基于OBE理念的創新實驗室單片機培訓改革探索

摘" 要：針對某高校電工電子類創新實驗室大部分成員單片機程序設計和硬件設計能力不足、學習目標不明確等問題，提出一種基于成果導向教育理念的單片機項目化培訓改革方案，方案以成果為導向，采取項目驅動、夯實基礎設計知識、注重項目特色、構建師生互評的評價體系的思路制定培訓目標和持續改進遞進式培訓內容。經過四年的實踐探索，培訓改革取得良好效果，激發了學生的學習自主性，提升了學生的工程實踐能力，鍛煉了學生項目設計創新思維。

關鍵詞：單片機培訓；OBE理念；創新實驗室

文章編號：1671-489X（2025）02-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.02.

0" 引言

成果導向教育（OBE，Outcome-Based Educa-tion）也稱為能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育[1]，是指教學設計和教學實施的導向是學生通過教育過程最后取得的學習成果。OBE理念強調學生取得什么樣的成果，取得這些成果的緣由，如何有效幫助學生取得成果，如何了解學生是否取得成果。更深的一層內涵是要求先明確學習成果，采用多元彈性的個性化學習，學生通過學習過程完成自我實現的挑戰，教師根據成果反饋改進教學設計[2]。

在實施基于OBE理念的教學過程中，孫駟洲等[3]

提出引入OBE理念，以提高學生學習興趣和實踐能力為目標，整合實踐教學內容，調整教學模式，將項目化和遞進教學模式貫穿單片機綜合設計實踐教學過程，激發學生的學習主動性，提升學生的工程實踐能力；王佳等[4]提出以成果導向為目標，采取項目驅動、反向設計、正向實施的設計思路確定課程教學目標和教學內容，優化教學設計，持續改進課程考核方式；張欣[1]研究和設計了基于OBE理念的教師考核與學生自我評價相結合的實踐課程評價體系，并通過實踐驗證了實踐教學改革與課程評價體系的合理性和有效性。

借鑒以上學者的改革模式，以某高校電工電子創新實驗室為例，筆者提出基于OBE理念的單片機項目化培訓改革方案。該方案以成果導向和“厚基礎、重特色”為培訓內容設計路線，以項目化開發為驅動，制定遞進式培訓目標和內容，以提高學生的學習主動性，培養其實踐動手能力，鍛煉其項目設計創新思維和工程問題分析與解決能力。

1" 單片機培訓模式現狀分析

1.1" 缺乏單片機開發板設計過程

目前，大部分學生在單片機學習過程中購買市面上的51單片機學習板，并獲取廠家提供的學習資料，以及結合Protues仿真軟件對一些簡單的功能模塊進行調試。同時，在其后的一些項目開展過程中，學生設計的樣機普遍采用“單片機開發板+各類功能模塊+杜邦線”的連接方式進行組裝調試。這就導致很多學生使用專用軟件繪制項目樣機PCB板和電子元器件焊接的能力比較弱，時常無法對樣機進行小型化設計，難以進一步優化硬件電路設計。

1.2" 缺乏綜合程序整合能力，程序編寫混亂

培訓過程涉及單片機的基本概念、硬件結構、I/O口、中斷定時器、串行口、PWM等知識點，但知識點之間相互獨立。學生的學習過程僅限于對單一功能的驗證，未能運用所學理論知識點進行延伸設計，未能對多個功能進行整合調試，以致他們無法了解單片機各個功能之間千絲萬縷的關系，缺乏工程設計意識[5-6]。同時，學生在編寫程序過程中對一些變量函數命名、程序注釋和程序結構設置不夠重視，從而導致程序編寫混亂，自身和他人閱讀程序比較吃力，移植和維護代碼困難，反映其缺乏程序代碼系統性設計思維。

1.3" 缺乏閱讀原廠用戶手冊的經歷

以往的單片機教學或培訓過程中，教師主要依據課本和PPT進行教學，但在實際的單片機開發過程中，所用的核心控制器型號和封裝較多，功能也有所區別。一般的教材僅針對某一型號、某一封裝的核心控制器所具備的功能和部分功能程序代碼進行解析，而原廠提供的控制器用戶手冊是對某一系列核心控制器、各類技術參數、特性功能、寄存器、底層驅動函數代碼的詳細說明，覆蓋面較廣。只有學會閱讀用戶手冊，才能更好地了解所用的核心控制器的各項功能，才能進一步加深自身對控制器功能程序代碼設計的理解。

1.4" 缺乏有效的考核評價機制

目前，創新實驗室未制定具體的考核評價機制，在參加單片機培訓過程中，學生能力的提升未能得到正式的認可和評價。同樣，創新實驗室的單片機培訓、學術競賽和項目研發過程未能及時收到學生給予的效果反饋。

2" 制定OBE理念的培訓目標

為培養基礎寬厚、專業知識扎實、實踐能力較強、具有一定解決實際問題能力和學術研究能力，符合經濟社會發展需求的電氣工程背景的電氣電子類復合應用型人才[7]，筆者采用反向設計、正向實施的方法，以項目驅動、夯實基礎設計知識、注重項目特色、構建師生互評的評價體系的思路制定培訓目標和培訓課程內容，從而完成以學生為中心的單片機培訓改革[3]。基于OBE理念的培訓改革目標如下。

1）具備扎實的電工電子類基礎知識：通過對電路、模擬電子技術和數字電子技術三門課程相關基礎電路進行理論分析、軟件仿真與焊接調試，鞏固學生對理論知識的理解。

2）掌握電路板繪制軟件，熟悉電路板生產工藝和SMT焊接流程：熟練使用嘉立創EDA軟件繪制項目樣機電路板PCB，熟悉PCB設計圖紙下單生產操作流程和生產工藝要求、電子元器件SMT加工焊接流程。

3）提高以單片機為核心的綜合設計能力：能夠根據項目任務需求制定軟硬件設計方案，結合數模電和單片機設計知識，設計綜合性控制裝置或設備。

4）扎實的項目開發報告書撰寫能力：能夠根據設計報告要求，在充分了解和理解項目任務、研究內容與樣機功能等情況下，指導或參與項目開發報告撰寫工作。

3" 制定基于OBE理念的培訓改革措施

3.1" 夯實電工電子類基礎知識

通過錄制電阻、電容、電感、二極管等基礎元件的功能、特性參數講解視頻，三極管放大電路、MOS管開關電路、運算放大電路、全波整流、變壓器等基礎應用電路的工作原理和仿真教學講解視頻，采用線上自學、線下驗證的方式對學生的電工電子基礎知識進行鞏固。其中積分運算電路仿真如圖1所示，通過仿真畫面能夠實時觀察到電路中各點電壓、電流和波形的變化，使得學生更容易理解知識點。

3.2" 培養單片機硬件設計能力

以STC8H4K64S4單片機為核心，集成程序燒寫模塊、電子時鐘、觸摸識別、獨立機械按鍵識別以及引出單片機所有I/O口，作為單片機程序調試和功能驗證的最小系統開發平臺。該平臺3D渲染如圖2所示，單片機采用LQFP-32封裝，發光二極管、電阻、電容均為0805封裝，另有SOP-8和SOP-16封裝的電子元器件。采用表貼片封裝電子元器件，有助于核心開發平臺小型化和美觀化，同時為鍛煉學生焊接能力埋下伏筆。

所有參與培訓的學生均需通過嘉立創EDA軟件繪制單片機最小系統開發平臺的原理圖和PCB，并外發生產。同時，學生還需焊接開發平臺所有元器件，焊接過程不僅能加強學生對常規電子元器件的識別能力，還能鍛煉學生焊接的動手能力、解決焊接問題的能力，培養學生的耐心和細心。

3.3" 提高學生閱讀原廠用戶手冊能力

采用由易到難的遞進式培訓方式，培訓授課內容先以課本、PPT和仿真為主，閱讀芯片原廠用戶手冊為輔，主要通過直觀化、形象化和通俗化的方式對授課內容進行講解，以便學生更好地理解知識點。而后以學生閱讀芯片原廠用戶手冊、實物硬件調試驗證為主，教師利用PPT講解重點與難點為輔，更專業和嚴謹地對知識點進行講解，促使學生逐漸形成專業和嚴謹的學術研究思維。

3.4" 底層驅動函數規范化

采用功能描述的方式對變量名和函數進行命名，即以英文詞匯為主，短命名時以完整的英文詞匯組成，長命名時以英文詞匯前三個字母或簡寫為主，且首字母為大寫。函數之間必須采用“高內聚、低耦合”的方式，程序塊采用縮進四空格風格進行縮寫，相對獨立的程序塊之間、變量說明之后必須有空行。程序代碼有效注釋量必須在50%以上，注釋內容要清楚明了、含義準確。函數前面必須給出足夠且精練的功能和例子說明。其中流水燈驅動函數程序代碼如圖3所示。

3.5" 制定單片機培訓課程內容

結合電氣行業的需求，以培養工程應用型人才為目標，以電工電子類學科知識為基礎，結合物聯網技術、遠程云平臺管理系統技術、3D打印技術、電氣設備運行技術等多學科知識，以研發應用于電氣行業的特色裝置或設備為目的，制定遞進式單片機培訓課程內容，具體內容如表1所示。

4" 制定考核反饋方式

OBE理念強調學生取得怎樣的成果。在單片機培訓過程中，要考慮如何通過多元化彈性的方式著重培養學生的學習能力，引導學生獲得多樣化的學習成果。采用精細化的考核方式、遞進式的項目化培訓方式[8-9]，根據項目難度級別、設計過程、設計成果、項目報告內容撰寫、答辯等綜合評定學生的能力[10]，通過項目進度記錄表反饋和分析學生學習情況。以項目為單位，考核內容與分值如表2所示，項目研發進度記錄如表3所示。

總評成績采用“優（≥90分）”“良（80～89分）”“中（70～79分）”“及格（60～69分）”和“不及格（＜60分）”五級核定。

5" 改革成果

自2019年逐步實施單片機培訓改革以來，創新實驗室學生的電工電子類基礎知識和綜合設計能力得到提升。其中圍繞電氣類設計的作品，如“一種新型無功補償控制器”“一種網絡型單相智能電表”“電能質量管理系統”，分別獲得全國大學生嵌入式芯片與系統設計競賽二等獎、首屆RISC-V MCU創新應用邀請賽一等獎、全國大學生節能減排競賽三等獎。師生共發表學術論文17篇，參與單片機培訓高達100人次，70%的創新實驗室學生進入南方電網、廣東粵電等電力企業工作。

6" 結束語

將以學生為中心的OBE理念引入單片機培訓，通過鞏固學生基礎知識，以遞進式的項目化培訓指導學生設計應用于電氣行業的項目樣機，以綜合性的考核評定學生的項目設計能力，不僅培養了學生的工程實踐能力與創新意識，還使其在學術科技競賽和學術論文發表方面實現數量與質量的提升。

7" 參考文獻

[1] 張欣.基于OBE理念的實踐教學改革與課程評價：以《單片機原理及應用課程設計》為例[J].長春工程學院學報（社會科學版），2019，20（3）：130-133.

[2] 李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34，70.

[3] 孫駟洲，孟櫻，陸華才.基于OBE理念的單片機綜合設計教學環節創新與實踐[J].寧德師范學院學報（自然科學版），2022，34（4）：443-448.

[4] 王佳，趙耕云.基于OBE理念的單片機課程項目化教學改革探索[J].汽車實用技術，2022，47（23）：211-214.

[5] 李芳.單片機教學研究與實踐：基于任務驅動和Proteus仿真[J].大學教育，2022（2）：116-118.

[6] 邵海龍.“置身其中”談單片機教學方式改革[J].電氣電子教學學報，2021，43（5）：116-119，144.

[7] 宣傳忠，曲輝，張永，等.基于復合應用型人才培養的單片機課程實踐教學改革與創新[J].內蒙古農業大學學報（社會科學版），2018，20（6）：39-43.

[8] 曹一鵬，吳昊，毛艷娥.OBE理念下單片機實踐教學改革的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2022（17）：128-130，136.

[9] 張金煥，陳祥威，何岸.OBE理念下“單片機原理與嵌入式系統”課程信息化教學研究[J].工業和信息化教育，2022（3）：44-48，53.

[10] 張鑫，張巖，隋金雪，等.基于“能力導向知行耦合多維互動”的單片機教學新模式[J].中國現代教育裝備，2023（9）：139-141，148.