基于OBE理念的項目化教學實踐方法研究

郭麗紅　吳海濤　楊潔　沙愛軍

［摘 要］為了督促學生熟練掌握編程技巧，進一步提升其編程能力，文章基于OBE理念，以項目驅動的教學模式為主線，結合編程類課程的特性和多種教學方法，采用多級幫帶方式，設計了系統化的課程學習模塊和教學方案。在實施過程中，文章以企業的設備定位項目為驅動，利用UWB和NB?IoT技術，并基于STM32單片機完成了室內外設備的位置及狀態檢測，不僅實現了高精度定位，還成功將單片機采集和處理后的數據上傳至企業私有云平臺。此外，系統設計了手機app，用戶可以通過app向云端請求數據，實時掌握設備狀態，統計和分析數據，幫助企業實現自動化設備監測與管理，秉持了“學生中心、產出導向”的理念，滿足了用人單位和社會需求，同時也顯著提升了學生的軟硬件編程能力，達到了人才培養的目標。

［關鍵詞］編程能力；OBE理念；項目化教學；設計與開發

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）04-0077-03

隨著計算機技術的普及和高度信息化時代的到來，軟硬件編程在各行各業的應用愈發廣泛，對編程人才的需求也日益增加。因此，具備良好的編程能力已成為時代所需[1]。編程語言作為打開計算機技術大門的鑰匙，無論是在大數據、物聯網還是人工智能等領域的發展中，都發揮著不可或缺的作用。計算機相關專業的專業課程往往以編程語言為基礎，構建實驗或設計系統。此外，隨著考研學生數量的逐年攀升，部分高校在專業考核科目中要求使用編程語言來描述算法、設計方案，或在研究生復試中更加注重考查學生的邏輯思維及編程能力。

隨著工程教育專業認證工作在各大高校中的不斷推進，在基于產出的教育理念（Outcome?Based Education，OBE）和“學生中心、產出導向”理念的指引下[2-5]，以提升學生編程能力為目標的項目化實踐方法有待深入研究。

一、總體方案設計

基于當前學生編程能力、編程類課程的教學效果、學生考試成績等因素，本文在工程教育專業認證理念的指導下，通過深入分析和歸納總結，針對編程能力培養與提升過程中遇到的具體問題，構建了一個系統化的編程能力提升框架，并制訂了一套完整的學習方案。該方案以項目驅動為核心，緊密結合課程特征和學生狀況，從教育理念的創新性、項目驅動的可行性、編程能力的系統化提升等方面建立人才培養模式。

二、編程能力提升的具體實施方案

（一）以項目驅動的教學模式

項目化教學模式作為一種新型教學方法，能夠有效緩解社會需求與人才培養之間的矛盾。該模式緊密圍繞企業的實際需求，以項目驅動的教學模式為主線，采用多級幫帶方式，即組建教師幫帶學生、學生幫帶學生的學習梯隊；以實際項目開發為目的，以學生為中心，以提升編程能力為目標，實現從需求到理論，再由理論到實踐的反復循環，徹底改變傳統的教學模式。同時，根據企業需求，明確項目目標和所需技能，使學生在邊做邊學的過程中完成項目開發。

（二） 設計目標導向，并具體實施

以學生為中心，按照從基礎到強化再到提升的能力訓練途徑，精心設計了具體的課程模塊、項目指導以及學習流程（見圖1）。

[計算機基礎 ][提升能力訓練項目 ][強化能力訓練項目 ][基礎能力訓練項目 ][訓練基本編程思維 ][學會編碼和調試 ][高級語言程序設計C ][適合管理系統類項目 ][計算機網絡 ][訓練邏輯編程思維 ][數據結構、算法、數據庫 ][面向對象程序設計語言

（C++/Java/Python） ][適合算法類相關項目 ][訓練綜合編程思維 ][單片機原理及應用 ][關注時空分配、效率提升 ][適合各類軟硬件相關項目 ]

圖1 項目化驅動學習方案具體訓練流程

編程作為一種技能，其核心在于編程思維，而良好的系統性設計則是能力培養的關鍵。本文以項目驅動的教學模式為主線，構建三級階梯式項目化教學模塊，從基礎課程的學習和基本編程思維的訓練，到中等強度的算法設計和邏輯思維的培養，最后到高級課程的學習和綜合編程思維的訓練。學生在這個過程中不僅得到了思維訓練，也實現了將知識轉化為能力的目標。

（三）以實際教學對象為實驗對象，將項目化教學應用于實際教學

以課程組為單位，深入研究實施細節。根據每個階段的訓練要求，精心挑選實際項目，引導學生將理論與實踐緊密結合，通過完成項目開發和應用，進一步提升編程能力。本文以企業實際需求為例，引入基于NB?IoT的設備室內外定位項目[6]，并據此開展項目化教學。

1.項目需求和總體規劃

硬件選型及模塊的選擇[7-8]：單片機的選型（STM32單片機）、室外定位（采用BC20定位模塊，實現基于GPS+北斗的聯合定位）、室內定位（采用UWB技術）、低功耗數據傳輸方式NB?IoT、供電模塊。

各種通信協議及信息傳遞方式：串行口通信方式的實現、NB?IoT無線傳輸模式的實現、AT指令的通信格式、設計數據采集端和云端的通信協議等。

相關編程技術：下位機與室內外定位模塊的通信，開發手機app。實時了解設備的運行狀態，以更好地掌握工控領域的實時信息，提高生產效率，降低安全隱患。

2.項目分塊、學生分組設計

采集端：單片機、室內外定位模塊與監測設備一體化設計。通過單片機的實時數據采集、NB?IoT的無線傳輸，以及串口通信的協同作用，完成信息采集工作，并將數據上傳至企業私有云平臺。

手機app：系統的設備監測數據通過無線網絡傳輸，將分散的設備狀態信息上傳至企業私有云平臺。運維工程師或用戶下載安裝手機app，遠程監視設備狀態及位置信息，及時發現并應對緊急情況，實現高效便捷的運維處理和確保設備的安全運行。

服務器端：服務器是系統中提供特定服務的計算機系統，其主要職責是存儲用戶數據，為客戶端提供服務，并實時處理客戶端的數據請求。

信息交互：包括采集模塊及定位模塊與下位機的信息交互、下位機和私有云的信息交互、客戶端通過手機app與私有云端的信息交互。

（四）系統功能的具體實現與測試

系統設計：上位機主要指的是手機app的編程，采用Android Studio編程工具，并使用Java語言完成上位機的設計[9]，具體包括授權登錄模塊、條件查詢模塊、實時監控模塊、匯總統計模塊等。上位機的數據來源于企業私有云平臺，能夠實時獲取云端信息，從而實現對設備的在線監測。下位機采用低功耗的STM32主控芯片，在Keil uVision5開發環境中，使用C語言來實現其具體功能，包括室內外模塊的位置信息采集、與單片機的交互、室內基站模塊和標簽模塊的交互，以及NB?IoT與企業私有云的通信等。

室內定位：在室內定位中基于UWB技術[10]，采用DWM1000距離傳感器，并運用球形定位算法來完成室內設備的精確定位。UWB終端的位置確定是利用通過幾何關系來計算圓的交叉點，從而精確地獲取位置信息。

室外定位：BC20模塊集成了一款高性能的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）芯片，支持GPS、GLONASS、北斗、Galileo等多個系統，從而實現多系統聯合定位。通過嵌入式的GNSS功能，BC20模塊可以協助用戶獲取精確的坐標和時間信息。STM32單片機通過發送AT指令與BC20模塊建立通信，進而控制BC20模塊執行特定的操作。

手機app：手機端軟件設計采用分層結構設計，包括用戶界面層、用戶功能層、中間件層以及操作系統層。使用Android Studio編程工具，調用JDBC的API來連接企業私有云端數據庫，從而獲取設備狀態及位置信息。同時，編寫UI界面用于數據展示，并調用高德地圖API和圖表控件來美化和優化信息的呈現方式，實現實時交互和信息交換。

（五）檢驗實施效果，并評價結果

在項目化教學過程中，教師應實時記錄工作狀態，并密切關注每個環節的進展情況。

優化過程：參與課堂教學、實驗教學及畢業設計等環節，深入了解其教學模式的整個過程，并展示相應的理論成果。在特色教學模式的基礎上，將理論成果實際應用于教學中，反復優化實踐中出現的錯位問題，并探索出最佳方案。

檢驗結果：選取部分教學班作為試驗點，對其進行項目化教學模式改革，并對實施效果進行定量分析。經過反復試驗與優化，最終形成效果良好的高校編程類課程教學模式，為創新型人才培養提供有力的理論指導。同時，組織學生參與各類人才選拔和學科競賽，以檢驗學生的學習效果。

定性能力評價：通過組織學生參與各類人才選拔競賽、學科競賽，以及基于各種創新創業項目的實踐表現，可以有效檢驗學生的學習效果。

三、結語

培養軟硬件技術型人才是時代所需。因此，實施編程能力的提升方案能有效解決高分低能的問題，將知識模塊與思維訓練有機結合。在基于OBE理念的項目化教學方案實施過程中，不僅有效培養和鍛煉了學生的創新能力，還提升了他們的專業素養，從而實現了人才培養的多重目標。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉國瑞.國家重大戰略轉換期高等教育現代化的定位與思路[J].高等教育研究，2020，41（5）：1-9.

[2] 安勇.工程教育專業認證改進工作質量提升的深度思考[J].中國高等教育，2018（23）：38-40.

[3] 耿曉偉.基于OBE理念的實踐教學體系改革：以安全工程專業為例[J].實驗技術與管理，2019，36（7）：192-196.

[4] 張男星.以OBE理念推進高校專業教育質量提升[J].大學教育科學，2019（2）：11-13.

[5] 楊長龍，李莉，賈宏葛，等.基于OBE的人才培養目標制定機制及程序[J].高分子通報，2019（12）：74-77.

[6] JANSSEN T ， BERKVENS R ， WEYN M . RSS?based localization and mobility evaluation using a single NB?IoT cell[J]. Sensors， 2020， 20（21）：6172.

[7] 丁一鈞，聶電開，武存山.基于北斗系統和物聯網的野外圖像采集設備防盜定位系統設計[J].物聯網技術，2020，10（9）：31-32.

[8] 郭起軒，仲梁維.基于安卓平臺的重點設備遠程監測系統設計[J].軟件導刊，2018，17（4）：115-117.

[9] 王高杰，靳東安.基于NB?IoT的全球定位設計與實現[J].中國新通信，2020，22（1）：28-30.

[10] 姬生月，孫嘉文，宋云記，等.基于北斗短報文的遠海實時精密單點定位[J].國防科技大學學報，2021，43（6）：74-84.

［責任編輯：梁金鳳］