基于OBE模式及CDIO模型的“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程教考模式探討與實(shí)踐

摘要：為了滿足應(yīng)用型人才的需求，在“新工科”背景下，多數(shù)工科專業(yè)開設(shè)了“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程，旨在增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字電路基礎(chǔ)知識的掌握和實(shí)踐能力。隨著社會經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)手段與設(shè)備層出不窮，不斷創(chuàng)新與推出，這促使相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)不斷修訂。為了使學(xué)生能更快適應(yīng)這些培養(yǎng)目標(biāo)，我們不斷探索新的教考模式，夯實(shí)基礎(chǔ)，讓學(xué)生掌握該領(lǐng)域先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和方法，引導(dǎo)他們自主探究，勇于創(chuàng)新。本文圍繞這一目標(biāo)，基于OBE（Outcome-Based Education） 教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate） 模型對“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)及考核模式進(jìn)行了探討與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：數(shù)電實(shí)驗(yàn)；OBE；CDIO；教學(xué)考核

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0121-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》作為電氣自動化類工科專業(yè)（如自動化、電氣工程、建筑電氣與智能化等） 的核心基礎(chǔ)課程，融合了硬件器件、電路及軟件設(shè)計(jì)，是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字邏輯思維、構(gòu)建數(shù)字框架，以及提升分析、設(shè)計(jì)及調(diào)試數(shù)字單元電路和數(shù)字系統(tǒng)工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。該課程在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力和創(chuàng)新思維方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，具有強(qiáng)烈的工程實(shí)踐性，在專業(yè)培養(yǎng)方案中占據(jù)核心地位，是后續(xù)課程的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)存在一些問題，直接影響了教學(xué)效果。具體問題包括：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容缺乏創(chuàng)意，未與工程實(shí)際緊密結(jié)合；實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中“教師講、學(xué)生做”，忽視了學(xué)生的主體性和能動性；實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案單一，無法滿足學(xué)生個體差異化需求；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)重結(jié)果輕過程，難以客觀準(zhǔn)確地給出每位學(xué)生的量化評價(jià)[1-2]。

隨著工程人才國際流動性的增強(qiáng)以及中國工程教育專業(yè)認(rèn)證的蓬勃發(fā)展，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE（Out?come Based" Education） 理念已成為國內(nèi)大部分高校的共識[3]。OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，根據(jù)不同學(xué)生的特點(diǎn)制定多樣化的實(shí)踐目標(biāo)和實(shí)踐策略，并注重教師對實(shí)踐過程各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，包括組織、管理、控制和評價(jià)等，以助力學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)成果。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行） 理念作為工程教育的新方向，將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐綜合能力，包括工程基礎(chǔ)知識、個人能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等[4-5]。理念關(guān)注教學(xué)目標(biāo)“（ 為了什么” OBE ） ，而CDIO理念則強(qiáng)調(diào)實(shí)施過程“（ 如何實(shí)現(xiàn)”） 。這兩種理念的先進(jìn)性在于，將教學(xué)的實(shí)施設(shè)計(jì)為以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為宗旨的、可量化、可考核、可追溯的過程。

因此，我們積極探索以學(xué)生為中心、以應(yīng)用為導(dǎo)向的《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程改革。在當(dāng)今快速變化的技術(shù)和教育環(huán)境中，工程教育需要不斷革新，以培養(yǎng)能夠應(yīng)對全球挑戰(zhàn)的高素質(zhì)人才。OBE和CDIO 這兩種教育理念的結(jié)合，為工程教育提供了一種極具前瞻性的方法。OBE-CDIO教育模式的融合，能夠有效地幫助學(xué)生發(fā)展全面的工程技能。OBE提供了明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和評估標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程結(jié)束時能夠達(dá)到的具體能力和技能，從而改變了傳統(tǒng)的以教師教學(xué)為中心的模式。CDIO則為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)提供了具體的實(shí)施路徑，其框架提供了一種系統(tǒng)性的工程教育方法，強(qiáng)調(diào)通過實(shí)踐和項(xiàng)目導(dǎo)向的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。通過真實(shí)的工程項(xiàng)目和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R轉(zhuǎn)化為實(shí)際能力，更好地適應(yīng)現(xiàn)代工程領(lǐng)域的需求。

總之，OBE-CDIO教育模式代表了工程教育的一種先進(jìn)理念，不僅注重知識傳授，更強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)和實(shí)踐應(yīng)用。將OBE-CDIO理念融入《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革中，將實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解為規(guī)模由小到大、設(shè)計(jì)難度階梯分布的若干子任務(wù)，調(diào)動學(xué)生積極性。通過由淺入深地將學(xué)習(xí)成果目標(biāo)和專業(yè)課程知識貫穿于教學(xué)各環(huán)節(jié)，學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在階梯式教學(xué)中得到循序漸進(jìn)的提升。這對于培養(yǎng)“高素質(zhì)、應(yīng)用型、創(chuàng)新型”人才具有重要意義。

1《 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程面臨的問題與現(xiàn)狀

目前，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多以驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型為主，但項(xiàng)目之間缺乏關(guān)聯(lián)性。學(xué)生難以通過完整的需求分析、設(shè)計(jì)、仿真、制作、測試等流程來掌握工程實(shí)踐的步驟，也無法熟練掌握現(xiàn)代技術(shù)所需的仿真平臺、FPGA 或大規(guī)模集成電路等技術(shù)，因此難以支持復(fù)雜的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。這導(dǎo)致學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題的能力上存在不足，后續(xù)參與學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)時出現(xiàn)技術(shù)斷層和能力欠缺的問題。

受經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)面積等條件的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法滿足每位學(xué)生一個實(shí)驗(yàn)臺的需求，也無法隨時提供實(shí)驗(yàn)機(jī)會。這導(dǎo)致部分學(xué)生無法獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，影響了教學(xué)效果。同時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已無法滿足新時代人才培養(yǎng)的需求。實(shí)驗(yàn)缺乏開放性、研究性和創(chuàng)新性，學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性難以得到充分激發(fā)，無法真正培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。

課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對陳舊，缺乏創(chuàng)新性和實(shí)用性，許多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍停留在基礎(chǔ)電路驗(yàn)證層面，未能緊跟現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與工程實(shí)際和產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)，削弱了學(xué)生的實(shí)踐能力。此外，學(xué)生考核體系也存在不足。考核未采用增量模式評分，評分標(biāo)準(zhǔn)與多級任務(wù)的難度不匹配，且未將自主性、原創(chuàng)性、時效性、成本等關(guān)鍵指標(biāo)作為考核重點(diǎn)，因此對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)存在欠缺。

2 基于OBE-CDIO 的教學(xué)及考核設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目化任務(wù)驅(qū)動

我們將分散的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合為一個綜合性大項(xiàng)目，采用任務(wù)化+項(xiàng)目化的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)雜任務(wù)中進(jìn)行問題拆解，培養(yǎng)他們結(jié)構(gòu)化、模塊化的思維習(xí)慣。這一過程正好契合CDIO教育模式中的構(gòu)思環(huán)節(jié)，如圖1所示。

以設(shè)計(jì)模仿網(wǎng)球比賽的電路為例，該項(xiàng)目被細(xì)分為時間控制電路、分?jǐn)?shù)顯示電路、鎖存電路等多個子任務(wù)。這些子任務(wù)涵蓋了時序邏輯電路和組合邏輯電路的基本知識，包括計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、寄存器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以及基本門電路的設(shè)計(jì)等。通過完成這些子任務(wù)，學(xué)生能夠逐步實(shí)現(xiàn)CDIO教育模式中的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行環(huán)節(jié)。

在每個實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生專注于解決一個子任務(wù)，這不僅激發(fā)了他們的探究欲望，還使他們能夠逐步了解整個工程的實(shí)施步驟，明確解題思路，夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

2.2 融合優(yōu)質(zhì)資源、多措施并舉

在保留線下教學(xué)和實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)的基礎(chǔ)上，我們豐富了線上課程資源，構(gòu)建了線上課程體系。利用超星學(xué)習(xí)通，我們分享了優(yōu)質(zhì)課程資源，并搭建了交流平臺（如圖2所示） 。同時，我們利用“頭歌實(shí)踐教學(xué)平臺”實(shí)現(xiàn)線上+線下聯(lián)動，通過趣味的“闖關(guān)”方式提升學(xué)生利用仿真平臺的能力。頭歌平臺的核心優(yōu)勢在于其智能化和交互性。它構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的編程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多痛點(diǎn)。學(xué)生可以在線完成代碼編寫、即時提交和自動化評測，學(xué)習(xí)效率和反饋速度得到了極大提升。平臺不僅提供了豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還能精準(zhǔn)診斷學(xué)生的編程能力，為個性化學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)支持。從教學(xué)管理角度看，頭歌平臺實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程的數(shù)字化和可視化，教師可以便捷地布置作業(yè)、追蹤學(xué)生進(jìn)度，并獲得詳細(xì)的學(xué)習(xí)分析報(bào)告。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué)模式有助于精準(zhǔn)把握教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)方法的持續(xù)優(yōu)化。

我們采用口袋式實(shí)驗(yàn)板+筆記本電腦的方式，實(shí)現(xiàn)了隨時隨地做實(shí)驗(yàn)的初衷，使學(xué)生從被動接受實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿鲗?shí)驗(yàn)。這種便攜式實(shí)驗(yàn)方案具有顯著優(yōu)勢。首先，它小型輕便，使得實(shí)驗(yàn)不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，無論是在教室還是自習(xí)室，學(xué)生都可以隨時進(jìn)行科學(xué)研究和技術(shù)實(shí)踐。其次，筆記本電腦的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力與口袋式實(shí)驗(yàn)板的硬件接口完美結(jié)合，為實(shí)時數(shù)據(jù)采集和分析提供了強(qiáng)大支持。這種方式降低了實(shí)驗(yàn)門檻，使學(xué)生可以更靈活地進(jìn)行項(xiàng)目研究，隨時捕捉靈感并立即付諸實(shí)踐，提高了工作效率和研究機(jī)動性。總之，口袋式實(shí)驗(yàn)板與筆記本電腦的結(jié)合代表了現(xiàn)代科技教育的創(chuàng)新發(fā)展方向，為知識探索提供了更加開放和靈活的平臺。

我們以學(xué)科競賽為契機(jī)，強(qiáng)化了“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，拓展了教學(xué)空間。學(xué)科競賽為實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力。相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑傎悓?dǎo)向能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。通過參與競賽，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R與實(shí)際應(yīng)用深度融合，真正理解數(shù)字電子技術(shù)的核心內(nèi)涵。同時，競賽拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，使學(xué)生在備賽過程中突破常規(guī)教學(xué)范疇，主動學(xué)習(xí)前沿技術(shù)，探索更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種自主學(xué)習(xí)模式不僅能夠提升專業(yè)技能，還能培養(yǎng)學(xué)生的研究意識和解決問題的能力。此外，學(xué)科競賽為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了實(shí)踐檢驗(yàn)的重要平臺，學(xué)生可以通過與其他院校、團(tuán)隊(duì)的切磋比拼，客觀評估自身水平，找準(zhǔn)差距，明確改進(jìn)方向。這種競爭性環(huán)境有利于形成良性的學(xué)習(xí)生態(tài)。總之，以學(xué)科競賽為契機(jī)，可以有效強(qiáng)化“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才，推動專業(yè)教育不斷向前發(fā)展。

我們將科研項(xiàng)目和成果引入《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維方法和探索精神，吸引了優(yōu)秀本科學(xué)生參與教師課題研究或致力于實(shí)驗(yàn)研究。首先，科研項(xiàng)目的引入顯著增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)性和前沿性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往局限于教材中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而科研項(xiàng)目能夠?qū)⒆钚碌募夹g(shù)發(fā)展和研究成果直接融入教學(xué)過程，拓寬學(xué)生的知識視野，使學(xué)生深入了解學(xué)科前沿和技術(shù)發(fā)展趨勢。其次，科研項(xiàng)目培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。通過參與實(shí)際的科研項(xiàng)目，學(xué)生接觸了真實(shí)的技術(shù)挑戰(zhàn)，學(xué)習(xí)了如何運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜的實(shí)際問題。這種實(shí)踐導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式有效提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。再者，科研成果的引入增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和專業(yè)認(rèn)同感。當(dāng)學(xué)生意識到所學(xué)知識能夠直接應(yīng)用于前沿科研項(xiàng)目時，他們的學(xué)習(xí)積極性得到了極大的提升。這種教學(xué)模式不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還幫助他們建立了對專業(yè)的認(rèn)同和熱愛。

2.3 搭建系統(tǒng)的課程思政體系

結(jié)合工程實(shí)際需求，我們深入挖掘思政元素，將科技、文化、工程師職業(yè)道德等社會熱點(diǎn)和生活實(shí)際內(nèi)容融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過潛移默化的方式，引導(dǎo)學(xué)生具備工程師的核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)為國育人的培養(yǎng)目標(biāo)。在工程教育和實(shí)踐中融入思政元素，不僅能提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，還能促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。將專業(yè)知識與思政教育有機(jī)結(jié)合，可以培養(yǎng)出既具備扎實(shí)專業(yè)能力，又肩負(fù)社會責(zé)任的高素質(zhì)工程人才。

例如，在組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)中，我們引導(dǎo)學(xué)生理解不同類型邏輯門電路在電路設(shè)計(jì)中的重要作用。這些門電路在不同的變化和應(yīng)用場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，借此引導(dǎo)學(xué)生體會個體與集體的關(guān)系，認(rèn)識創(chuàng)新的重要性，理解“螺絲釘精神”和團(tuán)隊(duì)精神。同時，以中國偉大的抗疫精神為例，讓學(xué)生深刻體會到偉大的工程并非一蹴而就，而是由眾多細(xì)小工作有序高效堆疊與協(xié)同完成的。

在譯碼器實(shí)驗(yàn)中，我們引導(dǎo)學(xué)生探索認(rèn)識新事物的方式方法，總結(jié)歸納事物的規(guī)律，并利用這些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改造與創(chuàng)新[6-8]。通過這樣的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生不僅能夠掌握專業(yè)知識，還能培養(yǎng)思政素養(yǎng)，為成為高素質(zhì)工程人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 完善評價(jià)體系

采用了多種考核方式，將評價(jià)體系劃分為多個階段，并根據(jù)任務(wù)的難度設(shè)定了相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)。多元化考核方式的核心價(jià)值，在于它打破了傳統(tǒng)單一評價(jià)模式的局限。我們結(jié)合了定性與定量評價(jià)，并重視過程性評價(jià)與結(jié)果性評價(jià)，特別注重學(xué)生在課外的自主學(xué)習(xí)能力。在此過程中，自主性和原創(chuàng)性被作為重要的考核指標(biāo)，同時我們也增加了時效性、成本控制和改進(jìn)效果等指標(biāo)的權(quán)重。

具體的評價(jià)方式包括：教師評價(jià)、學(xué)生互評（生生互評、組內(nèi)互評、組外互評） 以及學(xué)生自評。此外，我們還將學(xué)習(xí)通的互動參與評分和實(shí)踐教學(xué)平臺的成績納入總評，從而構(gòu)建了一個多元化的評價(jià)體系。這一體系不僅得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可，還為教學(xué)提供了科學(xué)的反饋，如圖3所示。

3 結(jié)束語

本文基于OBE-CDIO理念和模型，對《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)改革及評價(jià)內(nèi)容進(jìn)行了深入探討。我們將原有按章節(jié)劃分的知識點(diǎn)進(jìn)行了模塊化重組，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的深度融合，從而增強(qiáng)了課程的趣味性、實(shí)用性和挑戰(zhàn)性。這一改革引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識體系，并深入理解基礎(chǔ)知識，實(shí)現(xiàn)了從“教我”到“我學(xué)”的主動性學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，并提升了他們的學(xué)習(xí)成就感。近兩年的實(shí)施結(jié)果顯示，該教學(xué)改革取得了顯著成效：學(xué)生的課程整體成績明顯提高，他們積極參與學(xué)科競賽，實(shí)踐動手能力顯著增強(qiáng)，所取得的成績屢創(chuàng)新高。