應課程的改革與實踐[J].高等理科教育，2017（5）：116-120.

[6] 劉光麗.嵌入式系統課程思政的教學探索與思考[J].科教文匯，2022（20）：94-96.

[7] 彭朋，劉偉峰，曹曉倩，等.基于CDIO-PBL教學模式的微處理器與嵌入式系統課程教學改革探討[J].高教學刊，2022，8（27）：138-141.